И что это значит для будущего компьютеров.
Автор: Филипп Болл
Почему мир не имеет смысла? На фундаментальном уровне атомов и субатомных частиц, знакомая «классическая» физика, которая учитывает движение объектов, меняется на квантовую, с новыми правилами, которые бросают вызов интуиции. Традиционно их можно выразить в виде парадоксов: частицы, которые могут находиться в двух местах одновременно, коты, которые одновременно являются и живыми и мертвыми и обмениваются невозможными, быстрее чем скорость света сигналами между своими удалёнными частями. Однако квантовые законы на самом деле вполне логичны и последовательны: «парадоксы» являются результатом нашей попытки навязать им наши представления из классической физики.
Более того, в течение последних нескольких десятилетий мы пришли к пониманию, что классический и квантовый миры не совсем управляются «разными» правилами. Скорее, классический мир повторяет квантовый в понятной нам форме: можно сказать, что классическая физика — это квантовая физика, только в человеческом масштабе.
И все же, мы столкнулись с вопросом: почему квантовый мир существует в том виде, в котором он есть? Почему элементарные частицы следуют этому набору правил, а не какому-то другому? Обычно этот вопрос задаётся с подтекстом, подразумевается, что квантовые частицы другие, не ведут себя как бильярдные шары — твердые и понятные вещи. Но думать таким образом неверно. В декабре прошлого года я беседовал с румыно-британским физиком Санду Попеску из Бристольского университета Англии, который рассказал мне, что все может быть еще более странным, чем квант.
На самом деле, говорит Санду мы даже не до конца уверены, что эти вещи не могут быть гораздо более странными. Может быть, мы просто не обнаружили ещё эту дополнительную странность.
С энтузиазмом рисуя на своей белой доске, Санду объяснил, что этот гипотетический «супер-квантовый» мир появляется у исследователей перед глазами, и наталкивает нас на мысль, что теперь определяющей характеристикой квантовой теории является «нелокальность».
Все чаще это выглядит так, будто мы идём в изучении квантовой механики в неправильном направлении. Сначала мы считали, что энергия не является непрерывной и разделена на отдельные части (кванты). Тогда, считалось, что квантовые объекты можно описать как размытые, волнообразные математические сущности, называемые волновыми функциями. Затем появился вопрос, как все возможные состояния объекта, заключенного в капсулу волновой функции, кристаллизуются в одно состояние, которое мы измеряем с помощью инструментов классической физики. Однако в 1935 году Эйнштейн и двое его младших коллег случайно наткнулись на то, что выглядит как странное квантовое свойство всего, продемонстрировав, что, согласно квантовой механике, две частицы могут быть помещены в состояние, в котором наблюдение за одной из них немедленно сказывается на состоянии другой, даже если их разделяет несколько световых лет. Две такие частицы называются запутанными, и это мгновенное «действие на расстоянии» является примером квантовой нелокальности.
Эрвин Шредингер, открывший квантовую волновую функцию, сразу же отметил, что главной особенностью квантовой механики является то, что позже было названо «нелокальностью», её главным отличием от классической физики. Это не имеет смысла, и именно это раздосадовало Эйнштейна, который убедительно указал в специальной теории относительности, что ни один сигнал не может двигаться быстрее, чем свет. Как же тогда частицы связываются друг с другом?
Сегодня мы знаем, что подобная связь и нелокальность не нарушает теорию относительности. Хотя измерение здесь, похоже, мгновенно влияет на происходящее с частицами, вы не можете таким образом на самом деле отправить любой сигнал или информацию быстрее чем скорость света — потому что вы можете проверить эффект измерения в другом месте лишь путем классического обмена информацией. Вообще можно забыть эту причинно-следственную картину: вы можете считать эти частицы не двумя отдельными, но фактически одной нелокальной квантовой сущностью. В качестве альтернативы нелокальность можно рассматривать как признак того, что для свойств квантового объекта не обязательно, чтобы все его части находились в одном месте. Здесь нет классического аналога: нельзя сказать, что скорость или цвет теннисного мяча не является его свойством. Но это именно то, на что похож квантовый мир.
Квантовая нелокальность выглядит почти гениальной идеей, которая позволяет происходить событию в одном месте а его последствиям — в другом, не нарушая при этом теорию относительности. Но в конце 1990-х годов Санду задал любопытный вопрос: являются ли квантовые правила единственным способом сделать это? Когда он и физик Дэниел Рорлих внимательно изучили этот вопрос, они обнаружили, что это не так. Вполне возможно, что природа могла быть еще более нелокальна, при этом не нарушая теорию относительности. Если это так, то понимание того, почему квантовая нелокальность ограничена, может дать некоторые подсказки о том, откуда квантовая механика берет свое начало.
Что мы подразумеваем под понятием «более нелокальна?» Представим двух наблюдателей по имени Алиса и Боб, у каждого из которых в руках чёрный ящик, в который если кинуть монетку — появляется собачка или котик. Ящики принимают только четвертаки и десятицентовики, и предположим, что ящик Алисы устроен так, что десятицентовая всегда вызывает котика (технически подкованные читатели поймут аналогию с бинарными кодами и могли бы описать их более прозаично в виде ввода-вывода 1 и 0).
