Научная фантастика или…? Давайте разбираться.

Как все к этому пришло?

Небольшая вводная теория, необходимая для погружения в тему для тех кто далек от физики, а тем более от квантовой. Это необходимо для понимания, почему квантовые состояния такие хрупкие и почему все с ними так носятся и почему обнаружение таких эффектов в живых организмах имеет такой восторженный отклик.

Вы, скорее всего, уже не раз слышали про эффект наблюдателя.

Неудачное название породило целую эзотерическую религию. Но явление, скрывающееся за этим названием, гораздо банальнее: мир электронов, протонов и всей мелкой братии настолько мал, что любые наши измерения вносят хаос в систему, которую мы хотим измерить, что сильно затрудняет понимание состояния системы, потому что мы не может в нее заглянуть, “не разбросав все по комнате ногами”.

Частицы даже никак не подсветить, потому что сам фотон, вылетающий из источника света, соизмерим с остальными частицами и вполне может на равных бодаться с электроном и просто изменить его скорость или энергию. Подсветив электрон, чтобы понять, где он находится, мы тем самым меняем его состояние. Все равно, что пытаться поймать сачком мыльный пузырь.

В этом и заключается эффект наблюдателя, который правильнее было бы назвать эффектом измерения.

Любые мелкие воздействия с точки зрения макромира ужасно грубые на уровне микромира, поэтому все квантовые эффекты так чувствительны к любым внешним воздействиям. Именно поэтому современные кубиты содержатся практически при абсолютном нуле, при котором, как мы знаем со школы, - прекращается хаотичное движение частиц и они не сбивают хрупкие квантовые состояния друг друга (не лопают наш мыльный пузырь неосторожным движением).

А теперь к теме кубитов.

Думаю, все знают как работает транзистор. Кубит - это “квантовый транзистор”, который в состоянии суперпозиции содержит и 1 и 0, грубо говоря, переключатель, позволяющий плавно менять значение между 1 и 0 с некоторой вероятностью, но при проверке/измерении принимать какое-то конкретное из этих двух значений. Это позволяет получить колоссальную паралельность вычислений. Из за эффекта суперпозиции (и 1 и 0 одновременно) система может “примерять” много решений одномоментно.

Если с транзистором все более-менее понятно и стандарты их изготовления надежно устоялись, то кубиты в современном мире представлены целым зоопарком. Просто для наглядности пройдемся по некоторым из них, чтобы иметь примерное представление о современном состоянии индустрии.

• Сверхпроводящие кубиты - как видно из названия, используют эффект сверхпроводимости, который требует серьезного криогенного оборудования. Эти кубиты используются такими гигантами как IBM и Google.

• Trapped Ion кубиты (кубиты на основе захваченных ионов) - изоляция квантовых состояний производится вакуумом. Используется принцип устранения электрона из атома (например, кальция) и превращения его в ион, удерживание иона электромагнитным полем в вакууме и создание квантовых состояний лазерами. Информация кодируется разными энергетическими уровнями внутри иона.

• Спиновые кубиты - кодирование информации, используя спин электрона.

• Топологические кубиты - теоретически идеальный кубит, но вокруг этого вида много спекуляций. Основано на топологии и всего из этого вытекающего. Лучше обратиться к википедии :)

И еще много других. Но объединяет их всех одно - это область серьезной инженерии.

Но есть ли другой путь получить суперпозицию? Способна ли живая природа на что-то похожее?

Оказывается, еще как способна.

Возможно кто-то из вас слышал о “сумасшедшей” гипотезе Пенроуза и его соратника по “фантастическим заблуждениям (или нет)” - анестезиолога Хамероффа о вероятно квантовой природе сознания? Это огромная отдельная (и не менее интересная) тема, но нас сейчас интересует откуда вообще здесь фигурирует квантовость.

Все мы знаем как работает анестезия (нет) - организм реагирует некоим отключением сознания. Но знали ли вы, что растения реагируют на анестезию совершенно так же - они засыпают. В поисках причины такого поведения, ученые обнаружили в клетках всех живых (эукариотических) существ белок тубулин*, который как раз и меняет свое поведение при анестезии.

*Тубулин — это основной строительный белок микротрубочек, формирующих цитоскелет эукариотических клеток.

Тубулин имеет настолько удобную конфигурацию, что создает внутри настоящий щит для хрупких квантовых состояний, в том числе и для суперпозиции.

Живая природа в целом оказалась довольно активным потребителем квантовых эффектов и за счет них как раз и решается высокая скорость работы ферментов (белков-катализаторов) и почти 100% эффективность фотосинтеза.

