Разбираемся В Физике Частиц

Слово «квант» используется также для обозначения некоторых частиц или квазичастиц. Например, фотон называют квантом электромагнитного поля, фонон — квантом колебаний кристаллической решетки, а гипотетический гравитон — квантом гравитационного поля. Примеры уже есть — например, компания IBM создала квантовый компьютер, который продала в Германию исследовательскому Институту Фраунгофера. Есть разработки у канадской компании D-Wave, которые, правда, многие считают не вполне квантовыми. Тем не менее они продали несколько устройств университетам, военным агентствам и другим структурам. Но, конечно, если мы говорим о массовом рынке, то пока до этого дело не дошло и не очень понятно, когда дойдет. Ниша использования квантовых компьютеров довольно специальна, и они пока не нужны нам в ежедневной практике, как мобильные телефоны.

Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения , где — редуцированная постоянная Планка, а — целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а — смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.

— «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения— и последнее называют квантом.

Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны. Например, порцию энергии, углового момента, пространства и т.д. Квантовая физика предполагает, что определенные величины принципиально не могут быть непрерывными и являются проявлением или совокупностью квантов этой величины. Отсюда и названия квантовой физики, квантовой механики, квантовой оптики и т.д. Сейчас же, говоря о квантах, обычно имеют в виду частицы (например, фотон) или псевдочастицы (например, фонон), которые представляют собой порцию энергии. Сейчас понятие квант часто употребляют в более узком смыле, чем изначально.

Квант Против Кванта

Таким образом, картину Вселенной, в которой обитаем мы, современная физика рисует с исключительной простотой; элегантные явления происходят где-то там, где их нельзя увидеть, порождая разнообразие макромира. Возможно, это самое выдающееся достижение современной науки — сведение невероятной сложности мира, включая и самих людей, к описанию поведения горстки мельчайших субатомных частиц и четырех сил, действующих между ними. Лишь сила тяжести — самая слабая, но, возможно, самая знакомая нам сила из всех — в настоящий момент не имеет удовлетворительного квантового описания.

Защитой информации озабочены не только специалисты, но и политики. Принимаются национальные программы противодействия новым киберугрозам.

В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча. Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет νmin, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.

К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится.

Квант

В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды.

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется». Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Из-за некоторой расплывчатости термина (то ли частица, то ли физическая величина, например энергия) в современной физики он употребляется скорее по традиции. Так, понятие квантовой механики породило названия типа квантовой теории поля, квантовой оптики и т.д.

В Зависимости От Точки Зрения Квантовая Теория

А значит, под угрозу попадут и критическая инфраструктура, и цифровая экономика, и другие стратегически важные направления. Поэтому в выигрыше останутся те, кто раньше других включил квантовые коммуникации в стратегии информационной безопасности. В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. Поняв, как получаются фотоны, ученые смогли «приручить» их. В результате появился лазер – источник монохроматических электромагнитных волн. При достаточно простых принципах, которые лежат в основании одновременной генерации фотонов одной длины волны (монохроматических), и простом строении самого устройства, возникали большие технические сложности. Объяснив природу света, люди поняли, что квант – это не только математическая шутка, но и огромные возможности.

Появления полноценных квантовых компьютеров ждут уже не первый год, однако пока такие устройства в основном работают в лабораториях. Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты. Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа).

Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы. Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером иНью-Йорком с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались. По словам Виктора Яковлева, технология квантовой криптографии уже создана, рассматриваются варианты ее интеграции, разрабатываются новые стратегии безопасности. По прогнозам квантовый компьютер появится через 7-10 лет, а, значит, времени на раздумье осталось немного. В центре НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» выстроена эффективная и последовательная система подготовки специалистов по квантовым технологиям. Например, для специалистов по информационной безопасности, которые хотят расширить свои знания в области квантовой криптографии, разработана программа дополнительного профессионального образования.

