И, наконец, третье правило касается расположения электронов на орбиталях с одинаковой энергией. Выше мы упомянули, что, например, 2p-орбитали из-за разного магнитного квантового числа реализуются в трех пространственных вариантах. Для краткости их записывают как 2px, 2py и 2pz — орбитали. Их энергия абсолютно одинакова, различается только ориентация лепестков «гантели» в пространстве. Так вот если два электрона въезжают на этот уровень, то они стараются сесть не на одну орбиталь, а на разные. Чтобы не сидеть на одной орбитали, хоть и с разными спинами. Наверное, не только мы заметили, что электроны весьма капризные существа: они предпочитают одиночество и минимум расходов на проживание.

Это правило называют правило Хунда и запоминают его в виде мудрого наставления: не подсаживайся в трамвае к людям, если еще есть пустые места.

Итак, благодаря этим правилам становится ясно, как электроны приходят и уходят из атома, а самое главное, как формируются и как устроены химические элементы. Благодаря пониманию законов мы можем предсказать устройство любого элемента, включая редкие или еще не открытые.

Удивительно, но один мужик, живший в 19 веке, его звали Дмитрием Менделеевым, каким-то внутренним чувством сумел расположить химические элементы по возрастанию, совершенно ничего не зная про квантовую физику и строение атомов. Полагаясь на еле уловимую логику, он создал периодическую таблицу элементов имени себя, и только спустя сто лет человечество смогло объяснить, почему элементы расположены именно так, а не иначе. А всё потому, что Менделеев доверял экспериментальным данным и полагался на них, а не на байки из интернета про материальность мыслей, ну или где там их рассказывали в благословенные времена.

К сожалению, наш труд не предполагает дальнейшее углубление в химию, где самое интересное только начинается. Атомы в молекуле делят между собой общие электроны, которые переходят на молекулярные орбитали, возникают химические связи, перекрытия электронных облаков, валентности и ковалентности, атомы ионизируются, теряя или приобретая лишние электроны. Всё это обеспечивает химические свойства веществ: соль солёная, а кислота — разъедающая. Мыло намыливает, а спирт, например, тоже интересная штука. У инертных газов, типа неона или аргона, атомные оболочки заполнены электронами до отказа, и пролетающему мимо электрону некуда приткнуться, поэтому инертные газы почти не вступают ни с чем в реакции. Металлы, наоборот, имеют одинокие скучающие электроны на дальних уровнях и могут легко расставаться с ними, поэтому металлы являются отличными проводниками тока.

У элемента углерода имеется четыре вакансии на его доступных орбиталях, и тот стремится всеми силами их заполнить — основа основ всех органических соединений.

И так вот далее по списку. А самое крутое в том, что мы, то есть человеки 21-го века, понимаем, почему так происходит и извлекаем пользу от полученных знаний.

Надеемся, прочитанное вдохновит вас снова взять в руки учебник химии и погрузиться в волшебный мир веществ со всей ответственностью и пониманием.

Глава 15

Квантовые компьютеры

Программист:

«Какое сейчас значение переменной?»

Квантовый компьютер:

«А фиг знает»

Все танцуют.

Раз уже мы нынче превосходные спецы в квантовой физике, способные своим знанием матчасти заткнуть любого шарлатана, рассуждающего о божественной воле в двухщелевом эксперименте, то уж разобраться с наскоку в том, как работают квантовые компьютеры, нам вообще не проблема. Наверное. Но как бы то ни было, квантовые компьютеры — тема животрепещущая, вызывающая разные слухи, мифы и необоснованные инвестиции. Так что давайте пробежимся по предмету, чтобы представлять, где истинная правда, а где враньё, особенно в поделках недобросовестных СМИ или блогеров.

Умным людям давно не давали покоя квантовые эффекты, но не только потому, что их философская интерпретация не подчиняется здравому смыслу, но и в сугубо практическом смысле. Вот бы как-то взять эти эффекты и применить для нужд народного хозяйства, думали они. Считается, что первым это громко спросил Ричард Фейнман, который действительно разбирался в предмете. Квантовые расчеты требуют квантовых решений — вот его совсем недословная цитата. И пока технологии медленно развивались, некоторые физики, умеющие в математику, предложили кое-какие алгоритмы, с которыми было бы забавно поиграться на квантовых штуковинах.

В основе обычного компьютера у нас лежит понятие бита. Битом может быть любой объект, который является нам в двух однозначных состояниях: черный-белый, теплый-холодный, север-юг, плюс-минус. Если не забивать голову реализацией устройства бита, то мы для упрощения пользуемся понятием 0 или 1. Полагаем, что читатель имеет представление об основах информатики, так как в наше просвещенное время без компьютеров как без рук. Важное в этих ваших битах то, что мы всегда, в любой момент знаем или можем узнать их значение. Бит либо включен, либо выключен. Либо ноль, либо один. Когда мы считываем его значение, то это значение не пропадает, не меняется, не превращается в черную дыру, оно гарантированно сохраняется для потомков. Когда мы проводим операции над битами, результаты тоже подчиняются строгой бинарной логике и не выдают неожиданных значений. Два плюс два равно четыре.

А вот если мы возьмем что-нибудь с квантовыми эффектами, то тут с определенностью, сами знаете, как-то уже не очень. Квантовые объекты в этой главе мы будем называть кубитами (кстати, кубики тут не причем, Q-бит, квантовый бит — и всего-то). Кубитом может быть вещь, состояние которой находится в суперпозиции: электрон, у которого спин одновременно и вверх и вниз, или пространственная ориентация фотона, когда электромагнитное поле как бы вдоль и поперек (поляризация), или даже кот Шрёдингера, живой и мертвый одновременно.

Для квантовых вычислений интерес представляет совсем не итоговое значение кубита, измерение состояния кубита означает конец игры и ничего феноменального в себе не несет. В квантовых вычислениях всё веселье состоит в манипуляции вероятностями состояний кубита. Вы можете и не поверить, но технически мы способны менять вероятности обнаружения кота живым. К примеру, вот у нас коробка с котиком, мы знаем, что вероятность потискать его живого — 50 %. А вот нажимаем волшебную кнопку, и вероятность спасения кота уже 80 %. Или даже 100 %. Или ноль. При этом мы не знаем, что там с котом, не знаем, каким мы его обнаружим, когда откроем коробку. Ведь даже при вероятности 99 %, что он жив, Вселенная может выкинуть нам однопроцентный трагический исход. Но, мы знаем вероятности и умеем с ними обращаться.

Читатели конечно же понимают, что кубиты из котиков это плохая идея, поэтому квантовые алгоритмы ваяют на фотонах и электронах. Электрон пропускают через магниты и добиваются поворота его спина таким образом, что при измерении вероятность спина, скажем, вверх, будет 100 % или 60 %, 50 %, 10 % и так далее. Главное, что состояние электрона не измеряется, а через воздействие, меняются вероятности, не разрушая суперпозиции. Да, технически это сложно, частицы пытаются свалить в закат, сколлапсировать по любому поводу, провзаимодействовать с космическими лучами, сбиться с курса от кашля в соседнем подземелье и так далее. Поэтому головная боль инженеров совсем не в алгоритмах, а в том, как держать кубиты в изоляции от внешнего мира — только тогда они будут работать как требуется.