И здесь существует проблема. Возможно ли для этих чёрных ящиков получить следующий результат: если Алиса и Боб кладут по четвертаку — из ящиков появляются один котик и одна собачка, но любая другая комбинация монет даёт либо двух котиков либо двух собачек? Если вы просмотрите все варианты, учитывая ограничение, что десять центов у ящика Алисы всегда вызывают котика, вы обнаружите, что такой результат не может быть достигнут. В трёх вариантах из четырёх ящики не будут соответствовать нашему искомому результату. Лучшее, что вы можете получить, это показатель успеха 75%.
А что если ящики Алисы и Боба смогут сообщаться с помощью квантовой нелокальности? Теперь ящик Боба может мгновенно использовать некоторую информацию о том, что сделал ящик Алисы, чтобы переключить свой вариант. Возможно показать, что такие квантовые правила повышают вероятность искомого успеха до примерно 85% — не идеально, но уже лучше.
Можем ли мы получить 100% результат? Да, Попеску и Рорлих продемонстрировали что можем, если допустим, что ящики могут совершать ещё более нелокальный обмен информацией, чем позволяют правила квантовой механики. Это возможно, говорят они, не нарушая при этом теорию относительности. Эти супер-квантовые ящики стали известны как ящики Попеску-Рорлиха (PR-ящики).
Вопрос заключается не в том, почему законы природы не совсем «классические», а в том, почему они не ещё «более» квантовые.
Это повышение производительности, говорят они, сводится к эффективности обмена информацией между PR-ящиками. В целом, коммуникации очень неэффективны, поскольку они предполагают обмен большим количеством информации, которая на самом деле не фигурирует в окончательном ответе. Предположим, говорит Санду, что он и я хотим организовать встречу. Мы оба очень заняты, но мы решили сравнить наши ежедневники по телефону. Мы могли подобрать подходящую дату случайным образом, спрашивая друг друга: «Вы свободны 6-го июня?» и так далее. Но это может занять определённое время, если наши ежедневники очень насыщенны. Поэтому давайте мы попробуем найти ответ на простой вопрос: является ли количество возможных для встречи дней чётным или нечётным? (окей, это навряд ли нам поможет, но просто предположим, что мы хотели бы это узнать, в любом случае). Ответ — всего один бит информации: скажем, 0 для нечётного числа и 1 для чётного. Но единственный способ, при котором мы можем вычислить этот бит для меня — это получить список каждого дня в году, когда Санду свободен, для того, чтобы сравнить его с моим.
Квантовая нелокальность может уменьшить часть этой избыточной информации, но не всю. Однако если у нас есть PR-ящики, они могут избавиться от всей этой бесполезной информации. Ответ может быть получен, если мы введём в наши PR-ящики соответствующие нам ежедневники и дадим им возможность обменяться всего одним битом информации. Для некоторых типов информации вроде этой существует чёткая граница между тем, что может быть сделано в квантовой механике и тем, что возможно с помощью супер-квантовых PR-ящиков.
Так что PR-ящики свидетельствуют нам о том, что квантовая нелокальность на самом деле является мерой эффективности, с которой различные системы могут общаться и обмениваться информацией. Другими словами, квантовая механика представляет собой набор правил, с которыми некоторые результаты совместного использования и обработки информации возможны, в то время как некоторые — нет (как в примере с Алисой и Бобом и достижением 100% результата).
С учетом их супер-эффективности, PR-ящики могли бы производить вычисления даже быстрее, чем квантовые компьютеры. Могли бы они существовать? Конечно, мир выглядит «квантомеханически» а не «суперквантово», но он также долгое время выглядел согласно «классическим» законам физики, до тех пор пока мы не обнаружили как способ определить квантовую нелокальность. Быть может, мы просто ещё не смогли обнаружить ещё более значительную нелокальность, которая существует в реальном мире?
Но даже если квантовая нелокальность — лучшее, на что мы можем рассчитывать, PR-ящики могут дать нам подсказки, почему дело обстоит так, а не иначе. Вопрос заключается не в том, почему законы природы не совсем «классические», но в том, почему они не ещё «более» квантовые. Мы должны искать ответы не удивляясь почему, скажем, объекты можно описать с помощью волновых функций (или что такое волновая функция), но пытаясь дать ответ на более фундаментальный вопрос — как информация может быть передана? Какой наиболее эффективный способ коммуникации может быть в природе? Что ограничивает способность квантовой нелокальности к более эффективному обмену информацией?
Все это согласуется с растущим убеждением среди многих физиков, что квантовая механика — это корень теории не крошечных частиц, но информации. Речь идет о том, как глубоко мы можем познать мир наблюдая за ним, и насколько это зависит от незаметных, невидимых связей между «здесь» и «там».
Филипп Болл — писатель, проживающий в Лондоне. Его работы публиковались в таких изданиях как Nature, The New York Times и Chemistry World. Он является автором книги “Критическая масса: как одна вещь приводит к другой” (“Critical Mass: How One Thing Leads to Another”).
Оригинал: The Atlantic