Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

В прошлом, когда работали Фридман и Клаузер, область квантовых измерений физики в основном игнорировали. Но в последнее время эта сфера стала вызывать горячий интерес и получать финансирование не только от Национального фонда развития науки и Министерства энергетики, но и от Министерства обороны, ЦРУ и Агентства национальной безопасности. Причина – в фантастическом потенциале квантовых вычислений.

Суть квантовых вычислений в том, что можно хранить информацию и манипулировать ею в волновых функциях. Отказ от использования обычных бит с их жестким ограничением – нуль или единица – и переход к использованию вместо них кубитов, каждый из которых представляет собой квантовую амплитуду, дает громадные преимущества. Кубитом можно манипулировать, его можно использовать в расчетах. В каком-то смысле он содержит намного больше информации, чем обычный бит[220]. Рассмотрим, к примеру, квантовую волновую функцию в эксперименте Фридмана−Клаузера. Отношение двух амплитуд поляризации аналогично классическому углу поляризации, который может принимать любое значение от 0 до 90 градусов. Это намного больше информации, чем хранение простого бита – 0 или 1. Этот кубит – суперпозиция двух состояний, и информация кроется в их отношении. Загвоздка в том, что число это извлечь невозможно. Можно только получить вероятность того, что поляризация ориентирована в направлении верх-низ или право-лево.

Волновую функцию невозможно измерить, а можно только «взять ее пробу» (и вызвать тем самым ее коллапс), но это не означает, что с ее помощью невозможно проводить вычисления. Волновые функции испытывают на себе действие внешних сил и взаимодействий, поэтому ими можно манипулировать и ничего не измеряя. К примеру, хотя поляризацию можно измерить лишь с некоторой вероятностью, волновую функцию поляризации можно вращать со сколь угодной точностью. Фокус в квантовых вычислениях состоит в том, чтобы проводить все манипуляции с невидимой волновой функцией, хранимой в кубитах, и только потом, когда вычисление завершено, измерить. Полученный при этом конечный ответ, вполне возможно, удастся представить в виде всего нескольких кубитов, даже если само вычисление достаточно объемно.

Представьте, что у вас имеется очень большое число – пусть в нем будет, скажем, 2048 знаков, – и вы хотите разложить его на простые множители. (Разложение на простые множители [факторизация] – ключ к взлому некоторых весьма продвинутых систем шифрования [например, RSA[221] ].) Вас не интересуют все те попытки разложения, которые не дают результата; все, что вам на самом деле нужно, это два числа, примерно по 1024 знака каждое, которые, собственно, и станут делителями вашего числа. Это надежда квантовых вычислений; именно по этой (отчасти) причине разведывательные агентства выделяют деньги на исследования и развитие. Квантовые вычисления потенциально помогают проводить невероятно сложные расчеты параллельно. Кроме того, их в принципе можно выполнять без выделения тепла. В обычном компьютере всякий раз при перекидывании бита с места на место выделяется некоторое минимальное количество теплоты[222]. Но при квантовых вычислениях ваша машина генерирует тепло только в момент финального измерения кубита.

Будут ли квантовые вычисления иметь успех? Я в этом смысле настроен пессимистично. Кое-какие простые расчеты (разложение 6 как 2 × 3, разложение 15 как 3 × 5) уже удалось провести, но организовать таким образом сложные вычисления намного труднее. Мало того, пессимистично настроен не только я; многие из тех, кто усердно трудится в этой области, в глубине души тоже настроены скептически. Тогда почему они этим занимаются? Думаю, причина в том, что их буквально завораживают вопросы квантовых измерений. Благодаря этому у них наконец появились деньги на исследования того, что происходит при манипулировании квантовыми системами и при их измерении. Уже появились чудесные новые постулаты, такие как теорема о невозможности передачи информации с помощью запутанных квантовых частиц; ее можно было доказать еще в 1940-е годы. И если их работа приведет к прорыву в наших представлениях о квантовом измерении, результатом всего этого может стать очередная революция в физике.

Нечто, выглядевшее как электрон с неправильным зарядом (положительным, а не отрицательным), было открыто 2 августа 1932 года Карлом Андерсоном[224]. В своей статье он назвал эту частицу позитроном и объяснил ее как антивещество, предсказанное Полем Дираком годом ранее. Через 17 лет Ричард Фейнман предположил, что обнаруженная Андерсоном частица представляет собой электрон, движущийся назад во времени.

Андерсон использовал камеру Вильсона (туманная камера) – устройство, регистрирующее стремительный пролет электронов и протонов с помощью частиц жидкости, которые конденсируются из пара на их пути следования; на фото, которое он сделал, эти частицы выглядят как маленькие черные точки. Позитрон входит снизу, проходит сквозь тонкий свинцовый лист, после чего выходит сверху. Его маршрут искривляется, потому что Андерсон поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле. След (трек) пролетевшей частицы загибается влево: это свидетельствует о ее положительном заряде, как у протона, – но то, как трек загибается, говорит, что частица гораздо легче протона. В верхней части изображения кривизна следа больше – это означает замедление частицы, то есть подтверждает, что она прилетела снизу.