Глава 12. Стрелы небесных громовержцев

Я утверждаю, что, хотя сигналы нейронов и могут вести себя как детерминированные в классическом смысле события, управление синаптическими связями между нейронами происходит на более глубоком уровне, то есть там, где можно ожидать наличия существенной физической активности на границе между квантовыми и классическими процессами. Выдвигаемые мною специфические предположения требуют возникновения внутри микроканальцев цитоскелета нейронов макроскопического квантовокогерентного поведения… Иначе говоря, я полагаю, что упомянутая квантовая активность должна быть неким невычислимым образом связана с поддающимся вычислению процессом, который имеет место внутри этих самых микроканальцев.

Р. Пенроуз.

Тени разума. В поисках науки о сознании

Одной из самых больших проблем современной кибернетики является поиск алгоритмов искусственного интеллекта. Пока еще результаты здесь более чем скромные. Ведь несмотря на то, что компьютеры обыгрывают гроссмейстеров в шахматы, управляют космическими аппаратами и контролируют многие стороны жизни человека, они ни на шаг не приблизились к тайне разума.

В свое время воодушевленные первыми успехами робототехники философы-футуристы предрекали, что еще в конце прошлого века все вокруг заполнят «искины» – андроиды с искусственным интеллектом (ИИ), мало отличимые от людей. Все это прекрасно изобразил Филипп Дик в культовом романе «Бегущий по лезвию бритвы».

Некоторые кибернетики считают, что создание ИИ – дело далекого будущего, и, чтобы с конвейера сошел первый искин, надо полностью разобраться с принципами нашего собственного мышления. Здесь все чаще возникают мысли о квантовой природе мышления. Например, видный теоретик Роджер Пенроуз посвятил данному вопросу свои книги «Новый ум короля» и «Тени разума. В поисках науки о сознании».

В предыдущем разделе мы увидели, что в квантовом мире мы можем получить довольно неожиданные ответы на подобные вопросы, ведь квантовая телепортация осуществляется за счет разделения информации на «квантовую часть» и «классическую». Для передачи «квантовой части» используется вышеописанное квантовое запутывание частиц, а для передачи классической информации годится любой обычный канал связи. Например, если бы игральные кости были запутанными, как квантовые частицы, то каждая пара показывала бы одинаковый результат, даже если бы их бросали на разных концах нашей Галактики или даже в разное время.

Мы уже говорили, что состояния характеризуются степенью запутанности, например, существует максимально запутанное состояние данной системы. Для количественной характеристики вводят понятие меры запутанности. Исходные объекты, находящиеся в минимально запутанных состояниях, можно с сохранением общего количества запутанности преобразовывать в меньшее число объектов, которые находятся в максимально запутанных состояниях. Принято различать чистые запутанные состояния, которые содержат только квантовые корреляции, и смешанные запутанные состояния, которые могут включать в себя наряду с квантовыми и классические корреляции.

Базовый ресурс квантовой теории информации – квантовые биты, или кубиты. Подобно биту кубит – абстрактный квантовый объект, не связанный с принципами квантовой механики. Биты можно представлять как намагниченные участки на дисках ЭВМ, напряжения в схемах или графитовые метки, сделанные карандашом на бумаге. Как и в случае бита, свойства кубита не зависят от его физической реализации, скажем, в виде спина атомного ядра или в виде поляризации фотона.

Как и классический бит, кубит олицетворяет единицу или ноль. Однако в квантовой механике любому объекту непременно свойствен диапазон суперпозиций, содержащих в разной степени оба исходных состояния. Поэтому значения кубита как бы соответствуют точкам на поверхности сферы, а наличие набора состояний между 0 и 1 составляет особенность многих необычных свойств квантовой информации.

