Абстракция? Революция!
Многим читателям – в том числе и тем, кто мало знаком с теоретической физикой, – известен такой «взрывающий мозг» сюжет, как Кот Шрёдингера. Напомним: речь идёт о мысленном эксперименте, предложенном в 1935 году Э. Шрёдингером – одним из создателей квантовой механики. Нужно вообразить (да простят нас любители кошек), что в стальную камеру помещаются живой кот и прибор с крохотным количеством радиоактивного вещества. Оно настолько крохотное, что в течение часа может распасться только один атом, но с той же самой вероятностью может и не распасться. Один распавшийся атом убьёт кота. И, поскольку квантовая механика описывает ядро атома распавшимся и нераспавшимся одновременно, получается, что кот одновременно является живым и мёртвым – до тех пор, пока мы не откроем камеру и не узнаем, в каком он состоянии. «Шрёдингер ходил по комнате в поисках нагадившего котёнка, а тот сидел в коробке ни жив ни мёртв», – каламбурят острословы. На первый (да и на сто первый) взгляд может показаться, что это нелепая демагогия, однако данный физико-математический подход лёг в основу вычислительных приборов последнего поколения и обещает человечеству новую научно-техническую революцию. Гость «АН» – Павел СЕКАЦКИЙ, учёный с европейской докторской степенью в области квантовой физики, научный сотрудник Базельского университета.
– ПАВЕЛ, сперва озвучим вкратце самые азы. Квант – это мельчайшая (неделимая) частица чего-либо, будь то тело, движение, электромагнитное поле. Квантовая физика занимается микроскопическими частицами. Как утверждается, некоторые физические явления в микромире протекают иначе, чем в привычном для нас макромире.
– Да, некоторые вещи кажутся нам интуитивно очевидными (в философии интуитивное познание понимается как мгновенное, непосредственное и противопоставляется логическому познанию. – Прим. «АН»), однако в микромире они не работают. Одно из главных различий между микромиром и макромиром заключается в следующем. В классической физике (то есть в физике, описывающей макромир) наблюдение – это тривиальная процедура, которая просто даёт нам знать о состоянии вещей и не влияет на состояние объекта, за которым ты наблюдаешь. А в квантовой физике наблюдение за объектом меняет его состояние. Интуитивно мы привыкли считать, что все свойства системы чётко определены вне зависимости от того, смотрят на неё или нет. А в микромире это не так. Соответственно, для описания квантовых систем потребовался новый математический аппарат. Неопределённые состояния мы математически описываем как суперпозицию двух или больше определённых состояний.
– В случае Кота Шрёдингера это означает, что мы описываем ядро одновременно распавшимся и нераспавшимся.
– Да. Обратите внимание: состояние ядра «распавшееся + нераспавшееся» никак не тождественно состоянию «хрен его знает». «Распавшееся + нераспавшееся» – чистое состояние (мы говорим о чистом состоянии тогда, когда обладаем максимально возможным знанием о состоянии системы).
– Иначе говоря, с помощью суперпозиции мы формулируем своё незнание о состоянии ядра?
– Нет. Мы формулируем не незнание, а, повторяю, знание. Знание твёрдое и максимальное.
– Ядро распалось и не распалось… Это доступно человеческому пониманию? Или это математически выверенная абстракция, которую нужно принять?
– Да всё вы поняли (смеётся). Логически поняли. А интуитивное понимание – вопрос привычки.
– Подобно тому, как религиозные люди привыкают верить в чудеса?
– Мой друг-буддист говорит так: «Смысл медитации (или молитвы) в том, чтобы умозрительное сделать интуитивным». Я согласен, принцип суперпозиции контринтуитивен, если вы привыкли к принципам классической физики макромира. В квантовой же физике интуитивность иная: всё, что может происходить, происходит одновременно.
– Эдак мы дойдём до параллельных миров. И всё-таки. Суперпозиция – это про реальность или всего лишь про её описание?
– Мне кажется, нельзя говорить о реальности за пределами её описания и восприятия. Как заметил философ Л. Витгенштейн, «о чём невозможно говорить, о том следует молчать». А вот о чём мы можем говорить, так это о том, как квантовая теория с её принципом суперпозиции применяется в реальной жизни.
– Приведите, пожалуйста, наиболее доходчивый пример.
