Книга: Сейчас. Физика времени

Вычисления с призраками

Вычисления с призраками

В прошлом, когда работали Фридман и Клаузер, область квантовых измерений физики в основном игнорировали. Но в последнее время эта сфера стала вызывать горячий интерес и получать финансирование не только от Национального фонда развития науки и Министерства энергетики, но и от Министерства обороны, ЦРУ и Агентства национальной безопасности. Причина – в фантастическом потенциале квантовых вычислений.

Суть квантовых вычислений в том, что можно хранить информацию и манипулировать ею в волновых функциях. Отказ от использования обычных бит с их жестким ограничением – нуль или единица – и переход к использованию вместо них кубитов, каждый из которых представляет собой квантовую амплитуду, дает громадные преимущества. Кубитом можно манипулировать, его можно использовать в расчетах. В каком-то смысле он содержит намного больше информации, чем обычный бит[220]. Рассмотрим, к примеру, квантовую волновую функцию в эксперименте Фридмана?Клаузера. Отношение двух амплитуд поляризации аналогично классическому углу поляризации, который может принимать любое значение от 0 до 90 градусов. Это намного больше информации, чем хранение простого бита – 0 или 1. Этот кубит – суперпозиция двух состояний, и информация кроется в их отношении. Загвоздка в том, что число это извлечь невозможно. Можно только получить вероятность того, что поляризация ориентирована в направлении верх-низ или право-лево.

Волновую функцию невозможно измерить, а можно только «взять ее пробу» (и вызвать тем самым ее коллапс), но это не означает, что с ее помощью невозможно проводить вычисления. Волновые функции испытывают на себе действие внешних сил и взаимодействий, поэтому ими можно манипулировать и ничего не измеряя. К примеру, хотя поляризацию можно измерить лишь с некоторой вероятностью, волновую функцию поляризации можно вращать со сколь угодной точностью. Фокус в квантовых вычислениях состоит в том, чтобы проводить все манипуляции с невидимой волновой функцией, хранимой в кубитах, и только потом, когда вычисление завершено, измерить. Полученный при этом конечный ответ, вполне возможно, удастся представить в виде всего нескольких кубитов, даже если само вычисление достаточно объемно.

Представьте, что у вас имеется очень большое число – пусть в нем будет, скажем, 2048 знаков, – и вы хотите разложить его на простые множители. (Разложение на простые множители [факторизация] – ключ к взлому некоторых весьма продвинутых систем шифрования [например, RSA[221] ].) Вас не интересуют все те попытки разложения, которые не дают результата; все, что вам на самом деле нужно, это два числа, примерно по 1024 знака каждое, которые, собственно, и станут делителями вашего числа. Это надежда квантовых вычислений; именно по этой (отчасти) причине разведывательные агентства выделяют деньги на исследования и развитие. Квантовые вычисления потенциально помогают проводить невероятно сложные расчеты параллельно. Кроме того, их в принципе можно выполнять без выделения тепла. В обычном компьютере всякий раз при перекидывании бита с места на место выделяется некоторое минимальное количество теплоты[222]. Но при квантовых вычислениях ваша машина генерирует тепло только в момент финального измерения кубита.

Будут ли квантовые вычисления иметь успех? Я в этом смысле настроен пессимистично. Кое-какие простые расчеты (разложение 6 как 2 ? 3, разложение 15 как 3 ? 5) уже удалось провести, но организовать таким образом сложные вычисления намного труднее. Мало того, пессимистично настроен не только я; многие из тех, кто усердно трудится в этой области, в глубине души тоже настроены скептически. Тогда почему они этим занимаются? Думаю, причина в том, что их буквально завораживают вопросы квантовых измерений. Благодаря этому у них наконец появились деньги на исследования того, что происходит при манипулировании квантовыми системами и при их измерении. Уже появились чудесные новые постулаты, такие как теорема о невозможности передачи информации с помощью запутанных квантовых частиц; ее можно было доказать еще в 1940-е годы. И если их работа приведет к прорыву в наших представлениях о квантовом измерении, результатом всего этого может стать очередная революция в физике.