Alan Guth

Лесной пожар не имеет «типичного» размера: маленький пал травы и огненный шторм на тысячи гектаров — части одного и того же явления. Так же и тропические циклоны: энергия, которую они высвобождают за свою жизнь, не группируется вокруг какого-то среднего значения. Она распределена по степенному закону, и это правило работает во всех океанах Земли.

Сверхпроводящий кубит — крошечное колечко без сопротивления — щёлкает задачами быстрее, чем вы моргаете. Но стоит отключить питание, и всё, что он насчитал, исчезает. Как повар, который готовит без записи рецепта: пока стоит у плиты, помнит каждый шаг, а через час — пусто. Авторы работы предлагают записывать результат в алмаз.

Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами.

Каменная летопись, где каждый слой — страница, а спектральный анализ читает ритм строк. В соляной шахте Реальмонте на Сицилии геологи измерили толщину 120 трёхчастных циклов: миллиметровый прослой глины, тонкий слой ангидрита или полигалита, затем дециметровый пласт каменной соли.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали.

В комнате, где собрались сто человек, можно измерить рост каждого и вычислить средний. Но если в комнату войдёт человек бесконечно высокий, средний рост перестанет существовать: сколько бы людей ни добавилось, сумма будет расти без предела. Примерно такая ситуация сложилась с измерениями скорости ветра в Сухих долинах Мак-Мердо, где метеостанции фиксируют порывы, которые не укладываются в обычную статистику.

В 1982 году физик Ричард Фейнман предложил простую идею: чтобы понять квантовую систему, нужно построить другую квантовую систему, которая ведёт себя так же. Так родился квантовый симулятор — устройство, которое не считает уравнения, а воспроизводит их в своём собственном поведении.

Дважды в день, в одиннадцать утра и в одиннадцать вечера, с крошечной станции в Сан-Пьетро-Капофьюме, что в одиннадцати метрах над уровнем моря, в небо уходит белый шар с прибором. За двадцать два года таких запусков набралось больше шестнадцати тысяч, и каждый из них записал, как меняется температура воздуха с высотой: от тёплой земли до разреженного холода на двадцати километрах.

В тёмной комнате луч лазера рисует на стене яркую точку. Свет кажется чем-то тёплым и неуправляемым, но физики уже три десятилетия используют его как дирижёрскую палочку, заставляя атомы танцевать в унисон. Всё началось с простого наблюдения: если направить на облако атомов встречный свет, он будет тормозить их, как поток воды, бьющий в лоб пловцу.

В 1988 году температура поверхности Тихого океана начала меняться задолго до того, как метеорологи объявили о наступлении Эль-Ниньо. Точки на карте, разбросанные по экватору, стали вести себя согласованно: если в одном месте вода теплела, то и в соседнем тоже.

В 1998 году Тихий океан у берегов Перу резко остыл, и тропические дожди словно сделали глубокий вдох. Влажные зоны, где за год выпадает больше трёх метров воды, поползли на запад, а сухие пятна, где не набирается и двухсот миллиметров, расширились у берегов Австралии и обеих Америк.

Судья на процессе о климате не слушает, кто громче кричит. Он следит за тем, кто кому подсказывает. Девять «свидетелей» — от углекислого газа до космических лучей — давали показания с 1984 по 2005 год. Их слова записывали каждый месяц. Судья не верит простым совпадениям, потому что два свидетеля могут повторять друг друга, не зная, кто начал первым. Он ищет односторонний поток информации.

Вселенная расширяется всё быстрее, и стандартное объяснение этому — положительная космологическая постоянная, то есть вакуум де Ситтера. Теория струн, претендующая на роль квантовой гравитации, должна уметь описывать такой вакуум, но за десятилетия усилий ни одной надёжной конструкции не появилось.

Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.

Квантовый компьютер напоминает оркестр, где каждый музыкант играет на невидимом инструменте. Вместо скрипок и труб — кубиты, хрупкие частицы, которые легко сбить с ритма малейшим теплом или шумом. Чтобы оркестр из миллионов таких музыкантов зазвучал слаженно, дирижёр должен стоять не в тёплом зале, а прямо на морозе, рядом с ними.

