Квантові ефекти: від тунелювання до уповільнення часу як основа сучасної інфраструктури

Фундаментальні закони фізики, що керують Всесвітом, часто суперечать повсякденній інтуїції, оскільки квантові явища формують основу сучасної технологічної інфраструктури станом на 2026 рік. Ці ефекти, що охоплюють здатність частинок долати бар'єри та вплив гравітації на плин часу, є критичними для функціонування цифрового світу.

Квантове тунелювання дозволяє елементарним частинкам, зокрема електронам, долати енергетичні бар'єри, нездоланні згідно з класичною теорією. Цей механізм лежить в основі термоядерного синтезу в ядрі Сонця, що підтримує життя на Землі. У 2025 році Нобелівську премію з фізики було присуджено Джону Кларку, Мішелю Девору та Джону Мартінісу за демонстрацію макроскопічного квантово-механічного тунелювання у надпровідних електричних колах, зокрема через переходи Джозефсона. Академік НАН України Олександр Кордюк підкреслив, що це відкриття підтвердило прояв квантових ефектів у макрооб'єктах. Сучасні технології, такі як флеш-пам'ять, твердотільні накопичувачі (SSD), тунельні діоди та скануючі тунельні мікроскопи, значною мірою спираються на цей ефект. Переходи Джозефсона, ключові для роботи лауреатів 2025 року, також є основою для надпровідних кубітів у квантових комп'ютерах, які наближаються до практичного застосування у 2026 році.

Квантова заплутаність, явище, яке Альберт Ейнштейн назвав «моторошною дією на відстані», описує миттєвий корельований стан частинок незалежно від відстані між ними. Наприкінці 2024 року колаборації ATLAS та CMS у ЦЕРН зафіксували спінову заплутаність між кварками типу «топ», закріпивши заплутаність як фундаментальну властивість навіть на екстремальних енергетичних масштабах, що є важливим для розвитку квантової криптографії. Водночас, квантова суперпозиція дозволяє кубітам кодувати інформацію, перебуваючи одночасно у багатьох станах до моменту вимірювання, що є архітектурною основою для експоненційного збільшення обчислювальної потужності квантових обчислень.

Крім того, уповільнення часу, суворо перевірений релятивістський ефект, безпосередньо впливає на роботу супутникових систем GPS. Через слабшу гравітацію на орбіті час для супутників плине швидше, ніж на поверхні Землі. Цей ефект вимагає щоденної корекції на 38 мікросекунд; без неї похибки GPS накопичувалися б зі швидкістю 11,4 кілометра на добу. Системи GNSS, розроблені Міністерством оборони США, покладаються на точний час, що передається атомними годинниками на борту, для визначення координат. Інші явища, як-от ефект Казимира, що виникає через квантові вакуумні флуктуації, та принцип виключення Паулі, який запобігає колапсу електронів у ядро атома, забезпечують структурну цілісність матерії.