Дэвид Дойч - Структура реальности. Наука параллельных вселенных
Классическая теория вычислений, которая в течение полувека оставалась неоспоримым фундаментом обработки данных, сейчас устарела, но, как и остальная классическая физика, может использоваться в качестве приближенной схемы. Современной теорией вычислений является квантовая теория вычислений. Я сказал, что Тьюринг в своих построениях неявно использовал «классическую механику». Но, оглядываясь назад с уровня современных зрений, мы видим, что даже классическая теория вычислений не полностью соответствовала классической физике и содержала существенные признаки квантовой теории. Это вовсе не совпадение, что слово бит, означающее наименьшее возможное количество информации, которым способен управлять компьютер, в сущности, означает то же самое, что и квант, – дискретную порцию. Дискретные переменные (переменные, которые не могут принимать значения из непрерывного диапазона) чужды классической физике. Например, если переменная имеет только два возможных значения, скажем, 0 и 1, как она вообще переходит из 0 в 1? (Я задавал этот вопрос в главе 2.) В классической физике ей пришлось бы совершить прыжок, нарушив непрерывность, что несовместимо с тем, как работают силы и происходят движения в классической механике. В квантовой физике нет необходимости в скачкообразном изменении – несмотря на то, что все измеримые величины дискретны. Вот как это устроено.
Для начала давайте представим несколько параллельных вселенных, сложенных подобно колоде карт, причем вся колода в целом представляет собой мультиверс. (Такая модель, в которой вселенные располагаются последовательно, сильно преуменьшает сложность мультиверса, но она вполне достаточна, чтобы проиллюстрировать мою мысль.) Теперь давайте изменим эту модель, приняв во внимание тот факт, что мультиверс – это не дискретный набор вселенных, а континуум, и то, что не все вселенные различны. В действительности для каждой вселенной, которая там присутствует, также существует континуум идентичных вселенных, составляющий некую небольшую, но отличную от нуля долю мультиверса. В нашей модели эту долю можно представить через толщину карты, причем каждая карта теперь представляет все вселенные данного типа. Однако, в отличие от толщины карты, доля каждого типа вселенных изменяется со временем в соответствии с квантово-механическими законами движения. Следовательно, доля вселенных, обладающих данным свойством, тоже изменяется, причем это изменение происходит непрерывно. В случае с дискретной переменной, которая переходит из 0 в 1, допустим, что до начала изменения эта переменная во всех вселенных имеет значение 0, а после изменения она принимает значение 1 тоже во всех вселенных. В процессе изменения доля вселенных, в которых значение равно 0, постепенно уменьшается от 100 % до нуля, а доля вселенных, где это значение равно 1, соответственно растет от нуля до 100 %. На рис. 9.4 показано, как выглядит подобное изменение с точки зрения мультиверса.
Из рис. 9.4 может показаться, что, хотя переход от 0 к 1 является объективно непрерывным с точки зрения мультиверса, он остается субъективно скачкообразным для любой отдельной вселенной – представленной, скажем, горизонтальной линией в середине рис. 9.4. Однако это всего лишь ограничение способа представления, а не реальная характеристика того, что происходит на самом деле. Хотя диаграмма выглядит так, словно в каждое мгновение существует конкретная вселенная, которая «только что изменилась» из 0 в 1, потому что она только что «пересекла границу», на самом деле это не так. Так быть не может, потому что такая вселенная строго идентична любой другой вселенной, в которой бит в данный момент имеет значение 1. Поэтому если бы жители одной из них испытывали скачкообразное изменение, то жители всех других испытывали бы то же самое. Значит, ни одна из них такого испытывать не может. Обратите также внимание, что, как я объясню в главе 11, идея о чем-то, движущемся по такой диаграмме, как на рис. 9.4, где уже представлено время, просто ошибочна. В каждое мгновение бит имеет значение 1 в определенной доле вселенных и 0 – в другой. Все эти вселенные во все эти времена уже показаны на рис. 9.4. Они никуда не движутся!
