Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

Иванов Кирилл

Скорее всего (и с большой степенью уверенности), квантовый компьютер невозможен. Но если это не так, то, построив его, мы можем кардинально изменить базовые свойства нашего мира. В частности, о свободе воли можно будет забыть.

Подчеркнем еще раз. Авторы скептически относятся к самой возможности существования квантового компьютера, и это будет ясно из последующего. Но при учете рисков необходимо опираться не только на свои представления, тем более, если они носят устойчивый (если не сказать — массовый) характер. Вот их типичный образчик, заимствованный из книги С. И. Доронина «Квантовая магия».

«Сейчас каждый из нас хотя бы в самых общих чертах представляет, что такое обычный компьютер. А что вы скажете насчет компьютера,

информационный ресурс которого превышает число частиц во Вселенной (по оценкам специалистов, оно равно 10 ⁸⁰), — компьютера, который по своей эффективности превосходил бы обычный ПК примерно во столько же раз, во сколько Вселенная превосходит один атом? Скажете, что это бред, что такое просто немыслимо? И будете неправы! Поскольку в настоящее время работа над такими компьютерами идет полным ходом. Их назвали квантовыми компьютерами. Для этого устройства нужно не так уж много рабочих ячеек памяти, обрабатывающих информацию, — достаточно будет всего лишь нескольких сотен. Скажем, довольно 300 ячеек, чтобы информационный ресурс компьютера примерно на 10 порядков превысил число частиц во Вселенной (2 ³⁰⁰ 10 ⁹⁰). И весь этот гигантский массив информации будет согласованно изменяться за один рабочий такт».

Патетично, не правда ли? Этакая современная Вавилонская башня — до Бога достает! (Говорят, точнее, пишут, один раз попробовали. Впрочем, это притча библейская.)

Авторы считают, — думаем, согласится и читатель, — что если «что-то» превышает число частиц во Вселенной, то это прекрасный повод усомниться в реализуемости этого «что-то». Трудно представить себе, что человеку потребуется меньше материала, чем природе для реализации, по сути, одного и того же.

Но допустим на минуту, что квантовый компьютер все ж? возможен, пусть и с меньшим числом состояний: для наших потребностей хватило бы совсем «немного» — порядка 10 ²⁵бит, что превышает современный уровень накопленной информации в 10 000 раз. Даже такой «скромный» квантовый компьютер не безобиден. Чтобы понять это, придется разобраться в том, как он работает (а точнее, как предположительно он должен работать).

И начать придется с воображаемого кота, с усами и хвостом. Назовем его котом Шредингера. Это тот самый кот, над которым великий физик, один из создателей квантовой механики, ставил свои мысленныеэксперименты. В нашем мире кот может быть либо жив, либо мертв. Либо то, либо другое. Но не так в мысленном эксперименте Шредингера. Вот этот мысленный эксперимент.

В закрытый ящик одновременно помещен воображаемый кот, а также воображаемое устройство с радиоактивным ядром и емкостью с ядовитым газом. Устройство работает просто: распад ядра приведет в действие механизм, открывающий емкость с газом, в результате чего подопытный кот умрет, да простят нас защитники животных. Вероятность распада ядра составляет 1/2 .

Парадокс заключается в том, что, согласно квантовой механике, если за ядром не наблюдают (попросту, за ним никто не следит — ни прямо, ни косвенно [51] ), то кот находится в так называемом смешанном состоянии, другими словами, кот одновременнонаходится во взаимоисключающих состояниях (он одновременно и жив, и мертв). Однако если открыть ящик, можно убедиться, что кот находится в конкретном состоянии: он или жив, или мертв.

Все сказанное — не шутка. Именно так устроен квантовый мир. Одновременно «живомертвые» квантовые частицы — реальность нашего мира. Более того, среди них есть и такие, для которых такая смесь гораздо естественнее, чем «чистые» состояния. Таковы, например, К°-мезоны [52] .

51

Косвенно,

это если вы смотрите не на ядро, а на кота или на что-либо другое, чье состояние зависит от того, распалось ядро или нет.

52

См., например, Феймановские лекции, т. 9.

Существует несколько интерпретаций (т. е. попыток «разумного» объяснения) этих квантовых странностей, примиряющих нас с тем, что мы видим наш мир совсем не таким. Коты и кошки у нас живомертвыми не бывают. Эти интерпретации очень разные, и какая из них верна, мы не знаем. Для нас интересна интерпретация Эверетта. Согласно ей, смешанное состояние предусматривает наличие двух параллельных вселенных, в которых одновременно существует наш кот: в одной из них он жив, во второй — мертв. Что касается наблюдателя эксперимента (т. е. нас с вами), то, согласно интерпретации Эверетта [53] , он также оказывается вместе с котом сразу в двух вселенных, т. е., выражаясь «квантовым языком», «запутывается» в смешанном квантовом состоянии.

53

Хью Эверетт III (1930—1982) — американский физик, первым (1957 год) предложивший многомировую интерпретацию квантовой механики.

Повторим: в квантовом мире есть смешанные состояния. Скажем, наполовину (т. е. 1/2 ) кот жив и наполовину мертв. Когда мы смотрим на кота (это «смотрение» в квантовой механике называется «наблюдением»), кот либо жив, либо мертв — как повезет (вероятности мы определили). Но до того, как мы посмотрели, мы имеем дело со смешанным состоянием. Оно реально! Более того, реальны любые суперпозиции (суммы) состояний кота. Например, такие [54] :

|1 > = 1/2 (|кот живой> + |кот мертвый>) и

54

Именно такая странная запись состояний и используется в квантовой физике. Для нее придумали забавное название: открывающая скобка «БРА» и закрывающая скобка «КЕТ» — все вместе бракет, или по-русски «брикет».

|2> = 1/2 (|кот живой> — |кот мертвый>)

Из этих состояний можно получить как живого, так и мертвого кота, складывая (вычитая) их друг с другом; проверьте:

|кот живой> = |1> + |2>

|кот мертвый> = |1 > — |2>

Тот, кто знаком хоть немного с линейной алгеброй, легко узнает здесь знакомые векторы.

Так вот, квантовый компьютер — это операции с именно такими векторами — смешанными состояниями, а они возможны только в квантовом мире.

Введем, например, в квантовый компьютер телефонный справочник. Чтобы записать имя и телефон одного абонента, предположим, нужно 80 знаков или байт. Каждый байт состоит из 8 бит. Бит — это состояние: 0 или 1. Если в городе 10 миллионов абонентов, потребуются 80x8x10 000 000 бит.

Но если мы будем записывать смешанные состояния — каждый бит будет смесью битов всех 10 миллионов абонентов, нам потребуется их в 10 миллионов раз меньше. И места надо меньше, и «обработать» можно одним действием — для этого квантовый компьютер и придумали.

Вот только биты должны быть связаны, «спутаны» друг с другом. Мы должны знать, что вот это — от этого абонента, вот то — от другого, хоть и в разных битах. Повторим, такое возможно именно в квантовой механике.

Но вот мы полезли в справочник, чтобы посмотреть телефон нашего знакомого. Читаем: Иванов Иван Иванович, телефон номер такой-то.

А теперь давайте вспомним интерпретацию Эверетта и нашу «впутанность» в состояния. Глянули — а кошка мертва. Глянули — а знакомого нашего зовут Иван Иванович. А ведь могло быть и иначе: кошка жива, а товарищ — Любовь Петровна. Не повезло просто.