НОБЕЛЕВСКИЕ ПАРАДОКСЫ — 2025: физики создают «квантовый транзистор», а химики — «футбольные поля» внутри молекул
Автор фото: Александр Махмуд, 2018. Арт-оформление: Olena Burdeina (FA_Photo) via Photoshop
Похоже, что мечта о создании квантового компьютера, который вычеркнет из нашей реальности компьютеры традиционные, скоро воплотится в жизнь. Возможно также, что мы стоим на пороге революции, которую совершат новые материалы, создаваемые в химических лабораториях прямо сейчас. По крайней мере, именно такое будущее нам предсказывают Нобелевские премии по физике и химии, которые были присуждены в 2025 году.
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ ПО ФИЗИКЕ: НА ПУТИ К «КВАНТОВОМУ ПРЕВОСХОДСТВУ»
КАК ПРЕОДОЛЕТЬ КВАНТОВУЮ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ
«Квантовое превосходство» — так ученые окрестили состояние квантовых вычислительных устройств, способных на решение задач, недоступных классическим компьютерам. Неслучайно в технологической квантовой гонке сегодня участвуют лучшие умы человечества, крупнейшие корпорации и огромные финансы. Квантовые компьютеры, способные обрабатывать фантастически огромные объемы данных, могут радикально изменить наш мир — медицину, химию, фармацевтику, финансы, криптографию и технологии ИИ.
Однако до создания полноценного «серийного образца», по-видимому, еще далеко. И хотя первые рабочие прототипы американскими и немецкими учеными были созданы еще в конце 1990-х, квантовые машины до сих пор не могут избавиться от целого ряда проблем. Главная из них — невозможность долговременной стабильной работы. Компании Google, IBM и китайские исследовательские центры могут обеспечить квантовые вычисления максимум в течение 13 секунд. Правда, недавно в Гарварде был поставлен рекорд — 2 часа, что можно считать невероятным прорывом в квантовой отрасли.
НАУЧИТЬСЯ «ХОДИТЬ СКВОЗЬ СТЕНЫ»
Физики, которые в 2025 году получили Нобелевскую премию, по праву считаются одними из пионеров в области квантовых измерений. Профессора трех американских университетов, Джон Кларк из Великобритании, Мишель Деворе из Франции и Джон Мартинис из США, были отмечены премией за «открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантизации энергии в электрической цепи».
Не правда ли, для неподготовленного читателя звучит довольно сложно? Попробуем максимально упростить. Надеемся, вы имеете некоторое представление о том, что в квантовом мире наблюдаемый объект может вести себя парадоксальным образом — и как волна, и как частица. Туннелируя из одного состояния в другое, волна способна преодолевать энергетические барьеры. Примерно так же, как если бы мы с вами получили волшебную способность проходить сквозь стены.
КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ НЕ ОГРАНИЧЕН МИКРОМИРОМ
Раньше считалось, что подобные квантовые эффекты демонстрируют лишь микрочастицы. Новоиспеченные «нобели» доказали, что подобным образом могут проявлять себя и системы намного большего масштаба. В частности, электроны в сверхпроводящем контуре ведут себя как одна гигантская суперчастица. Однако ученые не только обнаружили этот эффект, но еще и научились управлять процессом туннелирования этого гигантского «искусственного атома».
Причем они продемонстрировали квантово-механическое туннелирование и квантованные уровни энергии в системе, которую можно держать в руке. Это открытие позволит создать «квантовый транзистор», переключающий не ток, а состояние системы. Если кубиты квантового компьютера смогут демонстрировать стабильность, находясь одновременно в двух состояниях, это откроет для нас огромные вычислительные мощности.
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ ПО ХИМИИ: ВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕЗ ДИНАМИТА
ДОРОГОЙ АЛЬФРЕДА НОБЕЛЯ
Нобелевскими лауреатами по химии в этом году стали тоже три профессора. Японец Сусуму Китагава из Университета Киото, британец Ричард Робсон из Мельбурнского университета и иорданец Омар М. Яги из Калифорнийского университета в Беркли. Премию они получили за исследования в области «металлоорганических каркасов» (MOF), которые, по словам председателя Нобелевского комитета по химии Хайнера Линке, открывают невиданные возможности для создания материалов с новыми функциями. Причем, что называется, «под заказ».
Интересно, что у этих открытий обнаружилась своеобразная преемственность с самым известным открытием самого Альфреда Нобеля — динамитом. В определенном смысле Китагава, Робсон и Яги воспроизвели его изобретение на новом научно-техническом уровне. Давайте с вами вспомним, что придумал хитроумный Нобель. Основатель премии имени самого себя взял взрывоопасный и неустойчивый нитроглицерин и поместил его в «каркасный» материал — диатомит, пористую горную породу, образованную отложениями микроскопических одноклеточных водорослей. В результате получилась взрывчатка, с которой стало безопасно работать.
ПОЧТИ СЛУЧАЙНОЕ ОТКРЫТИЕ
Нобелевские лауреаты сделали практически то же самое — они научились синтезировать для любого химического «наполнителя» искусственный супрамолекулярный «каркас». Так на свет появилось целое направление науки, которое назвали «ретикулярной химией». Хотя, нужно сказать, возникло оно почти случайно. Робсон вознамерился создать для своих студентов наглядное пособие для изучения молекулярных структур. Для этого он брал деревянные шарики (атомы), высверливал в них отверстия и вставлял в них деревянные палочки (химические связи).
В процессе такого нехитрого рукоделия ученый заметил, что, соединяя это все случайным образом, получить правильную модель молекулы невозможно. Пытаясь соединять уже не отдельные атомы, а разные типы молекул, Робсон решил создать структуру, похожую на кристалл алмаза. Однако, в отличие от последнего, в ней оказалось множество полостей — примерно так же, как в диатомите Альфреда Нобеля. Дальнейшие эксперименты показали, что эти полости можно заполнять самыми разными веществами. Увы, все конструкции Робсона оказывались довольно хрупкими и недолговечными.
НА ЧТО СПОСОБНЫ «МАТЕРИАЛЫ XXI ВЕКА»
Проблему Робсона решил Сусуму Китагава. Соединив узлы трехмерных металлоорганических каркасов крупными молекулами, он сделал их более стабильными. Дальнейший вклад в идею стабилизации внес уже Омар Яги. Его материал MOF-5 не разрушался даже при температуре 350 °C. В MOF-5 можно закачивать огромные объемы метана. Всего пара граммов этого вещества содержала внутри гигантские пустоты, по размерам сравнимые с футбольным полем, с помощью которых можно не только удерживать, но и разлагать токсичные газы.
Другие материалы, в частности MOF-303, применимы в производстве полупроводников, системах снижения промышленных выбросов и добычи питьевой воды в безжизненных пустынях из влажного ночного воздуха. ZIF-8 способен добывать редкоземельные металлы из сточных вод, MIL-101 — очищать воду от антибиотиков и хранить большие запасы водорода.
Так мир оказался на пороге самой настоящей MOF-революции. И хотя большинство этих возможностей доступно пока только в пределах лабораторий, уже сейчас компании начинают активно инвестировать создание «материалов XXI века».
При копировании материалов размещайте активную ссылку на www.huxley.media
Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter
