В честь Международного года квантовой науки и технологий (МГК) 2025 ?Хроника ООН? задала ряд вопросов профессору, доктору наук Клаусу Рихтеру, президенту Немецкого физического общества (DPG), о природе квантовой физики и её потенциальной пользе для человечества. Цель интервью – предоставить нашим читателям доступную информацию об этой сложнейшей области научного и технологического развития.
Интервью
Международный год квантовой науки и технологий призван расширить общественное понимание квантовых технологий, включая их преобразующий потенциал. Не могли бы вы объяснить для нашей широкой аудитории, что такое квантовая механика и почему она важна?
Классическая механика описывает макроскопический мир вокруг нас, от движения планет до бильярдных шаров. Однако она не применима к микромиру. Квантовая механика — это теоретическая основа квантовой физики. Она заполняет этот пробел в мельчайших масштабах и описывает поведение и взаимодействие молекул, атомов и даже более мелких частиц, из которых они состоят. В классической физике энергия изменяется непрерывно. В квантовой же физике энергия ограничена дискретными значениями и растёт скачкообразно. Таким образом, энергия — это множество мельчайших ?порций энергии? — квантов.
Квантовая механика впечатляющим образом дополнила наше представление о мире и сделала атомистический космос доступным для нас: то, что начиналось как расплывчатая теория в 1925 году, позволяет нам понять природу: почему светит солнце? Что удерживает атомы вместе? Почему одни молекулы способствуют глобальному потеплению, а другие — нет? Почему предметы обладают магнитными свойствами? Все эти повседневные явления можно объяснить только с помощью квантовой физики.
Более того, квантовая механика привела к революционным техническим достижениям и стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни: возьмите транзисторы как строительные блоки наших интеллектуальных технологий, таких как компьютеры и мобильные телефоны, светодиоды (светоизлучающие диоды) как энергосберегающие источники света, системы позиционирования и навигации (GPS), новое определение килограмма или магнитно-резонансную томографию как важный инструмент медицинской диагностики. Квантовая механика оказывает влияние на все области нашей науки, техники, культуры и искусства.
Вы отметили, что ?после 100 лет успешного развития квантовой физики мы, возможно, находимся на пороге второй квантовой революции?. Какие, по вашему мнению, важные изменения в нашей жизни произойдут в будущем благодаря прогрессу в квантовой науке и технологиях?
?Первая квантовая революция?, основанная на квантах энергии и волновой природе квантовых частиц, началась в середине XX века. ?Вторая квантовая революция? началась примерно в начале XXI века. Она основана на растущей возможности полного управления квантовым поведением элементарных частиц, таких как фотоны или атомы. Эти достижения могут проложить путь к нашему будущему представлению о вычислениях, измерениях и информации. Некоторые продукты квантовой технологии, такие как атомные часы, уже работают; другие, такие как квантовые вычисления, перейдут от стадии исследований к первым коммерческим приложениям. Благодаря новым квантовым алгоритмам квантовые компьютеры смогут решать новые, чрезвычайно сложные задачи. Сложные методы взаимосвязи, ещё один отличительный признак ?второй квантовой революции?, могут привести к появлению совершенно новой сенсорной технологии.
Я думаю, что нет пределов творчеству в области квантовых приложений. Будущие квантовые технологии, вероятно, снова сильно повлияют на наш мир. Но мы просто не знаем, когда и в какой форме это произойдёт в далёком будущем. Эволюционное развитие квантовых технологий за последние 100 лет может дать нам ключ к разгадке: в 1950-х годах такие прорывы, как лазер или манипуляция отдельными атомами, просто не предполагались. Нам следует обладать достаточной фантазией, чтобы ожидать неожиданного в нашем далёком будущем.
С каждым днём мы всё чаще наблюдаем стремительное развитие и применение систем больших данных и искусственного интеллекта (ИИ). В какой степени эти системы уже формируются под влиянием квантовой науки и технологий, и каковы, по вашему мнению, риски и возможности квантовой физики в сфере ИИ (и наоборот)?
Продолжающееся стремительное и революционное глобальное развитие приложений для обработки больших данных, искусственного интеллекта и машинного обучения, в частности, было обусловлено достижениями в области высокопроизводительных вычислений за последнее десятилетие. Процессоры и их производство основаны на передовых квантовых технологиях, включая полупроводниковые материалы и лазеры экстремального ультрафиолетового диапазона (XUV). Следовательно, бум в области искусственного интеллекта был бы просто невозможен без квантовой механики.