Сколько классической информации мы можем сохранить в кубите? Казалось бы, бесконечное количество. Чтобы задать квантовое состояние, мы должны указать широту и долготу соответствующей точки на сфере в принципе с произвольно большой точностью. Эти числа можно записать в виде длинной строчки битов. Однако, хотя в одном кубите можно закодировать бесконечное количество классической информации, извлечь ее обратно нельзя. Определение состояния кубита с помощью обычного прямого измерения даст в результате либо 0, либо 1 с вероятностью, зависящей от широты исходного состояния. Таким образом, при любом способе измерения прочесть можно один-единственный бит.

Совершенно по-иному ведет себя квантовая информация, ведь когда два кубита сцеплены между собой, они лишены индивидуальных квантовых состояний. Вместо этого появляется зависимость между ними. Например, для одного типа максимально сцепленной пары кубиты при измерении дают противоположные результаты. Если один дает 0, то другой – 1, и наоборот. Так максимально запутанная пара микрочастиц несет один кубит сцепленности. Используя увеличение и уменьшение степени запутанности, можно создать воображаемую систему весов для измерения количества запутанности в стандартных кубитах.

Измерение квантовой информации

В микромире информация может измеряться с помощью особых единиц – квантовых битов – кубитов, которые имеют большое количество возможных состояний. Эти состояния можно представить стрелкой, указывающей на точку сферы. Северный полюс сферы эквивалентен 1, а южный – 0. Другие положения соответствуют квантовым суперпозициям 0 и 1. В общем, это стандартное представление для бита информации, имеющего единичное или нулевое значение, но с учетом вероятностного характера взаимодействующих квантовых подсистем.

Представим, что у отправителя есть частица, находящаяся в произвольном квантовом состоянии, и он хочет передать это квантовое состояние получателю, т. е. сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица в том же самом состоянии.

Иными словами, необходимо передать информацию с максимальной точностью. Для этого отправитель и получатель договариваются заранее о создании пары квантово-запутанных частиц, одна из которых попадет отправителю, а другая – получателю. Поскольку эти частицы запутаны, то каждая из них не обладает своей волновой функцией, но вся пара целиком описывается единой волновой функцией. Когда отправитель совершает какие-либо действия, волновая функция всей системы частиц коллапсирует в некое новое состояние, и мгновенно запутанная частица у получателя также коллапсирует в некоторое определенное состояние. Именно в этот момент происходит передача «квантовой части» информации. Отметим, что объем передаваемой при этом информации равен объему информации, запасенной в исходном состоянии, и может быть сколь угодно большим. Однако восстановить передаваемую информацию пока невозможно: получатель знает, что состояние его частицы как-то связано с состоянием частицы отправителя, но не знает, как именно!

Для выяснения этого необходимо, чтобы отправитель сообщил получателю по обычному каналу связи результат своего измерения. Имея данную информацию, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием своей частицы и восстановить исходное состояние частицы отправителя. Итак, полная передача информации осуществится только после того, как получатель будет обладать данными, полученными по обоим каналам.

На основе теории квантовой информации возникла принципиально новая технологическая наука квантовая информатика, включающая специальные знания из математики, физики и инженерной кибернетики. Ее задачи состоят в исследовании и техническом применении фундаментальных квантовых закономерностей запутанных состояний, декогеренции и редукции волновой функции.

Кроме квантовых линий связи и квантовой криптографии возникла еще одна удивительная отрасль квантовой информатики – квантовый компьютинг. Так в интенсивно разрабатываемых сейчас квантовых компьютерах запутанность также является основным рабочим ресурсом.

В отличие от обычного компьютера, регистры памяти которого могут принимать лишь два возможных значения (например, ноль и единица) и содержат классический бит информации, квантовый компьютер использует кубиты. За счет суперпозиции состояний кубитов возможности квантовых компьютеров намного превышают возможности обычных электронно-вычислительных машин.

Автором идеи квантового компьютера явился выдающийся физик прошлого века Ричард Фейнман. В 1958 году, моделируя на компьютере квантовые процессы, он понял, что для решения многочастичных квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен. Все квантовые задачи, которые сейчас рассчитываются на классических компьютерах, – очень грубые приближения.

