Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

В двух словах квантовая физика — это теория, объясняющая устройство окружающего нас мира. Однако теория эта не совсем обычна. Для начала — она предсказывает, что один и тот же объект может быть обнаружен в одно и то же время в двух разных местах. Да, вам не привиделось: если верить квантовой физике, то теоретически я мог бы сидеть за столом в Брайтоне, работая над этой главой, и одновременно загорать на пляже где-нибудь во Флориде. К сожалению, как бы мне ни хотелось сейчас оказаться где-нибудь подальше от своего стола, данный принцип не распространяется на крупные объекты вроде нас. Однако он достаточно часто наблюдается в лабораториях при изучении поведения отдельных атомов. То есть атом действительно может быть в двух разных местах одновременно. Данный феномен называют «суперпозицией». Сам по себе этот вывод из квантовой теории показался физикам настолько странным, что они провели немало экспериментов, пытаясь опровергнуть его. Но тщетно — эксперимент за экспериментом они получали один и тот же результат, подтверждавший, что все так и происходит.

Для иллюстрации странности поведения кванта приведу вам пример из собственной научной практики. В свое время специалист по квантовой физике Джерард Милберн предсказал возможность движения атома в двух направлениях — вперед и назад — одновременно. Чтобы понять, в чем заключается его идея, представьте, что ваша припаркованная у обочины машина оказалась зажата спереди и сзади двумя другими автомобилями. Вам нужно как-то выехать. Но вместо того, чтобы сначала проехать вперед, ударив машину спереди, а потом отъехать назад, толкнув машину сзади вас, вы ударяете обе машины — и ту, что спереди, и ту, что сзади, — одновременно! Когда я был молодым, эта идея захватила мое воображение. Поэтому собственную научную карьеру я начал именно с этого эксперимента. Приложив немало усилий и проведя в лаборатории не одну бессонную ночь, спустя приблизительно три года нам наконец удалось пронаблюдать данный феномен — одновременное движение атома вперед и назад, представляющее собой пример квантовой суперпозиции.

Несмотря на всю свою экзотичность, суперпозиция далеко не самое странное из того, что изучает квантовая физика! Существует еще один феномен — квантовая запутанность, — который представляется даже более диковинным. Более того, корректно объяснить, в чем он заключается, не прибегая к математическим уравнениям, просто невозможно. Но давайте все-таки попробуем предельно просто сформулировать его суть. Существует возможность связать друг с другом два квантовых объекта (например, два атома) таким образом, чтобы любое воздействие на один из них мгновенно отражалось на втором, даже несмотря на большое расстояние между ними и невозможность непосредственного взаимодействия. Эта особенность квантовой физики совершенно не устраивала Эйнштейна, который называл ее призрачной и предлагал провести опровергающие эксперименты. Вот уже 60 лет физики занимаются проведением таких экспериментов, постоянно совершенствуя свои подходы и стараясь использовать все возможные лазейки, которые только могут прийти им в голову. Однако результат всегда один и тот же: квантовая физика, судя по всему, не ошибается, и странные феномены вроде суперпозиции и запутанности действительно имеют место.

Пока одни исследователи никак не могут свыкнуться со странностями квантовой физики, другие воспринимают их как данность и берутся за решение новых задач. Их интересует, можно ли поставить квантовые эффекты на службу людям, создать новые технологии, реализуя потенциал, заложенный в странных предсказаниях квантовой физики. Идей у них немало. Одна из них, например, связана с созданием нового поколения датчиков, способных с беспрецедентной точностью определять электромагнитные поля или даже измерять саму силу притяжения (одно из возможных применений — поиск трубопроводов под землей). В числе других вариантов использования — квантовая криптография, которая позволит нам безопасно общаться друг с другом, зная, что на страже нашего покоя стоят сами законы физики, гарантирующие, что никто и никогда не сможет узнать содержание нашей переписки.

Во всех приведенных примерах используются захватывающие технологии, которые имеют все шансы оказать существенное влияние на нашу жизнь. Однако, как мне кажется, именно квантовые вычисления — та технология, которая принесет с собой наиболее радикальные (и при этом трудно поддающиеся осознанию) изменения. Поэтому позволю себе пояснить более подробно, в чем заключается ее новизна и сила.

Квантовая механика объясняет, как из движения атомов и взаимодействий между ними рождаются все известные нам свойства материи во Вселенной, включая цвет объекта, его прочность, тепло- и электропроводимость. Она также объясняет, как в результате взаимодействия атомов в нашем организме мы получаем возможность видеть, ощущать запахи и вообще взаимодействовать с миром вокруг нас. Это невероятно мощная теория.

Но есть одна большая проблема: квантово-механические процессы чрезвычайно трудно описывать и рассчитывать с помощью обычных компьютеров. Более того, большинству современных компьютеров просто-напросто не по зубам практически любая проблема из области квантовой механики, так как для проведения вычислений в рамках квантовой физики с высокой степенью точности требуется колоссальная вычислительная мощь. На поиск решения многих по-настоящему интересных проблем с помощью классических компьютеров уйдут миллиарды лет. Поэтому работа ученых по всему миру сегодня по большому счету сводится к созданию таких крайне упрощенных моделей квантовых процессов, чтобы их можно было обсчитывать на существующих компьютерах. Однако, если сравнивать с точным решением соответствующей задачи квантовой физики, расчеты, выполненные по таким неизбежно упрощенным моделям, никогда не дают точной картины исследуемых процессов. Это, в свою очередь, означает, что мы упускаем колоссальные возможности — ведь мы могли бы разработать новые лекарственные препараты, создать новые материалы, понять, как происходит фолдинг белка, а также контролировать и понимать биологические процессы. И это только начало списка возможных вариантов применения! Решение таких проблем может быть по плечу квантовому компьютеру, так как сам принцип его работы напрямую связан с причудливыми особенностями квантовой механики, что обеспечивает возможность точного моделирования сложных систем, основанных на квантовой физике! Мы только начинаем осознавать, насколько революционными могут быть последствия внедрения квантовых компьютеров. Возможно ли сейчас ответить на вопрос о том, к каким прорывам в понимании физических систем и контроле над ними может привести применение квантовых компьютеров? К сожалению, мы можем только предполагать. Впрочем, с помощью квантовой физики вполне реально объяснить работу любой физической системы и различные ее особенности. Не нужно иметь научную степень по физике, чтобы понять таящиеся в ней поистине безграничные возможности. Более того, ничего похожего на квантовые компьютеры для осмысления реальности до сих пор никогда не использовалось, а значит, они способны радикально изменить наше понимание Вселенной и даже самой жизни.