Ніколь Юнгер Галперн працює в галузі квантової фізики. Вона щойно опублікувала свою першу книгу "Квантовий стімпанк: фізика вчорашнього завтра".
Галперн навчалася в Дартмуті, де в 2011 році стала валедикторіанкою. Пізніше в Каліфорнійському технологічному інституті вона отримала ступінь доктора філософії, брала участь у низці дослідницьких проєктів у Гарварді та Університеті Меріленда.
Зараз вона працює в групі лазерного охолодження і вловлювання Національного інституту стандартів і технологій, Меріленд.
Квантовий стімпанк - це творчий симбіоз квантової інформації та термодинаміки. Новий напрямок у фізиці обіцяє зробити революцію в нашому розумінні машин і майбутнього технологій. Як бонус, він може сформувати нове розуміння складних питань, таких, як стріла часу або чому ми не можемо згадати майбутнє. Видання Big Think публікує короткий виклад бесіди.
Марсело Глейзер: Розкажіть нам трохи про ваше захоплення стімпанком. Це було щось із вашого дитинства? Що надихнуло вас зайнятися фізикою?
Ніколь Юнгер Галперн: Я справді стикалася зі стімпанком у дитинстві, хоча на той час я не знала про цей напрям. До речі, я читала й обожнювала "Хроніки Хрестомансі" Діани Вінн Джонс і серію "Його темні матеріали" Філіпа Пулмана, але я не сприймала їх як частину культурного зразка.
Для мене це були просто чарівні книжки, а чарівні книжки загалом підштовхували мене до фізики. Я зростала, постійно читаючи - удома, на перервах, в очікуванні їжі в ресторанах - і тому звикала будувати й населяти світи у своїй уяві. Зараз я будую і населяю світи у своїй уяві як фізик-теоретик.
Коли ви почали писати про стімпанк, у вас на думці був роман? Як відбувався для вас творчий процес, що поєднує художню і нехудожню літературу в незвичному, але напрочуд захопливому форматі оповіді?
Хоча моя книжка здебільшого нехудожня, кожен розділ починається з фрагмента квантового стімпанк-роману, який живе в моїй уяві. У романах стімпанку є впізнавані стежки: темні, небезпечні лондонські вулиці; дирижаблі та повітряні кулі замість літаків і автомобілів; смілива, розумна дівчина, яка відмовляється бути скутою очікуваннями суспільства (і корсетами). Мені сподобалася ідея погратися з цими стежками - з підморгуванням і в книжці про серйозну науку.
Коли у вашій кар'єрі стало зрозуміло, що ви хочете займатися квантовою фізикою? Якась подія, наставник, книга особливо надихнули вас?
У мене завжди були філософські нахили, і мій шкільний учитель метафізики розвинув цю схильність. Хоча він не розумів квантову фізику, її парадокси заворожували його, і він передав це захоплення мені.
У коледжі я вивчала квантову теорію через призму курсів фізики, філософії, математики та історії. Я зрозуміла, що квантова теорія посідає незвичайну позицію на межі між фундаментальним мисленням і прикладним застосуванням.
З одного боку, квантова теорія кидає виклик нашому розумінню природи реальності. З іншого боку, квантова фізика використовується для розроблення нового покоління квантових комп'ютерів, датчиків, криптографічних систем і багато чого іншого. Я оцінила баланс метафізики та її практичного обґрунтування.
Однак через яку призму я вивчатиму квантову фізику після коледжу, було неясно до самого кінця - до весни випускного класу, коли я прослухала курс з історії фізики. На цьому курсі я працювала не покладаючи рук, багато чому навчилася і отримала величезне задоволення.
Однак, уже стикаючись із деякими темами на курсах фізики, я розуміла їх математичніше і глибше, ніж якби я проходила курс як студент, який не вивчає фізику.
Ба більше, ми торкнулися тем - наприклад, у фізиці частинок, - які я раніше не вивчала. Спробувавши їх, я не могла змиритися з думкою, що ніколи не зможу зрозуміти їх досконально. Тому я просто зобов'язана була стати квантовим фізиком.
Квантова інформація. Не могли б ви пояснити це нашим читачам?