Фейнман высказал мысль о том, что квантовые задачи должен решать квантовый компьютер: природе задачи должен соответствовать способ ее решения. В своей знаменитой статье «Моделирование физики на компьютерах», опубликованной в Международном журнале теоретической физики, он убедительно доказал, что для решения задач, предметом рассмотрения которых являются квантовые объекты и их взаимодействия, обычные компьютеры не годятся. По мнению Фейнмана, с задачами такого класса, требующими огромного объема вычислений, могут справиться принципиально другие вычислительные устройства, использующие квантовую логику и квантовые способы вычисления. Но настоящий бум начался в середине девяностых годов прошлого века, когда американский математик Шор переложил для квантового компьютера алгоритм вычисления простых множителей больших чисел.

Первые прообразы квантовых вычислительных систем обычно связывают с приборами, использующими принцип ядерного магнитного резонанса – ЯМР-спектрометрами. Это явление, связанное с переориентацией магнитных моментов атомных ядер во внешнем магнитном поле, сегодня активно используется физиками, химиками, биологами и врачами в разного рода анализаторах и томографах, позволяющих заглянуть внутрь самых разнообразных устройств, материалов и живых объектов.

Другой подход основан на использовании ионных ловушек в виде «подвешенных» в вакууме ионов. У каждого иона берутся два уровня энергии, составляющих один кубит квантовой информации; между собой эти ионы связаны через колебания внутри одномерного кристалла, который имеет набор резонансных частот. Однако создание таких ионных цепочек, квазикристаллов, сталкивается с большими практическими трудностями, и количество звеньев пока еще ограничено десятками ионов.

Существует и третий подход – квантовый компьютер на твердом теле. Это могут быть сверхпроводники или квантовый компьютер точно на том кремнии, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. Роль кубитов здесь выполняют ядерные спины атомов обычной примеси, помещенной в кристалл кремния. Их электронные облака перекрываются между собой, и атомы могут обмениваться состояниями: один атом «управляет» электронами другого, тем самым осуществляется взаимодействие ядер удаленных атомов примеси. Над атомами примеси устанавливают крошечные электроды и, регулируя величину текущего по ним тока, изменяют магнитное поле, а как следствие – частоту вращения спина атомного ядра.

Эволюция электронно-вычислительной техники

Еще одно направление – сверхпроводниковый квантовый компьютер. Несмотря на имеющиеся достижения в реализации отдельного кубита, в таком квантовом компьютере также имеется ряд недостатков. Они связаны с необходимостью жесткого контроля за изготовлением так называемых сквидов – сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов. Технология сквидов позволяет достаточно легко построить квантовый кубит. Основные трудности возникают при попытке соединить несколько таких кубитов, ведь лучшим достижением в этой области пока считается управление взаимодействием всего десятком кубитов.

Совершенно неожиданное применение нашла квантовая информатика в криптографии – искусстве создания и расшифровки разнообразных кодов. Основная трудность, с которой сталкиваются современные шифровальщики, состоит в обеспечении такого обмена шифровальными ключами между отправителем и получателем, при котором никто не может скопировать их. Наступление эры квантовой информатики и, в частности, появление квантовых компьютеров, способных быстро производить невероятно трудное разложение числовых шифровальных кодов на простые множители, ознаменует крах многих криптографических схем. Но тут квантовая информатика преподнесла второй сюрприз, ознаменовавший возникновение еще одной научной отрасли знания – квантовой криптографии. Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания системы глобальной секретности.

Некоторые ученые полагают, что мечта о появлении квантовых компьютеров сможет осуществиться лишь при определенных прорывах в физике и технике эксперимента, когда квантовый мир станет более понятным людям. Однако вне зависимости от того, будет построен квантовый компьютер или нет, квантовые вычисления уже заняли свое место в информатике и математике, а опыт работы с отдельными атомами существенно обогатил возможности экспериментальной физики, химии и инженерии. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что будущее компьютерной техники тесно связано с квантовой физикой. И наиболее перспективными направлениями ее развития на данный момент считается создание квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой механики.

На примере истории квантовой информатики мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь – о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.