Очевидно, что для дальнейшего развития рынка необходим активный диалог между разработчиками решений на основе квантовых технологий и заказчиками. В 2016 году по инициативе Росатома и Фонда перспективных исследований стартовал проект «Лиман» на основе сверхпроводниковых кубитов. За три года был пройден большой путь, создана технология и продемонстрирован процессор на двух кубитах. Это стартовая точка для работы в рамках «дорожной карты», в том числе развития квантовых вычислений на других объектах, ионах и атомах, например. Здесь есть неплохой задел, но расслабляться ни на минуту нельзя. Весь мир продолжает работать над квантовыми вычислениями, например, IBM в этом году сделала компьютер на 65 кубитах и к концу года намерена удвоить эту цифру.

Нужно работать и не повторять то, что сделали лидеры, а использовать свои наработки, чтобы создавать оригинальные вещи. Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта. Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта. В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.

Первой задачей было найти материал, в котором существовала бы инверсная заселенность электронов. Вторая задача состояла в том, чтобы создать два зеркала на торцах рабочего кристалла. Но обе они давно решены, причем понимание того, что такое квант, – это первый шаг к получению таких сложных устройств. С защитой информации складывается парадоксальная ситуация. С одной стороны, считается, что современные методы шифрования вполне надежны. Для подбора ключа к текстам даже суперкомпьютерам потребуются годы. Но тогда почему во многих странах киберугрозы называются одной из главных проблем национальной безопасности.

Ведущие мировые державы, понимая стратегическое значение квантовой информатики, начали инвестировать в квантовые технологии задолго до пандемии. Пока что самые масштабные квантовые сети построил Китай, однако и другие лидирующие в «квантовой гонке» страны, в частности Россия, запускают собственные пилотные проекты в этой области и получают вдохновляющие результаты.

Поэтому необходимо уже сегодня учитывать квантовую криптографию в тех технических решениях, которые через 5-7 лет будут применяться масштабно. В частности квантовые технологии обеспечивают безопасное удаленное обновление прошивки беспилотника. В условиях современной цифровой трансформации можно сказать, что рынок «ожидает» первой хакерской атаки с использованием мощного квантового компьютера, перед которым уязвимы практически все известные алгоритмы шифрования.

Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами. Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки.

• И если уровень ошибок, вызванных этими потерями, 11 процентов, то все в порядке, ключ можно применять и шифровать информацию.
• Есть разработки у канадской компании D-Wave, которые, правда, многие считают не вполне квантовыми.
• А недавно совместно с Университетом Иннополис и компанией QRate мы провели демонстрацию квантово-защищенного беспилотного автомобиля.
• В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а — смысл числа́ этих квантов (фотонов).
• Если же более 11 процентов, то неважно, по какой причине это произошло, — попытка перехвата ключа была.

Здесь дается определение этой величины, показывается ее важность и приводится краткая история ее открытия. Но такой одиночный фотон очень «слабая» частица, она может просто не добраться до финиша, затухнуть в дороге. Считается, что такие потери фотонов — это сигнал о попытке взлома. И если уровень ошибок, вызванных этими потерями, 11 процентов, то все в порядке, ключ можно применять и шифровать информацию. Если же более 11 процентов, то неважно, по какой причине это произошло, — попытка перехвата ключа была.

Они не отменят те устройства, которыми мы пользуемся сейчас — по крайней мере в обозримом будущем. Именно эти молекулярные цепи формируют суперструктуру, объединяющую и деревья, и бумагу в этой книге, и все живое. Мы обнаружили, что все вещи в мире — не более чем скопища атомов, а широчайшее многообразие атомов состоит всего из трех частиц — электронов, протонов и нейтронов. Мы знаем также, что сами протоны и нейтроны состоят из более мелких сущностей, именуемых кварками, и на них уже все заканчивается — по крайней мере, так мы думаем сейчас.

Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.

Позже ученые выяснили, почему электроны в атомах могут находиться только на определенных орбитах. Это потребовало введения принципа корпускулярно-волнового дуализма для элементарных частиц. Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой. Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования.

Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью cw.

Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Гравитон – квант гравитационного поля (предсказан теоретически, но пока его существование не доказано практически).