(которая с лихвой “компенсируется” существованием такого белка-неудачника как Рубиско и его абсолютным раздолбайством, и за счет такой вопиющей неэффектиности это самый распространенный белок на планете Земля, просто чтобы хоть как то держать зеленую биомассу на плаву. Если вы все еще считаете себя ни на что не годным - почитайте про Рубиско, возможно вам полегчает :)

Предположу, что вы уже читали, слышали, видели где-нибудь в рекомендациях новость про искусственно созданную клетку SpudCell. К сожалению, до искуственной рибосомы еще далеко (а рибосома и есть фабрика всех белков), но исследования не стоят на месте, тем более ученые уже умеют использовать бактерии как фабрики по производству множества веществ.

Если представить на минутку, что мы можем подсунуть клетке (или бактерии - они по сути и есть клетка) “чертеж” на создание белкового кубита, то это уже шаг на пути к выращиванию квантового компьютера в живой материи. А если пофантазировать - то и созданию умных часов прямо в теле человека - квантовые датчики будут сами анализировать состояние или даже проводить целое нано-МРТ, а может и отдавать команды клеткам продуцировать опредленное лекарство.

Но это все фантазии. На что же можно опереться в нашей реальности?

И здесь тоже есть кое-что любопытное. В августе 2025 года ученые похвастались успешным созданием белкового кубита.

Вместо того чтобы брать традиционный квантовый датчик и пытаться замаскировать его для внедрения в биологическую систему, мы хотели проверить идею использования самой биологической системы и превращения ее в кубит, — рассказал Дэвид Ошалом, один из главных руководителей проекта, профессор молекулярной инженерии Чикагского университета и директор Чикагской квантовой биржи (CQE). - Использование природы для создания мощных семейств квантовых сенсоров — вот наше новое направление

Как это работает?

Ученые взяли за основу усиленный желтый флуоресцентный белок (EYFP — Enhanced Yellow Fluorescent Protein). Этот белок давно известен биологам и часто используется для подсвечивания структур в клетках, но теперь его авантюрно использовали в квантовой физике и, похоже, преуспели.

В центре молекулы белка EYFP находится флуорофор — участок, который заставляет его светиться. Ученые обнаружили, что при определенных условиях электроны в этом флуорофоре можно перевести в так называемое метастабильное триплетное состояние.

Это состояние активно используется в криптохроме - белке, который птицы и растения используют для магнитной навигации. У людей тоже есть криптохром - в сетчатке, но магнитный сенсор у нас по какой то причине к мозгу оказался не подключен.

Что такое метастабильное триплетное состояние?

Возьмем белок, у которого на внешней орбитали есть пара электронов.

У электронов есть такой показатель как спин - это собственный момент импульса, но грубо мы можем назвать это некоим виртуальным вращением, которое может быть направлено вверх либо вниз . Как мы помним со школы, спаренные электроны могут находиться в паре только если их спины направлены в противоложные стороны: .

Также пары электронов квантово запутаны, а значит могут “чуять” состояние друг друга. Если белок свернут определенным образом, его структура изолирует эту пару от теплового шума среды, защищая квантовые свойства.

Проследим за судьбой одной такой пары: .

Под действием кванта света (порции энергии света) один электрон переходит на высокую орбиталь (допустим это будет электрон со спином ), а затем, под влиянием внутренних магнитных полей, переворачивает свой спин и становится уже электроном с “неудобным” для текущей пары спином .

По квантовым законам пара вида или запрещена. Теперь наш “взлетевший” на высокую орбиталь первый электрон не может вернуться “домой” в таком виде. Про такую ситуацию говорят, что система находится в триплетном состоянии и наш блудный сын электрон “застревает” на какое то время. Благодаря изоляции внутри белка он способен долго поддерживать квантовую суперпозицию.

И вот именно этот эффект требуется для создания своего рода спинового кубита прямо внутри живой клетки. Учитывая, что мы не можем, “не раскидав все по комнате”, “подсмотреть” в каком “спиновом” состоянии наши электроны, до момента измерения физически невозможно сказать, какой именно электрон куда направлен. Система находится в неопределенности, где оба варианта сосуществуют (или или ).

Учитывая, что этот процесс успешно был налажен в белке - его можно выращивать в живом организме.

Как думаете, хотите в биопанк? Как вам идея выращивать компьютеры внутри тела?

Очень надеюсь на рекомендации книг в комментариях на похожую или даже именно эту тему.

Я уже столько книг прочитала именно по рекомендациям комментаторов - спасибо всем, кто делится литературными “алмазами”.