Сергей Доронин - Квантовая магия

Сергей Доронин

КВАНТОВАЯ МАГИЯ

Предисловие

О чем эта книга? Трудно сказать одной фразой… Но если все-таки попробовать кратко сформулировать, то это моя попытка осмыслить очень важные для всех нас результаты, полученные квантовой механикой за последние годы. Важные не только в плане практической реализации невиданных технических устройств на волне грядущей «второй квантовой революции», но еще более значимые для нашего мировоззрения как шаг к качественно новому и более глубокому пониманию окружающего мира.

Видимо, требует некоторых пояснений и само название книги. Что же подразумевается под «квантовой магией»? Основное значение термина «магия» в этой книге мы определим следующим образом: это любые процессы или явления в окружающем мире, которые не имеют классического аналога. Проще говоря, это такие процессы, которые противоречат всем известным законам классической физики и выходят за рамки наших привычных представлений о реальности.

И все же слово «магия» в названии книги имеет ряд дополнительных оттенков. Это и очарование квантовой механики с ее невероятными возможностями, поистине «магическими» по сравнению с другими теориями. Здесь и намек на то, что квантовая теория — это инструмент не только для ученых, но и для каждого из нас, поскольку она дает возможность любому человеку существенно раздвинуть границы миропонимания и заглянуть в самые потаенные глубины Мироздания. И речь идет вовсе не о глубинах микромира, куда квантовая механика была нацелена прежде. Мы будем говорить именно об окружающем всех нас обычном мире — о макромире, в котором существуем мы сами, а вовсе не элементарные частицы. И попытаемся выяснить, почему последние достижения квантовой теории способны коренным образом изменить все наши привычные представления об окружающей реальности.

Чуть сложнее разъяснить понятие «квантовая», поскольку довольно часто встречается предубеждение, что квантовая механика описывает только микроскопические системы — субатомные частицы, атомы, молекулы, что это некая узкая теория, которая не имеет никакого отношения к окружающим нас объектам. Это не так. Более правильно было бы сказать, что без квантовой теории невозможно адекватно описать поведение микрочастиц, но ее законы являются всеобщими — в макромире они так же справедливы, как и в микромире. Другое дело, что для описания макрообъектов законы квантовой теории упрощаются, и обычно используют их классическое приближение, пренебрегая квантовыми эффектами.

Квантовую теорию очень часто недооценивают, хотя, например, без ее законов само существование макроскопических тел выглядело бы настоящим чудом, сверхъестественным и необъяснимым явлением. Их наличие можно было бы объяснить разве что «высшими силами», так как силы и законы, известные в классической физике, не могли объяснить замечательную стабильность атомов и молекул, которая лежит в основе всех физических и химических свойств вещества. Причем дело не в том, что квантовая теория проникла на микроуровень и, описав поведение атомов, смогла объяснить макроскопические свойства вещества. Кстати сказать, мнение, что знание самых малых «кирпичиков» материи (элементарных частиц) помогает нам полнее узнать природу вещества и физических полей, является довольно распространенным. Вовсе нет. Это как раз классическая точка зрения, которая предполагает, что, зная структуру и поведение отдельных частей системы, мы можем вывести законы поведения объекта как целого. Квантовая теория говорит об обратном — о том, что даже максимально возможное и полное знание частей принципиально не может дать нам понимания целого. Соотношение между частью и целым в квантовой механике гораздо более сложное, чем в классической физике.

Квантовый подход, прежде всего, предполагает рассмотрение выделенной системы как единого целого, в пределах которого могут проявляться те или иные свойства частей. При этом утверждается, что обратный путь — от части к целому — тупиковый, он не в состоянии привести к правильным результатам и приблизить нас к пониманию фундаментальных физических законов.

Все основные достижения квантовой механики базируются не только на познании микромира, а в большей степени — на принципиально ином подходе к описанию физической реальности. В отличие от классической физики, имеющей дело непосредственно с физическими характеристиками объектов, квантовая теория исходит из более фундаментального и первичного понятия «состояние системы». С этой точки зрения все физические величины, характеризующие систему, являются лишь вторичными проявлениями, определяемые тем или иным ее состоянием. Речь идет о произвольных системах — больших и малых. Квантовая теория — это описание в терминах состояний любых объектов, независимо от того, велики они или малы. С одинаковым успехом методы квантовой теории могут применяться как к микрочастицам, так и ко всей Вселенной в целом.

Таким образом, термин «квантовый» не следует понимать слишком узко, как синоним чего-то очень мелкого и незначительного. Прежде всего, это определенный способ описания окружающей реальности, который исходит из понятия «состояние системы», и в книге данный термин используется чаще всего именно в этом смысле.

Что же касается самой книги, то написана она не только с целью ознакомить читателя с самыми последними достижениями квантовой механики, в частности, с чисто физическими результатами, полученными при разработке квантового компьютера, — одновременно это и моя попытка философского осмысления этих результатов.

Утверждение, что они имеют большое значение для каждого из нас, кому-то может показаться натянутым и чересчур преувеличенным. На это я замечу, что все мы строим свою жизнь, исходя из своего мировоззрения. Даже когда мы просто неосознанно «плывем по ее течению», то делаем это тоже в силу своих устоявшихся представлений об окружающей реальности. Причем миропонимание часто базируется на широко распространенных воззрениях классической физики о материальной основе окружающего нас мира. Многим представляется, что, помимо вещества и физических полей, во Вселенной ничего больше нет, что элементарные частицы являются ее исходным строительным материалом, своего рода «вечной и неуничтожимой» субстанцией Космоса.

Довольно часто именно такое ограниченное понимание мироустройства формирует систему жизненных ценностей человека, определяет его приоритеты, цели и стремления, лежит в основе его земного пути. Поэтому вполне естественно ожидать, что последние достижения квантовой теории будут иметь большое значение для каждого из нас, поскольку они не укладываются в рамки такого упрощенного взгляда на реальность. Они способны коренным образом изменить наше привычное мировоззрение и привести к существенному пересмотру всей системы жизненных ценностей и устремлений человека.

Основной вывод, к которому приходит квантовая теория, можно кратко сформулировать следующим образом: материя, то есть вещество и все известные физические поля, не являются основой окружающего мира, а составляют лишь незначительную часть совокупной Квантовой Реальности.

Но этот краткий вывод, как вы понимаете, таит в себе самые глубокие и далеко идущие последствия, которые сегодня невозможно даже представить.

В своей книге я попытался подробно осветить теоретические и экспериментальные результаты, полученные за последние годы в области физики квантовой информации, которые позволяют сделать этот значимый для всего естествознания вывод.

Надеюсь, что читатель сумеет отделить приведенные в книге факты и сами физические результаты от моей трактовки и моего личного мнения на этот счет. Естественно, я вовсе не претендую на то, что моя точка зрения является единственно верной. Но то, что сами факты заставляют о многом задуматься и позволяют взглянуть на окружающую нас реальность другими глазами, лично для меня очевидно.

Глава 1

Магия запутанных состояний

1.1. На пороге эры квантовых компьютеров

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 1080), — 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[1], — достаточно будет всего лишь нескольких сотен. Скажем, довольно 300 ячеек, чтобы информационный ресурс компьютера примерно на 10 порядков превысил число частиц во Вселенной (2300 = 1090)[2]. И весь этот гигантский массив информации будет согласованно изменяться за один рабочий такт. Столь поразительное различие между обычным и квантовым компьютерами объясняется тем, что эффективность последнего растет экспоненциально с увеличением числа его ячеек памяти.