Квант у тебя в кармане
Урок 5 из 23 курса «Квантум: курс с нуля». Бесплатно, с анимациями и тестом.
Твой телефон — квантовое устройство
Квантовая физика — это не только про будущее. Без неё не было бы смартфона. Чип, память, камера, экран, Face ID и GPS работают на эффектах, которые объясняет только квант: ступеньки энергии, туннелирование, фотоны. Инженеры используют эти правила уже 70 лет. Дальше разберём каждую деталь и поймём, почему кубит — это следующий шаг, а не фантастика из ниоткуда.
Транзистор: 19 миллиардов кранов
Транзистор — крошечный кран для электронов: открыт, это 1, закрыт, это 0. В чипе Apple A17 Pro их 19 миллиардов. Почему кремний умеет то проводить ток, то нет? Обычная физика не объясняет. Ответ дала квантовая теория: у электронов в кристалле есть разрешённые и запрещённые полосы энергии, те же ступеньки из первого урока. Без этой теории не было бы ни одного компьютера. Кстати, обычный бит транзистора — это и есть тот 0 или 1, с которым мы сравним кубит.
Лазер и Face ID
В 1917 году Эйнштейн заметил: фотон может «уговорить» возбуждённый атом выпустить точно такой же фотон, того же цвета и в ту же сторону. В 1960-м на этой идее собрали первый лазер. Обычная лампа светит фотонами вразнобой, лазер даёт армию одинаковых. Где это у тебя: сканер штрихкодов на кассе, оптоволоконный интернет и Face ID. Он проецирует на лицо больше 30 000 невидимых лазерных точек и строит по ним 3D-карту.
GPS держится на атомных часах
Телефон узнаёт, где ты, по сигналам спутников: сравнивает, когда каждый сигнал вылетел и когда пришёл. Свет пролетает 300 метров за одну миллионную секунды. Значит, часы должны быть безумно точными. На спутниках стоят атомные часы: они считают прыжки электрона по ступенькам в атоме цезия или рубидия. С 1967 года секунда официально равна 9 192 631 770 колебаниям излучения цезия. Без квантовых ступенек навигатор промахивался бы на километры.
Больница, лампочка, телевизор
МРТ видит органы через ядра водорода в твоём теле. У каждого ядра есть спин, квантовое свойство, похожее на крошечный магнитик. Сверхпроводящий магнит выстраивает спины, а радиоволны заставляют их «звенеть». Синий светодиод, без которого нет белых LED-ламп и экранов, принёс японским учёным Нобелевку 2014 года. А квантовые точки в QLED-телевизорах светят чистыми цветами, и за них дали Нобелевку по химии 2023 года.
Первая и вторая квантовые революции
Всё, что мы разобрали, — первая квантовая революция. Транзисторы, лазеры, часы используют квантовые законы для огромных толп частиц сразу. Сейчас идёт вторая: учёные научились управлять отдельными атомами, фотонами и электронами поштучно, держать их в суперпозиции и запутывать. Отсюда квантовые компьютеры, квантовая связь и сверхточные датчики. Во втором уровне ты сам соберёшь кубит, поставишь гейты и увидишь интерференцию в тренажёре.
Проверь себя
- Что из этого работает благодаря квантовой физике?
Правильный ответ: Всё сразу: чип, Face ID и GPS. Транзисторы чипа держатся на квантовых полосах энергии, Face ID на лазере, GPS на атомных часах. Квант давно в кармане, а не только в будущем. - Почему GPS не может обойтись без атомных часов?
Правильный ответ: Ошибка в миллионную секунды — это уже 300 м. Положение считается по времени полёта сигнала. Свет за миллионную секунды пролетает 300 м, поэтому часы нужны точнее обычных в миллионы раз. - Чем вторая квантовая революция отличается от первой?
Правильный ответ: Управляем отдельными частицами и их суперпозицией. Первая революция использовала законы кванта для толп частиц. Вторая работает с каждой частицей поштучно: суперпозиция, запутанность, кубиты.