«Если», 2006 № 1 - Журнал «Если»

В соответствии с ИММ все возможные исходы квантового взаимодействия реализуются. Волновая функция, вместо того чтобы коллапсировать в момент наблюдения, продолжает эволюционировать детерминистским образом, охватывая все заключенные внутри нее вероятности. Все исходы существуют одновременно, но более не взаимодействуют друг с другом, а каждый мир-предшественник расщепляется на взаимно ненаблюдаемые, но одинаково реальные миры.

Возникает логичный вопрос: а есть ли другие теории, кроме ИММ? Да сколько угодно. Впрочем, как пишет Прайс, кроме ИММ, ему «неизвестны другие квантовые теории, являющиеся научными в смысле описания модели реальности и свободные от внутренних противоречий».

Возьмем для примера «копенгагенскую интерпретацию». Она постулирует, что наблюдатель подчиняется другим физическим законам, чем не-наблюдатель, а это уже возврат к витализму. Статус волновой функции здесь также допускает двоякое толкование. Если волновая функция реальна, то теория не является локальной (это не смертельно, но неприятно). Если же волновая функция не реальна, то теория не предлагает модели реальности.

Для очистки совести просто перечислю названия других теорий: «скрытых переменных», «квантовой логики», «растянутой вероятности», «многих разумов» и так далее. Желающие могут попытаться разобраться в них самостоятельно.

Ладно, будет и примерчик. Возьмем многострадальную (во всех отношениях) кошку Шрёдингера: многие о ней хотя бы слышали. Садист-физик[18] сажает бедное животное в ящик, снабженный неким устройством, которое выбрасывает смертельную дозу цианида в случае, если происходит некое случайное событие, например, счетчик Гейгера регистрирует распад атома радиоактивного элемента (да-а, их бы фантазию да в мирных целях…). Для простоты вообразим, что закрытый ящик полностью изолирует кошку от окружающей среды. Через некоторое время физик открывает ящик и проверяет, жива кошка или мертва.

В соответствии с «копенгагенской интерпретацией», кошка не является ни живой, ни мертвой до момента, когда ящик будет открыт, вследствие чего волновая функция кошки (а как звучит!) коллапсирует в одну из двух альтернатив: кошка живая или кошка мертвая. По Шрёдингеру, парадокс заключается в том, что кошка, предположительно, знала, жива ли она, еще до того, как ящик был открыт. По теории ИММ, устройство расщепляется на два состояния (цианид выпущен или не выпущен) в момент радиоактивного распада, который является термодинамически необратимым процессом. Когда «цианид-да»/«цианид-нет» взаимодействует с кошкой, та расщепляется на два состояния — живая или мертвая. С точки зрения выжившей кошки, она обитает в другом мире относительно своей покойной копии. Наблюдатель расщепляется на две копии, только когда ящик открывается, и эти копии различаются состоянием кошки.

Кошка расщепляется, когда устройство срабатывает, причем необратимо. Наблюдатель расщепляется, когда они открывают ящик. Живая кошка понятия не имеет о том, что наблюдатель расщепился, равно как не сознает, что в соседнем, «отщепившемся» мире находится мертвая кошка. Наблюдатель же может прийти к выводу (уже после события, осмотрев механизм выброса цианида или заглянув в память кошки), что кошка расщепилась до того, как ящик был открыт.

Покончив с объяснением одной из заложенных в повесть идей, рассмотрим суть второй идеи — квантовый компьютер и принципы его работы.

Квантовый компьютер — это (пока) гипотетическая машина, производящая вычисления, основанные на поведении частиц на субатомном уровне. Такой компьютер теоретически будет в миллионы раз мощнее любых современных. Это станет возможно благодаря тому, что единицы данных в нем могут существовать более чем в одном состоянии одновременно. В каком-то смысле машина будет «обдумывать» несколько идей одновременно, и каждая такая «мысль» будет независима от остальных, хотя все они и произошли от одного и того же набора частиц. Базовой единицей данных в КК является кубит.

Наибольшая трудность в создании КК связана с тем, что заставить частицы вести себя должным образом в течение значительного отрезка времени чрезвычайно сложно. А из-за малейшего внешнего воздействия машина перестает вести себя «по-квантовому» и переходит в режим «одной мысли», как у обычного компьютера. Такой помехой могут стать электромагнитные поля, физическое перемещение или даже очень слабый электрический разряд.

Кубит (кьюбит) — это квантовый бит, аналог двоичного числа, бита, из классического компьютера. Подобно тому как бит является базовой единицей информации в классическом компьютере, так и кубит есть базовая единица информации в квантовом компьютере (КК).

Такой компьютер может использовать элементарные частицы (например, электроны или фотоны), у которых заряд или поляризация служат репрезентацией 0 и/или 1. Каждая из таких частиц называется кубит, а их природа и поведение являются основой квантовых вычислений. Два наиболее важных аспекта квантовой физики — это принципы суперпозиции и сцепления.

Представим кубит как электрон в магнитном поле. Его спин (вращение) может быть направлен или вдоль поля (состояние «спин-вверх»), или навстречу полю (состояние «спин-вниз»). Изменить состояние спина можно с помощью импульса энергии, например, лазера. Допустим, на это мы потратим 1 единицу энергии лазера. Но что если мы используем лишь 0,5 единицы энергии лазера и при этом полностью изолируем частицу от всех внешних влияний? Тогда по законам квантовой физики частица войдет в суперпозицию (наложение) состояний, в которой она ведет себя так, словно находится в обоих состояниях одновременно. Каждый из наших кубитов может находиться в суперпозиции как 0, так и 1. Отсюда число вычислений, которые может произвести КК, есть 2n, где п — количество использованных кубитов. КК из 500 кубитов будет иметь потенциал до 2500 параллельных вычислений за каждый шаг — это число неизмеримо больше числа атомов в известной Вселенной! Причем это будут истинно параллельные вычисления, а не много процессоров, работающих одновременно в современных компьютерах.

Но как эти частицы будут взаимодействовать? Через так называемое квантовое сцепление.

Частицы, которые в какой-то момент взаимодействовали, сохраняют определенную связь и могут быть сцеплены в пары в ходе процесса, называемого корреляцией. Знание состояния спина одной из сцепленных частиц (вверх или вниз) позволяет понять, что у второй частицы он противоположный. Но еще поразительнее то, что из-за феномена суперпозиции измеряемая частица до момента измерения не имеет четкого направления спина, а находится одновременно в состояниях «спин-вверх» и «спин-вниз». Состояние спина измеряемой частицы определяется в момент измерения и передается сцепленной частице, которая одновременно приобретает противоположное направление спина. Это реальный феномен (Эйнштейн назвал его «призрачное воздействие на расстоянии»), механизм которого пока не может объяснить ни одна теория — его просто следует принимать как факт. Квантовое сцепление позволяет кубитам, даже разведенным на огромное расстояние, мгновенно взаимодействовать, причем скорость процесса не лимитируется даже скоростью света. Независимо от расстояния, коррелированные частицы остаются сцепленными до тех пор, пока они изолированы.