Глобалдык жайгашуу түзүмү (GPS)-кванттык механиканын турмуштагы колдонмолорунун бири.
Дүйнөдө быйыл кванттык физика менен механиканын жүз жылдыгы белгиленүүдө. Улуттар уюму да 2025-жылды Кванттык илим менен технологиянын эл аралык жылы деп жарыялаган. Акыркы бир кылым ичи кванттык физика менен механиканын адамзатка берген жетишкендиктери эмне болду ?
Илим дүйнөсүнүн эң абройлуу Nature журналы кванттык физиканын жүз жылдыгына сереп салган быйылкы макаласында аны “бүтпөй калган ыңкылап” деп атады.
Анда белгиленгендей, “кантип азыркы биологияны Чарльз Дарвиндин эволюция теориясысыз элестетүү мүмкүн эмес болсо, физикалык дүйнө жөнүндө негизги түшүнүгүбүз да азыр кванттык принциптерге негизделет. Заманбап физика бул – кванттык физика”.
Квант деген сөз заттын энергияны кандай сиңирип же бөлүп чыгарарын түшүндүрөт.
Бул термин физикада немис тилиндеги quant деген сөздөн алынган, ал латынча “канчалык” деген маанини берген сөздөн келип чыккан. Болжол менен 1900-жылдары Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858-1947) жана Альберт Эйнштейн (Albert Einstein 1879-1955) сыяктуу окумуштуулар физикада байкалган айрым кубулуштарды Исаак Ньютон жана башка илимпоздор эки кылым мурда иштеп чыккан классикалык механика аркылуу түшүндүрүүгө болбой турганын айта башташкан.
Андан кийин, 1925-жылы, квант термини жаңы жана толук башкача механиканын негиздерин сүрөттөө үчүн колдонулуп баштаган. Бул- физиканын күчтөр менен материалдык объекттердин кыймылынын өз ара байланышын изилдеген бөлүмү.
“Кванттык ыңкылап азыркыга чейин алып келген жетишкендиктерине карабастан, дагы эле толук аяктай элек иштерге ээ. Изилдөөчүлөр кванттык механиканын пайдубалын түптөп жаткан жылдары, алар физиканын башка бөлүмдөрүн да, мисалы, электромагнетизмди жана материянын абалдарын кванттык негизден баштап кайра курууга киришкен.
Ошондой эле, өткөн кылымдын таанымал физиктери теорияларын жарык ылдамдыгына жакын кыймылдаган объекттерге да колдонууга аракет кылышкан. Бул оригиналдуу кванттык теория камтыбаган тармак болчу.
Аталган аракеттер кванттык илимдин чөйрөсүн кескин кеңейтип, изилдөөчүлөрдү материя менен андагы карым-катнашты сүрөттөөдөгү негизги концепция – бөлүкчөлөр жана талаалар боюнча стандарттык моделди иштеп чыгууга жетелеген жана бул жараян акыры 1970-жылдары жыйынтыкталган.
Кванттык физиканын башка концептуалдык проблемалары азыр дагы ачык бойдон калууда. Айрыкча, окумуштуулар тажрыйба жүргүзүлгөндө кванттык бөлүкчөлөрдүн бүдөмүк ыктымалдуулугу кантип так бир жыйынтыкка айланып калат, башкача айтканда, белгисиздик кантип чыныгы өлчөмгө айланат деген суроого алигиче так жооп таба элек.
Бул – жараян биз жашап жаткан чоң дүйнөнүн, же болбосо «классикалык» чөйрөнүн, калыптанышындагы негизги баскыч. Акыркы бир нече ондогон жылда илимпоздор кванттык дүйнөнүн таң калыштуу өзгөчөлүктөрүн пайдалуу технологияларга айландыруу жолдорун издеп келишти.