Основы искусственного интеллекта были заложены в физике, а большие данные были темой физики элементарных частиц задолго до того, как приобрели то общее значение, которое имеют сегодня. Сегодня же, наоборот, методы машинного обучения всё чаще используются в физических исследованиях и разработках, а следовательно, и для разработки новых квантовых технологий.
Мы чаще наблюдаем, как методы из области искусственного интеллекта, квантовой физики и квантовых вычислений всё больше переплетаются. Например, существуют такие исследовательские направления, как машинное обучение, основанное на физике, а также квантовое машинное обучение, интеграция квантовых алгоритмов в программы машинного обучения. Объединение этих двух быстро развивающихся методов — квантовых алгоритмов и искусственного интеллекта — безусловно, дает невиданный синергетический эффект. Однако скорость, с которой это происходит, также таит в себе потенциальные риски.
Как президент Немецкого физического общества (DPG), одного из основателей МГК, как вы оцениваете наследие квантовой науки за последние 100 лет в своей работе в поддержку целей Международного года?
Сто лет назад Гёттинген (Германия) сыграл ключевую роль в становлении квантовой физики в её нынешнем виде. В 1925 году именно здесь были впервые сформулированы фундаментальные законы квантовой механики. В свете событий, произошедших в Гёттингене, МГК имеет особое значение для немецкого физического сообщества. В рамках DPG мы посвящаем весь 2025 год квантовой физике! Мы отмечаем ее успехи, но, в частности, обратим внимание на будущие перспективы квантовой механики.
С этой целью DPG предлагает на год комплексную программу просветительской работы, включающую пять тематических направлений: (i) квантовая физика в исследованиях и квантовые технологии; (ii) кванты в школе, игра с квантами: современные квантовые технологии могут дать новый импульс обучению в целях повышения осведомленности общественности и широкого образования в естественных науках в целом; (iii) кванты в музыке, философии, искусстве, кино и литературе; (iv) кванты в профессиональном мире, карьере и взаимодействии с обществом; и (v) путь к современному квантовому миру и за его пределы.
Квантовая теория — одно из величайших фундаментальных открытий человечества в мире, в котором мы живём. Мы можем быть полны энтузиазма, но не должны обещать слишком многого в обозримом будущем. DPG подчёркивает огромную важность квантовой науки и выступает за эффективное продвижение серьёзных и свободных исследований в области фундаментальных основ квантовой физики. В то же время, как часть наследия последних 100 лет, наука призвана ответственно относиться к новым разработкам в области квантовых технологий на благо человечества, тщательно учитывая возможные социальные последствия. Это также предполагает открытость и информирование общества не только о возможностях, но и о потенциальных рисках. Исторически, и особенно в нынешней глобальной ситуации, стратегический потенциал квантовых технологий в сфере безопасности также очевиден.
Вы отметили, что физика играет ключевую роль в необходимых преобразованиях, направленных на обеспечение безопасной энергии без использования ископаемого топлива. Каковы ваши надежды и ожидания относительно потенциала квантовой науки и технологий в решении климатического кризиса?
Что касается основных глобальных проблем нашего времени, то быстрое изменение климата, безусловно, стоит на первом месте в списке. В смягчении последствий изменения климата физика играет и будет играть ключевую роль в необходимом преобразовании энергоснабжения в сторону дефоссилизации. В этом отношении фотоэлектричество является ярким примером прикладной квантовой физики и обладает потенциалом для быстрого решения климатического кризиса, поскольку проблема актуальна. По прогнозу Международного энергетического агентства, темпы роста фотоэлектрических систем в течение следующего десятилетия значительно опередят темпы роста всех других источников электроэнергии. И фотоэлектрические системы опираются не только на фотоэффект Эйнштейна, открытый более 100 лет назад: современные высокотехнологичные солнечные панели включают в себя гораздо больше аспектов квантовых и полупроводниковых технологий. Однако для быстрого и масштабного перехода к возобновляемым источникам энергии и устойчивому управлению энергией необходимы дальнейшие исследования и разработки в области систем накопления энергии и (интеллектуальных) электросетей.
Кроме того, хотя важно, чтобы упомянутые технологии развивались полным ходом, необходимо также иметь в виду долгосрочную перспективу.