– МРТ, лазеры, полупроводники. Наиболее доходчивый пример? Пожалуйста. Из принципа квантовой суперпозиции вытекает принцип квантовой случайности. Если ядро в состоянии суперпозиции, то бинарное свойство «распада/отсутствия распада» не определено. Никто не может предугадать, распалось ядро или нет (возможно, даже Бог, если он существует), и результат такого измерения совершенно случаен. Подчёркиваю, совершенно случаен. Истинная случайность возможна только в квантовой физике, поскольку в классической физике в отличие от квантовой теоретически всё можно рассчитать: при достаточной вычислительной мощности и достаточном знании о том, как подброшена монетка, мы можем предвидеть, выпадет орёл или же решка. Поэтому всяческие казино охотно приобретают такой прибор, как квантовый генератор случайных чисел (они ведь не хотят, чтобы какой-нибудь математик высчитал последовательность игрового автомата и забрал себе огромный куш. – Прим. «АН»), – вот вам и доходчивый пример использования суперпозиции. Ну а здесь мы подходим к тому, с чем сегодня у многих связаны основные надежды на науку, причём надежды самые разные – применительно к химии, материалам, медицине, да на что фантазии хватит.
– Вы про надежды на квантовый компьютер?
– Да. В отличие от классического компьютера он оперирует не битами, которые способны принимать значение «1» либо значение «0», а кубитами (q-битами), которые могут находиться в суперпозиции – принимать одновременно значения «1» и «0». Пространство возможных состояний битов дискретно, а пространство возможных состояний кубитов, наоборот, – непрерывно. Это позволит гораздо лучше симулировать и, следовательно, рассчитывать квантовые, то есть непрерывные процессы. Например, рассчитывать химические процессы и в перспективе кардинально изменить возможности медицины. Химия – часть физики, взаимодействие молекул происходит по квантовым законам, а квантовые процессы очень сложно считать на классических компьютерах. И несложно – на квантовых. Всё просто: классический компьютер устроен так, как устроены процессы классической физики, а квантовый – так, как устроены квантовые процессы. (В то же время отметим, что квантовый компьютер также способен эффективно решать задачи, которые не имеют отношения к микромиру, но которые не под силу классическим машинам.)
– Вы, наверное, хотите сказать «БУДЕТ несложно считать»? Насколько мне известно, существующие квантовые компьютеры бесполезны, учитывая возможности классических суперкомпьютеров.
– Однако принцип квантового процессора понятен. Мы знаем, как считать на нём. Дайте мне квантовый компьютер достаточной мощности – смогу провести расчёты.
– Я – вам? Мне почему-то думалось, что именно вы, «квантовики», призваны дать миру квантовый компьютер достаточной мощности.
– Мы идём к этому. Если 20 лет назад мы могли работать с двумя кубитами, то теперь – с 50 и больше. Препятствие – «шум» (шумом называют все те процессы, что не контролируются в лаборатории). Чем больше квантовая система, тем хрупче некоторые её состояния. В обычных компьютерах тоже есть «шум», но он успешно подавляется с помощью кодов и алгоритмов. Квантовый «шум» тоже можно побороть соответствующими кодами, но для этого надо довести его изначальный уровень до приемлемых значений.
– Сколько электричества будет потреблять эта чудо-техника?
– Фундаментальных проблем здесь не возникнет.
– Предполагается, что она пройдёт путь от здоровенной ЭВМ до карманного компьютера?
– Нет, говоря о квантовом процессоре, мы не имеем в виду персональный компьютер: в нём нет надобности, поскольку бытовые задачи решаются обычными компьютерами. Но, кстати, разработкой квантового процессора занялись корпорации, прекрасно известные широкому потребителю: Google, IBM, Microsoft (насколько мне известно, Apple почему-то прохлаждается). При этом и государственные расходы ряда стран Запада на развитие этого направления весьма велики.
– То есть зарплаты в западных исследовательских центрах сравнимы с зарплатами в международных корпорациях?
– Сравнимы. Кстати, за последние 15–20 лет западные страны догнал – опять же благодаря госрасходам – Китай, а в чём-то даже обогнал: китайские посольства – единственные, кто может общаться со своим правительством через квантовое шифрование при помощи сети спутников.
– А что же русские?
– Множество россиян, в том числе звёзд, работают над этим за рубежом – на мой взгляд, из-за того, что при очень высоком уровне образования в лучших российских вузах аспирантура у нас долгое время была совершенно непривлекательной, со смешной зарплатой. Сейчас происходят некоторые перемены: например, аспирантам Российского квантового центра теперь платят хорошие деньги. Думаю, при необходимых госрасходах Россия стала бы одним из мировых лидеров в области квантовых технологий. Если, конечно, всё это не превратится в потёмкинские кубиты (смеётся).
– Справедливости ради заметим: один из отцов квантовой теории информации – это Александр Холево, первый из двух «квантовых» обладателей премии Шеннона (своего рода Нобелевка для информатиков). Он по-прежнему работает Москве.