Натыйжада, эсептөө техникасы, өтө коопсуз байланыш жана жаңыча илимий жабдуулар жаатындагы колдонмолор жаралып жатат. Бирок бул технологиялар азырынча жаңы гана башталып, өнүгүү жолунда турат. Кванттык теория күн сайын жаңы ачылыштарга жол ачууда.
Быйыл кванттык физиканын адамдардын жашоосундагы маанилүү ролун белгилеп, кеңири коомчулукту кабардар кылууга эң сонун мүмкүнчүлүк. Ошондой эле, бул – дүйнөнүн кайсы бурчунда болбосун, келечектеги муундарды дагы бир “кванттык кылымга” өз салымын кошууга шыктандыруучу учур»,- деп жазды илим дүйнөсүнүн абройлуу Nature журналы кванттык физиканын жүз жылынын мааниси тууралуу быйыл 8-январда жарыяланган атайын макаласында.
Ошентип, өткөн бир кылымда кванттык физика менен механиканын адамзаттын турмушуна алып келген практикалык 10 башкы натыйжасы төмөнкүлөр болду:
Жарым өткөргүчтөр жана электроника
Компьютерлер менен смартфондордун ичинде жарым өткөргүч материалдар кеңири колдонулат. Электрондук түзүлүштөрдүн негизи болгон транзисторлор, бул – жарым өткөргүчтөр, кванттык механиканын принциптерине негизделип иштейт.
Сүрөттөө жана чоңойтуу технологиялары
МРТ (Магниттик резонанстуу томография) сыяктуу ыкмалар кванттык механикага негизделет. МРТ аппараттары адамдын денесинин ичин операциясыз көрүүгө мүмкүнчүлүк берет жана бул кванттык физиканын мыйзамдарынын аркасында ишке ашат. Апараттар денебиздеги атомдордун магниттик талааларын аныктап, ички органдарыбыздын так сүрөттөрүн дарыгерлерге сунуштайт.
Лазерлер
Супермаркеттеги штрих-коддорду сканерлөөдөн тартып, адамдын денесинен татуировкаларды алып салууга чейин колдонулуучу лазерлер кванттык механиканын принциптерине негизделип иштейт. Бул технология өнөр жайда, медицинада жана көңүл ачуу тармагында кеңири колдонулат жана дагы сансыз колдонмо мүмкүнчүлүктөргө ээ.
GPS технологиясы
Бизге бир жерден экинчи жерге так жетүүгө жардам берген Глобалдык жайгашуу түзүмү (GPS) да кванттык механикага таянат. GPS спутниктеринин негизги бөлүгү болгон атомдук сааттар – атомдордун термелүүсүнө негизделип, убакытты абдан так өлчөгөн сааттар. Кванттык механиканын тактыгынын аркасында GPS системалары жайгашкан жерди жогорку тактык менен аныктай алат.
Күн панелдери
Күн панелдери жарыкты электр энергиясына айлантуу үчүн фотоэлектрдик эффектти колдонушат жана бул көрүнүш кванттык механика аркылуу түшүндүрүлөт. Фотоэлектрдик эффект материалга жарык тийгенде электрондор бошоп чыгып, электр тогун жаратканда пайда болот.
Күн панелдеринде келген бардык күн нурлары электр энергиясын жарата бербейт. Кайсы нурлар колдонулушу алардын энергиясына жараша тандалат жана бул энергия E = hv формуласы менен берилет (мында h – Планк туруктуусу (кванттык физиканын негиздөөчүсү Макс Планктын ысымы менен аталган), v – нурдун жыштыгы). Кайсы нурлар сиңирилип, кайсылары сиңирилбеши – дал ушул кванттык механиканын принциптерине негизделет.
Шифрлөө жана киберкоопсуздук
Кванттык механика шифрлөө жана киберкоопсуздуктун келечегин да өзгөртүп жатат. Кванттык шифрлөө кванттык физиканын принциптерин колдонуп, көзөмөлсүз бузулууга мүмкүн эмес коопсуз байланыш каналдарын түзөт. Бул ыкма маанилүү маалыматтарды коргоодо жана өткөрүүдө түп-тамырынан жаңы доорду ачышы мүмкүн.