Сюда входят технологии, основанные на квантовой физике, для получения энергии практически без использования ископаемого топлива, такие как ядерный синтез. Поскольку перспектива крупномасштабного коммерческого производства электроэнергии в настоящее время оценивается в несколько десятилетий, технологии термоядерного синтеза пока не способны решить неотложную задачу ограничения глобального потепления. Тем не менее, исследования и разработки в области термоядерного синтеза следует продолжать продвигать и поддерживать как долгосрочный вариант.
Мероприятия МГК проходят по всему миру, способствуя научному диалогу между странами и культурами и вдохновляя молодёжь вносить свой вклад в новый квантовый век. Каково ваше мнение о ценности многостороннего подхода для обеспечения непрерывного глобального распространения знаний и инвестиций в квантовую и другие области науки?
Я твердо убежден, что в мире, который в глобальном масштабе характеризуется тенденциями к фрагментации как внутри обществ, так и между ними, многостороннее сетевое взаимодействие международного научного сообщества важно, как никогда.
С одной стороны, квантовая наука с её захватывающими возможностями и заметным в глобальном масштабе импульсом в настоящее время создаёт идеальные условия для укрепления глобальных связей. Разнообразные мероприятия, инициированные и организованные МГК, безусловно, способствуют формированию идентичности.
В рамках Международного года квантовой науки и технологий DPG организует ряд значимых мероприятий, направленных на международный обмен опытом в области квантовой науки. Например, Гана была гостем на нашем ежегодном мартовском собрании DPG, где был организован симпозиум. Кроме того, этой осенью мы организуем еще одну крупную международную конференцию в Гёттингене, на родине квантовой механики, которая представит все аспекты квантовой физики. Кстати, в конце июня мой коллега Томас Конрад (Университет Квазулу-Натал, Дурбан, ЮАР) при поддержке нескольких коллег из DPG организует конференцию ?Квантовая наука и технологии в Африке?, направленную на развитие панафриканской квантовой сети.
В то же время стремительное развитие квантовых технологий также несёт в себе риск возникновения новых глобальных зависимостей. Когда мы говорим о цифровом суверенитете, это, безусловно, относится и к квантовым технологиям.
Каково быть физиком конденсированного состояния? Как ваша работа влияет на ваше восприятие мира? Над какими исследованиями вы работаете или что планируете?
Между двумя физическими крайностями, микромиром элементарных частиц и макромиром астрофизики, находится удивительный и многослойный мир: мир конденсированной материи. На первый взгляд, материя кажется нам знакомой, потому что она окружает нас со всех сторон. Но для понимания того, почему материя и материалы таковы, какие они есть, и, в частности, как в XXI веке можно адаптировать новые, захватывающие свойства материалов и использовать новые технологии, квантовая физика опять играет решающую роль.
В нашем исследовании мы имеем дело, с одной стороны, с ультратонкими материалами, состоящими из нескольких атомных слоёв, которые можно представить себе сложенными друг на друга, как кубики Lego. Электрический ток в этих квантовых материалах определяется квантовыми эффектами, и мы рассчитываем, как их можно эффективно использовать в будущих электронных компонентах. Кроме того, мы изучаем квантовое управление, то есть стабилизацию, переключение и управление квантово-механическими объектами, в том числе с учётом работы будущих квантовых вычислительных устройств.
Поэтому для меня, как физика конденсированного состояния, квантовая физика — это наш хлеб насущный: и на лекциях, и в исследованиях, и в ежедневных дискуссиях с коллегами и участниками группы. В некотором смысле мы, квантовые физики, работаем в гибридной среде: квантовом мире с его контринтуитивными явлениями и обыденном, классическом мире нашего окружения.
Издание ?Хроника ООН? выражает благодарность профессору доктору Рихтеру за то, что он поделился своими экспертными взглядами на квантовую науку и ее растущую глобальную значимость.
Данная статья была подготовлена с помощью машинного перевода; были предприняты усилия для обеспечения точности перевода. Организация Объединенных Наций не несет ответственности за возможные ошибки или неточности, возникшие в результате машинного перевода. В случае возникновения вопросов, связанных с точностью информации, представленной в данном переводе, рекомендуется обратиться к оригиналу статьи на английском языке.
?
?Хроника ООН??не является официальным документом. Для нас большая честь публиковать статьи высокопоставленных лиц Организации Объединённых Наций, а также видных государственных и общественных деятелей со всего мира. Выраженные в статьях взгляды и мнения принадлежат авторам и могут не совпадать с официальной позицией Организации Объединённых Наций. Подобным образом указанные в статьях, картах и приложениях границы, географические названия и обозначения могут отличаться от официально признанных Организацией.?