Переводчик, который отвлекается на каждый шорох в зале, к концу совещания начинает путаться в словах. Его уверенность в собственной правоте растёт, а точность падает. Примерно так ведут себя плохо откалиброванные вероятностные прогнозы: модель заявляет высокую вероятность события, но реальность с ней не согласна.

Каждый день океан в тропической части Тихого океана ведёт тихий разговор сам с собой: температура воды в одних местах чуть выше, в других чуть ниже, и эти пятна тепла и холода медленно перетекают друг в друга. Этот разговор кажется случайным, но в нём скрыт сигнал.

Внутри алмаза иногда встречаются крошечные изъяны — место, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Физики называют это NV-центром (дефект из азота и вакансии). Такой дефект ведёт себя как магнитная стрелка, которая может хранить информацию в своём вращении.

Тропики дышат с годовым ритмом: температура воздуха то поднимается, то опускается, и в этом дыхании скрыты два главных пульса. Первый пульс силён в феврале и слаб в августе, второй сдвинут на полгода. Эти два пульса не просто фон для знаменитого Эль-Ниньо, а его дирижёры.

Каждый год в июне небо над Индией наполняется влагой, и от того, сколько её прольётся, зависит урожай риса, запасы воды и цены на еду для миллиарда человек. Но предсказать силу муссона заранее было всё равно что угадать настроение человека по одной фотографии: слишком много скрытых пружин.

В 2021 году два инструмента, призванные предсказывать погоду на год вперёд, показали разное. Один, построенный на связях между температурами в разных точках Тихого океана, молчал: никакого Эль-Ниньо в 2022 году не будет.

В сибирской тайге стоит сотня световых ловушек — каждая размером с небольшой стол, но вместе они покрывают квадратный километр. Ночью эти ловушки смотрят в небо и ловят слабые вспышки света, которые рождаются, когда космические частицы врезаются в атмосферу. Установка называется TAIGA-HiSCORE, и обычно она работает как огромный «глаз» для таких частиц.

Представьте переводчика, который отвлекается на каждый шорох в зале. Чем больше шорохов, тем больше ошибок в переводе, хотя смысл речи не менялся. Так и с данными: если измерения идут неравномерно, стандартные инструменты анализа начинают «слышать» изменения, которых в самом процессе не было.

Сейсмограф записывает подземные толчки: плавная линия вдруг вздрагивает и меняет характер. Так и функциональные данные, например карты температуры океана или сигналы мозга, могут в какой-то момент изменить свою форму. Новый алгоритм FSBS улавливает такие разломы, даже если каждая кривая измерена всего в одной точке, а шум заглушает сигнал.

Квантовая запутанность похожа на невидимую пружину между частицами — сожми одну, и другая дёрнется, где бы она ни была. В новой работе физики построили модель из четырёх спинов (маленьких магнитных стрелок) в цепочке, где крайние спины удерживаются местным магнитным полем.

Каждую секунду сквозь каждого из нас пролетают десятки частиц из космоса. Большинство — лёгкие протоны, но попадаются и ядра атомов потяжелее: углерод, кислород, железо. Они рождаются во взрывах звёзд и летят к Земле миллионы лет. Их энергия бывает чудовищной: одна частица может нести столько же, сколько теннисный мяч на подаче.

В цепочке из восьми спинов притаился дефект — крошечный магнитный момент. Эффект Кондо, известный с 1930-х годов, заставляет электроны вокруг него выстраиваться в коллективный экран. Сопротивление материала аномально растёт. Но нащупать такую примесь, спрятанную глубоко в структуре, — всё равно что найти камень на дне тёмного пруда.

На африканском поле только что собрали кукурузу. Зерно лежит в мешках, и для вооружённых групп это приманка: есть что отнять у крестьян. Но если урожай не удался, приманка исчезает, и нападений становится меньше. Именно это происходит, когда Эль-Ниньо (тёплое течение в Тихом океане, которое меняет погоду по всему миру) приносит засуху в земледельческие районы Африки.

Два сосуда с водой разной температуры соединены тонкой перегородкой. Пока перегородка цела, каждый сосуд живёт своей жизнью: в одном вода горячая, в другом — ледяная. Но стоит убрать перегородку, как температуры начинают выравниваться, и в конце концов оба сосуда приходят к одному состоянию.

На побережье Земли Королевы Мод стоят два ледяных керна, как два сейсмографа на одном берегу. Один, FK17, пробурён на гребне ледяного поднятия Локерюгген, другой, TIR18, на гребне Хаммарюгген. Их разделяет сотня километров, но они ловят разные подземные толчки климата. Один слышит Тихий океан, другой — Атлантику и Индийский океан.

В Jefferson Lab электроны разгоняются до 12 ГэВ и врезаются в протоны, чтобы выпытать их секреты. Но существующие детекторы похожи на фотокамеры с узким полем зрения: либо видно много, но тускло, либо ярко, но крошечный кусочек. Электронное рассеяние — главный инструмент, но статистики не хватает для тонких эффектов.

Три планеты в системе Kepler-51 давно интриговали астрономов: по размерам они напоминают Сатурн, но их плотность ниже плотности воды. Эти «сверхпухлые» миры, с массами не более десяти земных, будто космические одуванчики — массивные, но почти невесомые. Их орбиты выстроены, как музыканты в оркестре, каждый играет свою партию, отбивая ритм транзитами.

К северу от микроквазара SS 433, в мягком рентгеновском диапазоне, проступила дуга. Слабая, размытая, но упрямо повторяющая контуры, которые уже были знакомы по радионаблюдениям. Астрономы изучили её спектр — и увидели газ, нагретый до одиннадцати миллионов кельвинов. Газ, который не мог нагреться ни джетами, ни ветром аккреционного диска.

В 2023 году группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории запустила на суперкомпьютере Theta симуляцию квантовой схемы из 61 кубита. Для хранения её вектора состояния потребовалось бы 32 эксабайта памяти — больше, чем суммарный объём всех жёстких дисков на планете. Но благодаря сжатию данных уложились в 768 терабайт.

Квантовая батарея — это не ящик с электролитом, а горстка атомов или сверхпроводящих контуров, запасённая в возбуждённых состояниях. Зарядить её можно за доли секунды, используя коллективные квантовые эффекты. Но стоит батарее оказаться в реальном мире, как энергия начинает утекать в тепло: эрготропия — максимальная работа, извлекаемая из квантового состояния, — необратимо рассеивается.

Настройка струны: высшие гармоники помогают держать тон, не заглушая основную ноту. В оптической микрополости — крошечном резонаторе из двух зеркал — свет гуляет между отражающими поверхностями, и любое дрожание расстояния сбивает резонанс.

Один квантовый процессор — как один музыкант. Сыграть простую мелодию он может, но для симфонии нужен оркестр. Чтобы решать задачи, требующие огромных вычислений, процессоры нужно соединять в сеть.

Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Млечного Пути за 210 миллионов лет. В последний раз мы были на этой же стороне Галактики, когда по Земле бродили ранние динозавры. Эту цифру — 243.72 км/с — удалось уточнить благодаря редким звёздам, которые проносятся сквозь Галактику как пушечные ядра.

Почтовый перевод приходит не сразу, а через заданный срок — и сумма на счёте получателя оказывается больше, чем отправитель положил наличными. Примерно так работает новый протокол, названный темпоральной квантовой телепортацией энергии (TQET). В обычной квантовой телепортации энергии два участника, Алиса и Боб, делят общее квантовое состояние.

Квантовый компьютер — это оркестр, где каждый кубит должен вступить точно в свою долю. Но вместо дирижёра с палочкой у нас есть генератор произвольных импульсных форм (AWG), который подаёт микроволновые сигналы длительностью в десятки наносекунд.