Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии
Но допустим на минуту, что квантовый компьютер все ж? возможен, пусть и с меньшим числом состояний: для наших потребностей хватило бы совсем «немного» — порядка 1025 бит, 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 мысленные эксперименты. 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 ½.
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 одновременно находится 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].
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.
Повторим: в квантовом мире есть смешанные состояния. Скажем, наполовину (т. е. ½) 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 > = ½ (|кот живой> + |кот мертвый>) и
|2> = ½ (|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 80×8×10 000 000 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.
Состояния спутанные, и мы запутались в них, но никакого противоречия. Все взаимосогласовано как в звенящем бокале, как в «машине времени Болотовского», но много сложнее. Структура «спутанных» состояний сложна, и по каждому возможному пути «волна должна прибежать в фазе» и «бокал звенеть».
Однако, когда мы смотрим на звенящий бокал, ни в нас, ни в бокале ничего не меняется. Бокал — сам по себе, мы — сами по себе. В квантовом мире все принципиально иначе. «Эксперимент» и «наблюдатель» неразрывно связаны.
Так, если вы следите, через какое из двух отверстий пролетит фотон, вы увидите, что он пролетает только через одно — ведет себя, как маленький летящий шарик. Но стоит вам отвернуться, окажется, что фотон пролетает одновременно через оба. Об этом свидетельствует так называемая интерференционная картина. Не верите — посмотрите учебник (лучше всего уже упомянутые лекции Феймана). Что же это — мир, разный лишь от того, смотрим мы или нет? Не вдаваясь в детали — да!
А теперь давайте подумаем. Конечно, квантовый компьютер может работать сам по себе и давать ответы, которые никто и смотреть не будет. Но зачем мы его построили — разве не ради ответов? Значит, обязательно посмотрим! А это существенным образом изменит не только устройство квантового компьютера, но и нас — мы, согласно квантовой физике, его неотъемлемая часть. Увы, привнесение в наш мир квантовых законов меняет его причинность: расчет на компьютере — теперь, не прогноз, а действие над этим миром. Но «дедушку» все равно «убить» нельзя. И мир будет меняться (весь мир, целиком, вся его пространственно-временная структура!), так, чтобы парадокса не было, как в случае «машины времени Болотовского», так и в случае квантового компьютера.
В мире нет места парадоксу, а вавилонские башни рушатся — как ни старайся. Вот только что будет на этот раз в роли смешения языков?
Следует признать: квантовый мир изобилует «странностями», не подходящими для нашего мира. И их «перенесение» в наш мир — если такое вообще принципиально возможно — отнюдь не безобидно.
Вряд ли бы вам понравился мир, в котором надо повернуться вокруг себя два раза, а не один, чтобы оказаться ровно на том же самом месте. Повернувшись один раз, будете не вы, а ваше зеркальное отражение с переставленными «лево» и «право»! А в квантовом мире все фермионы (включая наш электрон) устроены именно так.
Итак, попытка перенести свойства квантового мира в наш кажется странной. «Мнение» о том, что раз наш мир состоит из квантового, то его можно (хоть это и сложно) описать только квантовыми законами (законы макромира есть следствие квантовых), — ошибочно! Физики так не думают! Мы принципиально не умеем из свойств квантового мира выводить все свойства нашего мира. Напротив, для того чтобы описать и объяснить квантовый мир, нам необходимо опираться на априори заданные свойства нашего мира — иначе не получается.
Но вместе с тем мир нано — место встречи нашего мира и мира квантового. И с неизбежностью мы будем сталкиваться не только с ситуациями, когда рукав не подходит к кафтану, но и когда кафтан не подходит к рукаву. То, что сделала с нашим миропониманием квантовая механика, на сегодня до конца не оценено, не понято, не принято нами, как это, например, случилось с коперниковой моделью мира.
Однажды — начиная с Гаусса, Бойяи, Лобачевского, Римана[55], затем Эйнштейна и Минковского[56] — мы были сильно удивлены тому, что геометрия, которую проходят школьники со времен Эвклида, вовсе не истина в последней инстанции. Релятивистский мир оказался иным. Есть ожидания, что и с квантовой физикой будет так же. Только под сомнение она ставит не геометрию, а абсолютность привычной нам логики, а это будет иметь куда более серьезные последствия.
Нанотехнологии — всепроникающие. Они войдут в наш быт, в наш образ жизни. Как следствие, непривычные нам логические конструкты — из-за квантового характера нано — будут непрерывно наблюдаемы в повседневной жизни. Нам придется думать иначе, и очевидное перестанет быть таковым.