Флюоресценттүү жана LED чырактар
Флюоресценттүү чырак (LED чырактарга чейинки энергияга үнөмдүү чырак) кванттык көрүнүштөрдүн эсебинен гана иштейт. Чырактын андан кийинки мууну LED’дер да (жарык чыгаруучу диоддор) кванттык механиканын принциптерине негизделип иштейт. Тактап айтканда, LED’деги жарыктын чыгышы – бул жарым өткөргүч материалдын ичиндеги энергия деңгээлдеринин ортосунда электрондордун өтүшүнүн натыйжасы, мында энергия фотондор түрүндө бөлүнүп чыгат. Бул жараян кванттык теория менен түшүндүрүлөт, ал заттын жана жарыктын атомдук жана субатомдук деңгээлдеги жүрүм-турумун сүрөттөйт.
Оптикалык була
Оптикалык була кабелдери маалыматты жарык аркылуу өткөрөт, бул жарыктын толук ички чагылуусу принциби менен жүргүзүлөт. Бул принцип кванттык механикага негизделген. Оптикалык булалар негизинен телекоммуникацияда: интернет, телефон жана кабелдик телекөрсөтүү кызматтарында колдонулат. Байланыштан тышкары, оптикалык булалар медицинада (эндоскопия, хирургия), автоунаа өнөр жайында (жарыктандыруу, коопсуздук системалары), аэронавтикада (структуралык абалды көзөмөлдөө, маалымат берүү) жана ошондой эле көркөм жана кооздук жарыктандырууда да пайдаланылат.
Кванттык химия
Кванттык механика химиялык реакциялардын жана молекулалардын түзүлүшүнүн теориялык негизин түзөт. Бул илимпоздорго жаңы материалдарды жана дары-дармектерди алдын ала болжолдоп, иштеп чыгууга мүмкүнчүлүк берет.
Кванттык эсептөө
Кванттык эсептөө – кванттык механиканын принциптерин колдонуп, маалыматты жаңыча ыкма менен иштеткен технология. Салттуу компьютерлерде маалыматтын эң кичинекей бирдиги биттер болсо, кванттык компьютерлерде кубиттер колдонулат. Бул кубиттер татаал эсептөөлөрдү азыркы компьютерлерге караганда анча көп убакыт талап кылбай, тезирээк аткарууга мүмкүндүк берет. Натыйжада, изилдөөлөрдө жана технологияда жаңы мүмкүнчүлүктөр ачылат.
Артта калган бир кылымда кванттык механиканын практикалык колдонулушу адамзаттын күнүмдүк турмушуна жана пайдаланган технологияларына чоң таасир тийгизип келди. Күн сайын колдонулган түзмөктөрдөн тартып, байланыш жолдоруна чейин кванттык физиканын принциптери иштеп жатат. Изилдөөлөр улантылып жаткандыктан, келечекте кванттык механика технологиялардын жана коомдун өнүгүшүндө мындан дагы чоң роль ойнойт деп күтүлүүдө.
Экинчи кванттык ыңкылап
“Бүгүнкү күндө көп учурда “квант 2.0” деген түшүнүктү угуп калабыз, бирок мен аны “экинчи кванттык ыңкылап” деп атаганды туура көрөм, анткени бул чынында эле түп-тамырынан өзгөртө турган ыңкылап.
Биринчи кванттык ыңкылап негизинен илимий жана түшүнүк деңгээлиндеги секирик болгон – толкун менен бөлүкчөнүн кош мүнөздүүлүгүн сүрөттөп берүүчү жаңы математикалык ыкма иштелип чыккан. Бул физикалык дүйнөнү тереңирээк түшүнүүгө шарт түзүп, коомду өзгөрткөн технологиялардын пайда болушуна жол ачкан.