Еще один показатель неявного присутствия квантовой физики в классический вычислениях – то, что все варианты практической реализации компьютеров типа Тьюринга зависят от таких вещей, как твердое вещество или намагниченные материалы, которые не могли бы существовать в отсутствие квантово-механических эффектов. Например, любое твердое тело состоит из совокупности атомов, которые, в свою очередь, состоят из электрически заряженных частиц (электронов, а также протонов в ядре). Но из-за классического хаоса ни одна совокупность заряженных частиц не могла бы оставаться устойчивой при классических законах движения. Положительно и отрицательно заряженные частицы просто сорвались бы со своих мест и столкнулись друг с другом, и вся конструкция разрушилась бы. Только сильная квантовая интерференция между различными траекториями движения заряженных частиц в параллельных вселенных предотвращает такие катастрофы и делает возможным существование твердого вещества.
Создание универсального квантового компьютера выходит далеко за рамки современной технологии. Как я уже сказал, чтобы обнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответствующее взаимодействие всех переменных, которые различались во вселенных, вносящих вклад в интерференцию. Чем больше взаимодействующих частиц участвует, тем сложнее организовать взаимодействие, которое продемонстрировало бы интерференцию, то есть результат вычисления. Среди множества технических сложностей работы на уровне одного атома или электрона одна из важнейших состоит в ограждении среды от воздействия различных интерферирующих субвычислений. Дело в том, что если группа атомов участвует в явлении интерференции и эти атомы по-разному воздействуют на другие атомы окружающей среды, то интерференцию уже невозможно обнаружить по измерениям только исходной группы, и эта группа уже не выполняет какого бы то ни было полезного квантового вычисления. Это называется декогеренцией. Следует добавить, что эту проблему часто представляют в ложном свете: нам говорят, что квантовая интерференция – очень чувствительный процесс, и его следует ограждать от любых внешних воздействий. Но это не так. Внешние воздействия способны вызвать небольшие погрешности, но именно воздействие квантового вычисления на внешний мир вызывает декогеренцию.
Таким образом, ставка делается на создание субмикроскопических систем, в которых несущие информацию переменные взаимодействуют друг с другом, но как можно меньше влияют на свою среду. Еще одно новое упрощение, уникальное для квантовой теории вычисления, частично компенсирует сложности, вызываемые декогеренцией. Оказывается, что, в отличие от классического вычисления, где необходимо конструировать особые классические логические элементы, такие как И, ИЛИ и НЕ, в квантовом случае конкретная форма взаимодействий вряд ли имеет значение. В сущности, почти любую систему взаимодействующих битов атомного масштаба, если она не декогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовых вычислений.
Известны интерференционные явления, включающие огромное число частиц, например, сверхпроводимость или сверхтекучесть, но кажется, что ни одно из них невозможно использовать для выполнения каких-либо интересных вычислений. Во время написания этой книги в лаборатории можно было легко выполнить только однобитовые квантовые вычисления. Однако экспериментаторы уверены, что в течение нескольких последующих лет будут созданы двух– и более битовые квантовые логические элементы (квантовые эквиваленты классических логических элементов). Это основные составляющие квантовых компьютеров. Некоторые физики, особенно Рольф Ландауэр[41] из IBM Research, настроены пессимистично относительно перспектив дальнейшего продвижения после этого. Они полагают, что декогеренция никогда не будет сведена до того уровня, при котором можно выполнить более нескольких последовательных шагов квантового вычисления. Большинство исследователей в этой области настроены гораздо оптимистичнее (хотя, возможно, это связано с тем, что над квантовыми вычислениями решаются работать только очень большие оптимисты!). Уже были построены некоторые специализированные квантовые компьютеры (речь о них пойдет дальше), и лично я думаю, что появление более сложных квантовых компьютеров – скорее дело нескольких лет, чем десятилетий. Что касается универсального квантового компьютера, то я считаю, что его создание – это тоже лишь дело времени, хотя мне не хотелось бы предсказывать, сколько времени это займет: десятилетия или века.
