Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

Однако существуют проблемы, которые невозможно решить даже с помощью самых мощных классических компьютеров будущего. Прелесть квантовых компьютеров в том, что скорость обработки ими данных возрастает экспоненциально с ростом количества кубитов. Рассмотрим информационное содержание трех неквантовых переключателей. Каждый может представлять собой либо 0, либо 1, так что в результате возможно восемь различных комбинаций: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Однако три запутанных кубита дают нам возможность сохранять сразу все восемь комбинаций. Каждая из трех цифр одновременно представляет собой и 0, и 1. На классическом компьютере количество информации экспоненциально растет с увеличением количества битов. Поэтому N битов означает 2N различных состояний. Квантовый компьютер с N кубитами использует все 2N состояний сразу – уровень параллельной обработки, которого классический компьютер просто не способен достичь.

Квантовые компьютеры будут когда-нибудь использоваться для решения задач в широком диапазоне дисциплин – в математике, химии, медицине и в создании искусственного интеллекта. Химики с нетерпением ждут, когда можно будет использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных химических реакций. В 2016 году Google разработала примитивное квантовое устройство, с помощью которого удалось впервые смоделировать молекулу водорода, а после этого IBM удалось исследовать поведение более сложных молекул. Кажется логичным, что для понимания квантового мира нужно пользоваться квантовым моделированием. В конце концов, рыбак рыбака видит издалека. Исследователи надеются, что квантовое моделирование позволит создавать синтетические молекулы и разрабатывать новые лекарства. В сельском хозяйстве химики могли бы пользоваться квантовыми компьютерами для получения новых катализаторов для удобрений, которые дадут возможность уменьшить выбросы парниковых газов и усовершенствовать производство пищевых продуктов.

В области искусственного интеллекта квантовые компьютеры резко ускорят решение комплексных проблем оптимизации в машинном обучении. Это совершенно необходимо в целом ряде промышленных отраслей, где ключевой задачей является увеличение производительности и эффективности труда. В этом случае квантовые компьютеры революционизируют область системного проектирования, способствуя рационализации производства и сокращению отходов. В ближайшем будущем квантовые инженеры станут специалистами во многих областях – от квантовой механики и электроники до системного проектирования, искусственного интеллекта и вычислительной техники.

И самым интересным для меня лично (надеюсь, я до этого доживу) представляется то, что к середине XXI века квантовые компьютеры могут научиться управлять программами искусственного интеллекта, которые наконец позволят получить ответы на важнейшие вопросы фундаментальной физики. Именно они, а не люди, возможно, совершат главный прорыв.

Есть еще одна причина, по которой я выбрал в качестве примера технологии будущего именно квантовые компьютеры. Ряд физиков-теоретиков считают квантовую вычислительную технику своей последней надеждой. Причина в том, что квантовый компьютер по самой своей природе подходит для моделирования квантового мира и способен даже помочь определить, какая теория квантовой гравитации является верной.

Я надеюсь, что эта книга позволит вам почувствовать значимость физики в прошлом, настоящем и будущем. Последнюю главу я решил посвятить тому, что физики и вообще любые специалисты в точных науках думают о мире, и тому, как мы его познаем. Другими словами, как работает эта громадная система – наука, как получают знания и почему мы должны в науку верить.

Глава 10. Думай как физик

О честности и сомнении

Хочу поделиться с вами одной интересной историей. В 2017 году на студии Би-би-си я должен был представить документальный фильм под названием «Гравитация и я». Фильм о том, как развивалось в истории наше понимание этого фундаментального явления – гравитации, формирующего наш мир, от ньютоновской силы до структуры самого пространства-времени. Еще более увлекательным этот проект сделало то, что мы разработали приложение к смартфону для регулярного определения местоположения пользователей путем регистрации их GPS-координат (долготы, широты и высоты над уровнем моря). Приложение использует эту информацию, чтобы рассчитать скорость, с которой идет время для данного пользователя. Согласно общей теории относительности скорость течения времени зависит от силы гравитационного поля в данном месте. Человек, стоящий на вершине горы, находится дальше от центра Земли, чем человек, находящийся на уровне моря, так что первый ощущает гравитационное притяжение чуть слабее, чем последний. Это означает, что время на вершине горы бежит чуть быстрее, чем на уровне моря. Эффект совершенно ничтожный: за каждую секунду на уровне моря время на горе увеличивается менее чем на триллионную часть секунды. Таким образом, даже если вы проведете всю жизнь на вершине горы, при прочих равных условиях (что невозможно) вы проживете всего на одну миллисекунду меньше, чем если бы вы жили на уровне моря, – так, во всяком случае, покажут очень точные, но в целом совершенно бесполезные часы, дрейфующие вместе с космическим кораблем. В сравнении с плюсами чистейшего воздуха, здоровой диеты или регулярных физических упражнений это преимущество выглядит несколько странным. Но все равно физический эффект совершенно реален, а разработка приложения оказалась сплошным удовольствием.

Чтобы создать это приложение, нам пришлось учесть еще один фактор. Как я уже упоминал в главе 3, часы, движущиеся в пространстве, идут медленнее, чем остающиеся неподвижными. Таким образом, двигаясь, вы замедлите для себя течение времени по сравнению с человеком, пребывающим в статическом положении. Этот эффект еще слабее, чем связанный с гравитацией, поскольку обычно мы не развиваем скорость, хоть сколько-нибудь близкую к скорости света, а именно в этом случае данный эффект становится существенным. Тем не менее приложение способно учитывать передвижение пользователя, и если местоположение меняется достаточно существенно, приложение может рассчитать, с какой скоростью он двигался.

А теперь – самое важное. Наша планета не имеет форму правильного шара, она сплюснута у полюсов. Таким образом, если вы стоите на экваторе, то находитесь дальше от центра Земли, чем где-нибудь на Северном полюсе (примерно на 22 километра); следовательно, вы должны ощущать притяжение чуть слабее, как человек на горе. Поэтому часы на полюсе, где притяжение сильнее, должны тикать чуть медленнее, чем на экваторе (это называется дилатацией времени согласно общей теории относительности). Однако, помимо этого, Земля еще и вертится, и часы на экваторе вместе с планетой движутся быстрее, чем на полюсе (по показаниям наших объективных часов, парящих в космосе). Поэтому на экваторе ход времени должен быть медленнее, чем на полюсе (дилатация времени согласно специальной теории относительности). Эти два эффекта, один, объясняемый общей теорией относительности, а