По-перше, що таке інформація? По суті, це здатність розрізняти альтернативи. Основною одиницею інформації є біт - кількість інформації, яку ви отримуєте, якщо не відповідаєте на запитання "так-ні", а потім дізнаєтеся відповідь.
У неквантовому ("класичному") комп'ютері біт закодований у транзисторі, який може мати значення 1 або 0. Щоб дізнатися біт, ми можемо тільки "виміряти", чи дорівнює значення транзистора 1 або 0.
Основна одиниця квантової інформації називається "кубітом". Він може зберігатися, наприклад, в електроні, у будь-якому з нескінченно можливих способів. Тож, у певному сенсі, квантова інформація кодує набагато більше можливостей, ніж класична інформація.
Як квантова фізика поєднується з термодинамікою для створення квантового стімпанку?
Стимпанк - це жанр літератури, мистецтва і кіно, в якому футуристичні технології населяють вікторіанську епоху. Поки гудуть перші заводи, винахідники в капелюхах і окулярах будують машини часу, дирижаблі та автомати.
Я бачу дух цього жанру в моїй галузі досліджень - квантовій термодинаміці. Термодинаміка, вивчення енергії, була розроблена у Вікторіанську епоху. Натхненні першими фабриками, мислителі аналізували, наскільки ефективно можуть працювати двигуни - передова технологія того часу.
Сьогоднішні передові технології включають в себе квантові системи, які сильно відрізняються одна від одної.
Квантові системи малого розміру, вони складаються всього з декількох атомів або інших частинок, і можуть поводитися контрінтуїтивним чином, неможливим для звичайних об'єктів.
Вчені та інженери використовують цю контрінтуїтивну поведінку для створення квантових комп'ютерів, які зможуть за лічені хвилини розв'язати деякі проблеми, які сучасним комп'ютерам знадобилося б розв'язати за багато років.
Тому ми маємо переосмислити вікторіанську теорію термодинаміки для 21 століття - і з'ясувати, наскільки ефективно можуть працювати квантові двигуни! Цю суміш вікторіанської термодинаміки та футуристичних квантових обчислень я називаю квантовим стімпанком.
Схоже, ви твердо вірите в те, що квантові обчислення змінять світ. Чому? Чи не існує серйозних технологічних бар'єрів для реалізації алгоритмів квантових обчислень? Чи існують обмеження на види проблем, які можуть вирішувати квантові комп'ютери? Чи ці перешкоди були вирішені завдяки недавнім відкриттям?
Правду кажучи, я більше схвильована квантовою теорією інформації - математичним і концептуальним інструментарієм, частково натхненним перспективами квантових комп'ютерів, - ніж самими квантовими комп'ютерами.
Квантова теорія інформації змінила наше розуміння квантових систем - від молекул до матеріалів і чорних дір, які ми тепер аналізуємо через те, як вони зберігають і маніпулюють інформацією.
Квантова теорія інформації призвела до відкриття нових фаз матерії; прогресу у розв'язанні інформаційного парадоксу чорної діри, поставленого Стівеном Гокінгом; і переформулювання термодинамічних законів, які охоплюють малі, квантові та інформаційно-процесорні системи.
Які деякі з поточних проблем у галузі квантових обчислень?
Квантові системи крихкі і легко зникають. Якщо будь-яка випадкова частинка наближається до квантового комп'ютера - навіть якщо стіл, на якому стоїть комп'ютер, вібрує - комп'ютер "відволікається" і "забуває" інформацію, яку він має зберігати, вносячи помилку в обчислення.
Утримання всіх компонентів комп'ютера в сфокусованому стані протягом тривалого часу - ось головне завдання сьогоднішнього дня. Щоб вирішити це завдання, експериментатори та інженери починають використовувати квантові коди корекції помилок, які теоретики розробили за останні кілька десятиліть.
Якби ви могли вирішити одну проблему у фізиці, що б це було?
Проблема вимірювання - один із захопливих квантових парадоксів, згаданих вище. Квантова система має характер, схожий на Джекіла і Гайда: вона поводиться одним чином, коли її не вимірюють і зовсім інакше, коли її вимірюють. Як ми можемо примирити ці два образи? Було запропоновано багато рішень, і в них є свої прихильники, але вони також мають свої проблеми.
Джерело: Big Think
