Сет Ллойд - Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

В предыдущих разделах мы описали основы квантовых вычислений. Скоро мы увидим, что ротации отдельных квантовых битов вместе с операциями «условное не» составляют универсальный набор квантовых логических операций. Мы помним, что «и», «или», «не» и «копировать» составляют универсальный набор классических логических операций; любое желаемое логическое преобразование можно построить из этих базовых элементов. Сходным образом любое желаемое преобразование набора квантовых битов можно построить из ротаций отдельных кубитов и операций «условное не». Эту универсальную функцию можно использовать для выполнения сколь угодно сложных квантовых вычислений. Но сначала давайте используем универсальный характер ротаций и операций «условное не», чтобы разобраться, как на самом деле действуют такие процессы, как измерение и декогерентность.

Состояние |0> + |1> – это кубитовый аналог состояния частицы в эксперименте с двойной щелью, в котором она проходит через обе щели одновременно. Состояние частицы, проходящей через щели, также соответствует некоторому квантовому биту. Если |левая> соответствует состоянию, в котором частица проходит через левую щель а |правая> – прохождению через правую щель, то |левая> + |правая> будет состоянием, в котором частица проходит через обе щели сразу.

Кубит (например, ядерный спин) можно поместить в состояние |0> + |1> (соответствующее частице, проходящей через обе щели сразу), взяв спин «вверх» (|0>) и совершив его ротацию на одну четверть полного оборота, в состояние |0> + |1>. И можно убедиться, что кубит находится в желаемом состоянии, совершив ротацию спина назад на одну четверть оборота и измерив затем его состояние (например, с помощью аппарата Штерна-Герлаха). Вы увидите, что он вернулся в исходное состояние.

Теперь возьмем второй кубит, первоначально находящийся в состоянии |0>. Так же как первый кубит – аналог положения частицы, этот второй кубит – аналог датчика. Выполним операцию «условное не» с этим кубитом, используя бит частицы в качестве управляющего. Указанная операция инвертирует кубит в том и только том случае, если кубит частицы находится в состоянии |1>, что соответствует частице, проходящей через правую щель. В действительности, как мы уже договорились, кубит частицы находится в состоянии суперпозиции |0> + |1>. Не тревожьтесь: квантовая операция «условное не» действует как соответствующая классическая операция для каждого компонента этой суперпозиции . В той части суперпозиции, в которой кубит частицы находится в состоянии |0> (что соответствует частице, проходящей через левую щель), кубит датчика остается в состоянии |0>. В той же части суперпозиции, где кубит частицы находится в состоянии |1>, кубит датчика меняет свое состояние с |0> на |1>. Взятые вместе, два квантовых бита после операции «условное не» находятся теперь в состояниях |00> + |11>. В одном компоненте суперпозиции значения кубитов частицы и датчика будут оба равны |0>. В другом компоненте они оба будут иметь значения |1>.

Операция «условное не» обеспечила корреляцию двух квантовых битов. В ходе операции информация в первом кубите распространилась и «заразила» второй кубит; иначе говоря, операция «условное не» создала взаимную информацию между двумя кубитами. Второй кубит теперь обладает информацией о том, каково значение первого кубита |0> или |1>.

Однако операция «условное не» также побеспокоила и первый кубит. Предположим, мы пытаемся убедиться, что первый кубит все еще находится в состоянии |0> + |1> – вращаем ядерный спин обратно на четверть поворота и проводим измерения, чтобы увидеть, находится ли он в состоянии «вверх». Когда мы проводим это измерение, мы обнаруживаем, что половину времени спин находится в правильном состоянии «вверх», а половину – в неправильном состоянии «вниз». Увы, кубит частицы больше не находится в состоянии |0> + |1>. В процессе корреляции кубита частицы с кубитом датчика операция «условное не» сделала состояние кубита частицы совершенно случайным, рандомизировала его.

Как и ее классический аналог, квантовая операция «условное не» позволяет одному биту получать информацию о другом. Отличие состоит в том, что квантовая операция, как правило, «беспокоит» тот бит, информация о котором получена. Такое возмущение свойственно процессам, в которых одна квантовая система получает информацию о другой; в частности и в особенности, квантовый процесс измерений, как правило, возмущает измеряемую систему.

В приведенном здесь примере это возмущение можно просто отменить, повторив операцию «условное не». Как и классическая операция, квантовая операция является обратной по отношению к себе самой. Если выполнить ее дважды, кубиты вернутся в их исходные состояния. В частности, квантовая операция «условное не», выполненная над состояниями |00> + |11>, где первый кубит является управляющим, никак не повлияет на компонент |00> и переведет компонент |11> в состояние |10>. Второй кубит (кубит датчика) находится теперь в состоянии |0>, а первый (кубит частицы) – в состоянии |0> + |1>. Вращение кубита частицы на четверть оборота назад с последующим измерением дает состояние «вверх», подтверждая, что кубит частицы действительно вернулся в надлежащее состояние.

В силу исторических причин процесс квантовых измерений считается необратимым. В отличие от приведенной здесь простой модели квантовой детекции на базе «условного не», обычные интерпретации квантовой механики, такие как копенгагенская интерпретация Бора, предполагают, что, как только макроскопический измерительный прибор стал коррелировать с микроскопической системой, например частицей, эту корреляцию отменить нельзя. В этой подразумеваемой необратимости измерений читатель, вероятно, обнаружит эхо второго начала термодинамики. В H-теореме Больцмана, как мы помним, кажущаяся необратимость увеличения энтропии сохраняется до тех пор, пока атомы не начнут взаимодействовать таким образом, который отменяет их корреляции и тем самым уменьшает их энтропии. Сходным образом в процессе квантовых измерений необратимость может быть только кажущейся.

В частности, фундаментальная динамика квантовых систем сохраняет информацию – точно так же, как динамика классических систем. Поскольку эта динамика сохраняет информацию, ее в принципе можно обратить. Это квантово-механический аналог возражения Лошмидта. Просто обратите динамику процесса измерения, и квантовая система вернется в свое изначальное невозмущенное состояние. Как и в классической операции «условное не», о которой мы говорили выше, повторное применение аналогичной квантовой операции – это реализация возражения Лошмидта. Аналоги эксперимента со спиновым эхом могут мгновенно и эффективно обратить динамику миллионов кубитов.