Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

Уравнения (они же законы мира) те же, но результат иной. И причиной тому лишь задание условий, при которых мы ищем решение одних и тех же уравнений. В данном случае нет начальных условий, совпасть должны условия на концах. (Тот, кто знает теорию дифференциальных уравнений, легко узнает здесь различие задачи Коши и задачи Лагранжа для одних и тех же уравнений.)

Забавно? Но какое это имеет отношение к нанотехнологиям и квантовым технологиям? Прямое! Вы слышали про так называемый квантовый компьютер? Так вот он — если опустить детали — такая же «машина времени Болотовского»: квантовый компьютер не считает, что будет, его «расчет» реализуется как действительность. Он из серии «звенящего бокала».

Скорее всего (и с большой степенью уверенности), квантовый компьютер невозможен. Но если это не так, то, построив его, мы можем кардинально изменить базовые свойства нашего мира. В частности, о свободе воли можно будет забыть.

Подчеркнем еще раз. Авторы скептически относятся к самой возможности существования квантового компьютера, и это будет ясно из последующего. Но при учете рисков необходимо опираться не только на свои представления, тем более, если они носят устойчивый (если не сказать — массовый) характер. Вот их типичный образчик, заимствованный из книги С. И. Доронина «Квантовая магия».

«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 10 80), — 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, — достаточно будет всего лишь нескольких сотен. Скажем, довольно 300 ячеек, чтобы информационный ресурс компьютера примерно на 10 порядков превысил число частиц во Вселенной (2 300≈ 10 90). И весь этот гигантский массив информации будет согласованно изменяться за один рабочий такт».

Патетично, не правда ли? Этакая современная Вавилонская башня — до Бога достает! (Говорят, точнее, пишут, один раз попробовали. Впрочем, это притча библейская.)

Авторы считают, — думаем, согласится и читатель, — что если «что-то» превышает число частиц во Вселенной, то это прекрасный повод усомниться в реализуемости этого «что-то». Трудно представить себе, что человеку потребуется меньше материала, чем природе для реализации, по сути, одного и того же.

Но допустим на минуту, что квантовый компьютер все ж? возможен, пусть и с меньшим числом состояний: для наших потребностей хватило бы совсем «немного» — порядка 10 25бит, 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] Косвенно, это если вы смотрите не на ядро, а на кота или на что-либо другое, чье состояние зависит от того, распалось ядро или нет. ), 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] См., например, Феймановские лекции, т. 9. .

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] Хью Эверетт III (1930—1982) — американский физик, первым (1957 год) предложивший многомировую интерпретацию квантовой механики. , 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] Именно такая странная запись состояний и используется в квантовой физике. Для нее придумали забавное название: открывающая скобка «БРА» и закрывающая скобка «КЕТ» — все вместе бракет, или по-русски «брикет». :

|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.