Саймон Сингх - Книга шифров .Тайная история шифров и их расшифровки

В отсутствии надежды на теоретическое открытие, криптоаналитики были вынуждены искать какое-нибудь техническое новшество. Если явного способа сократить количество действий, требующихся для разложения на множители, нет, то тогда криптоаналитикам необходим способ, с помощью которого эти действия будут выполняться гораздо быстрее. С годами кремниевые чипы будут работать все быстрее и быстрее, удваивая свою скорость примерно каждые восемнадцать месяцев, но для того, чтобы хоть как-то повлиять на скорость разложения на множители, этого недостаточно; криптоаналитикам требуются устройства, которые были бы в миллионы раз быстрее современных компьютеров. Так что криптоаналитики рассчитывают на принципиально новый вид компьютера — квантовый компьютер. Если бы ученые смогли создать квантовый компьютер, это позволило бы выполнять вычисления с такой скоростью, что современный суперкомпьютер выглядел бы по сравнению с ним сломанными счетами.

Далее в этом разделе будет обсуждаться концепция квантового компьютера, и поэтому здесь вводятся некоторые принципы квантовой физики, называемой иногда квантовой механикой. Прежде чем двигаться дальше, обратите, пожалуйста, внимание на предупреждение, которое поначалу дал Нильс Бор, один из «отцов» квантовой механики: «Тот, кто способен размышлять о квантовой механике, не испытывая при этом головокружения, не понял ее». Другими словами, приготовьтесь к встрече с несколькими довольно причудливыми идеями.

Чтобы объяснить принципы квантовых вычислений, полезно вернуться в конец восемнадцатого века к работе Томаса Юнга, английского энциклопедиста, сделавшего первый шаг в дешифровании египетской иероглифики. Юнг, член совета колледжа Эммануэль в Кембридже, частенько проводил послеобеденное время, отдыхая около пруда для уток рядом с колледжем. Как-то раз, как гласит предание, он обратил внимание на двух безмятежно плывущих бок о бок уток. Он заметил, что каждая из уток оставляла за собой на воде след в виде двух расходящихся веером волн, которые взаимодействовали друг с другом и создавали своеобразную картину, состоящую из участков, покрытых рябью, и участков со спокойной гладью воды. Когда гребень волны, идущей от одной из уток, встречался со впадиной между волнами, идущими от другой утки, в результате образовывался небольшой участок спокойной глади воды — гребень волны и впадина между волнами взаимно уничтожали друг друга. И наоборот, если в каком-то месте одновременно встречались две волны, то в результате образовывалась еще более высокая волна, если же в каком-то месте одновременно встречались две впадины, то образовывалась еще более глубокая впадина. Его это крайне заинтересовало, потому что утки напомнили ему об эксперименте, связанном с изучением природы света, который он провел в 1799 году.

В том эксперименте, как показано на рисунке 71 (а), Юнг освещал светом перегородку, в которой были две узкие вертикальные щели. На экране, расположенном на некотором расстоянии позади щелей, Юнг ожидал увидеть две светлые полоски — проекции щелей. Вместо этого он заметил, что свет от обеих щелей расходился веером, создавая на экране рисунок из нескольких светлых и темных полос. Такой рисунок в виде полос на экране озадачил его, но теперь он был уверен, что вполне смог бы дать ему объяснение, исходя из того, что он увидел на пруду для уток.

Юнг начал с предположения, что свет представляет собой волну. Но если свет, выходящий из двух щелей, ведет себя как волна, тогда эти волны ведут себя почти так же, как и волновые следы позади обеих уток. Более того, причиной появления светлых и темных полос на экране было то же самое взаимодействие, которое приводило к образованию высоких волн, глубоких впадин между волнами и участков со спокойной гладью воды. Юнг представил себе точки на экране, где встретились пик волны и впадина между волнами, что привело к их взаимному уничтожению и образованию темной полосы, и точки на экране, где встретились две волны (или две впадины), что вызвало их усиление и образование светлой полосы, как показано на рисунке 71 (b). Утки позволили Юнгу лучше понять природу света, в результате чего он опубликовал «Волновую теорию света» — нестареющий классический труд по физике.

Рис. 71 Эксперимент Юнга со щелями (вид сверху). На рисунке (а) видны световые волны, расходящиеся веером из двух щелей в перегородке, которые взаимодействуют между собой и образуют на экране рисунок в виде полос. На рисунке (b) показывается, как взаимодействуют между собой отдельные волны. Если на экране встречаются впадина между волнами и волна, то в результате образуется темная полоса. Если на экране встречаются две впадины между волнами (или две волны), то в результате образуется светлая полоса.

Сейчас нам известно, что свет действительно ведет себя как волна, но мы также знаем, что он ведет себя и как частица. То, как мы воспринимаем свет — в качестве волны или же частицы, — зависит от конкретной ситуации, и такая двойственность в поведении света называется корпускулярно-волновым дуализмом. Мы не будем далее обсуждать этот дуализм, просто укажем, что в современной физике световой пучок считается состоящим из бесчисленного множества отдельных частиц, называемых фотонами, которые и проявляют волновые свойства. При таком подходе мы можем трактовать эксперимент Юнга, как вылетающие из щели, а затем взаимодействующие с обратной стороны перегородки фотоны.

Вроде бы ничего особенно странного в эксперименте Юнга нет. Однако современная технология позволяет физикам повторить эксперимент Юнга, используя для этого нить накаливания, которая настолько тусклая, что испускает одиночные световые фотоны с частотой, скажем, раз в минуту, и каждый фотон в одиночку движется к перегородке. Время от времени фотон пролетает через одну из двух щелей и попадает на экран. Хотя наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы видеть отдельные фотоны, за ними можно наблюдать с помощью специального датчика, и по прошествии нескольких часов мы сможем получить полную картину попадания фотонов на экран. Если в любой момент времени через щели пролетает только один фотон, то рассчитывать, что мы увидим полосы, которые наблюдал Юнг, мы не можем, потому что они образуются, похоже, только в том случае, когда два фотона одновременно пролетят через разные щели и затем провзаимодействуют друг с другом. Вместо них мы могли бы ожидать появления только двух светлых полосок — проекций щелей в перегородке. Однако по какой-то непонятной причине даже при одиночных фотонах на экране по-прежнему образуется точно такой же рисунок из светлых и темных полос, как если бы фотоны взаимодействовали друг с другом.