Экинчи ыңкылап болсо эки жаңы түшүнүккө негизделет: биздин жекече кванттык объекттерди бөлүп алып, аларды көзөмөлдөй алуу мүмкүнчүлүгүбүз; бул объекттерди бирине-бири “байлап” же болбосо чырмаштырып, ошол байланыш аркылуу чыныгы тиричиликке жарай турган колдонмолорду түзүү.
Бул жаңы кванттык технологиялар коомубузду транзистор же лазер сыяктуу түп-тамырынан өзгөртө алабы? Азырынча анык айтуу эрте, бирок менимче, компаниялар ушул технологияларга азыр эле инвестиция салып башташы абдан маанилүү. Эгер биз күткөндөй чоң секирик алып келсе, ага даяр болбогондор оюндан чыгып калышы мүмкүн.
Кванттык жааттагы ийгиликтерди ыкчам колдонуп кетүүгө жөндөмдүү адистерди компаниялардын өзүндө иштетүү абдан маанилүү болот. Бүгүнкү күндө кванттык физиканы терең түшүнгөн кадрлар абдан тартыш. Ошондуктан мен ишкерлер университеттер менен тыгыз кызматташып, бул көйгөйдү бирге чечүү жолдорун издеши керек деп эсептейм”,- дейт француз физиги, 2022-жылы “кванттык чырмалышуу” боюнча эксперименталдык иштери үчүн Нобель сыйлыгын алган Ален Аспект (Alain Aspect) Париждеги политехникалык институттун Polytechnique Insights журналында жарыяланган түшүндүрмөсүндө.
“Кванттык эсептөө үчүн керектүү технологиялардын көбү азыр деле бар. Бирок эң чоң суроо: кванттык симуляция чыныгы турмушта кайсы маселелерди чечип, реалдуу экономикалык пайда алып келе алат?
Азырынча бул технологиялар абдан кымбат жана көп энергия сарптайт. Ошондуктан, баары эле айкын эмес.
Ага карабастан, бул тармактагы жетишкендиктер жаңы, түп-тамырынан өзгөрткөн технологиялардын жолун ачууда.
Физик Лоран Санчес-Паленсия өзүнүн студенттерине бир гана кванттык компьютерлер жөнүндө ойлобостон, алар менен байланышкан башка технологияларды да изилдөөгө үндөп жатат. Бул кошумча тармактар азыр анчейин эле “кооз” көрүнбөшү мүмкүн, бирок келечекте чоң жаңылыктарды алып келиши толук ыктымал»,- деп жазат ушул эле Polytechnique Insights журналы кванттык физика боюнча француз профессору Лоран Санчес-Паленсияга (Laurent Sanchez-Palencia) шилтеме берип.
«Кванттык физика адамзаттын дүйнөнү түшүнүү жана аны түзүү жолдорун түп-тамырынан өзгөрткөн. Бирок жыйырманчы кылымдын аягынан тартып экинчи кванттык ыңкылап жүрүп жатат, ал кванттык механиканын эң негизги процесстерин колдонуп, технологияларыбызды жаңы деңгээлге көтөрүүдө»,- деп белгилейт Франциянын Polytechnique Insights онлайн журналы.
Мисалы алдыда күтүлгөн, атүгүл биринчи чыгаруу үчүн илимий жарыш жүрүп жаңы технологиялардын бири – кванттык компьютерлер кадимки компьютерлерден айырмаланып, бир эле убакта бир нече эсептөөнү жүргүзө алышат. Бул болсо татаал маселелерди тезирээк чечүүгө мүмкүнчүлүк берет.
Процессорлору азыр деле изилдөө баскычында турган кванттык компьютер кадимки жеке компьютерди же смартфонду алмаштырбайт. Аны эң биринчи колдонгон кардарлар жалпы калк эмес, өкмөттөр жана ири компаниялар болору күтүлүүдө.
Шилтеме:
- Cүрөттөр unsplash.com сайтынан алынды.
