В чем интрига с квантовым компьютером?

А так же краткий и очень неформальный курс квантовой физики

Квантовая физика это такой свод законов, который действует для очень-очень маленьких объектов.

Если взять волос и разделить пополам, а потом половину снова пополам, и так далее примерно 50 раз, то получится кусочек вещества для которого проявляются квантовые законы. Для сравнения, бактерия больше этого кусочка вещества примерно в 10000 раз.

На таких масштабах вещество состоит из “кирпичиков”, называемых элементарными частицами.

По настоящему элементарных частиц открыто чуть менее пары десятков. Причем “в быту” из них встречается всего четыре:

• электрон - носитель электрического заряда. Также присутствует в атомах любого вещества.
• нижний и верхний кварки - из них состоят протоны и нейтроны, а также ядра всех элементов таблицы Менделеева,
• и фотон — это свет, радиоволны, и другие виды излучения.

Остальные элементарные частицы наблюдаются только в очень экзотических ситуациях. Например, в Большом Адронном Коллайдере или при столкновениях крупных космических объектов. Или никогда.

Элементарные частицы также называют квантами. Отсюда и название — квантовая физика.

Это довольно просто. Все привычные нам объекты — составные. Они состоят из множества элементарных частиц.

Это очень упрощает обращение с ними. Для того чтобы понять как выглядит, скажем мячик, нужно поместить его в светлое место и посмотреть на него глазами.

С точки зрения физики “посмотреть глазами” означает зафиксировать фоторецепторами глаза многочисленные фотоны света, отраженные от поверхности мячика.

Фотоны отскакивают от поверхности в разные стороны, а мячик остается на прежнем месте в том же состоянии. Мы можем смотреть на мячик долго и с разных сторон и видеть один и тот же неизменный объект.

С электроном так не получится, поскольку поверхности у него нет, а размера он примерно такого же что и фотоны, из которых состоит свет. При столкновении с первым же фотоном, электрон “отскочит в сторону”. Со вторым — еще раз, и так далее.

Это словно бросать кирпичом в железное ведро в темной комнате и пытаться угадать по звуку какой формы и размера это ведро, где находится и куда движется.

И так, мы не сможем увидеть одиночный электрон при помощи отраженных от него фотонов.

Есть и хорошая новость. Если мячики все немного разные, то все электроны абсолютно одинаковые. Настолько одинаковые, что один никогда нельзя отличить от другого если они перемешались.

Поэтому, светя фотонами сразу на много одинаковых электронов, мы вправе ожидать, что каждый из них взаимодействует со светом одинаково.

Так обычно и делается. Любой квантовый эксперимент всегда подразумевает помещение большого числа одинаковых элементарных частиц в одинаковые условия.

Вместо того чтобы много раз взаимодействовать с одним объектом, мы взаимодействуем с большим числом одинаковых.

В этом и есть отличие квантовой физики от физики больших предметов. Результат любого квантового измерения — это всегда среднее из большого числа событий с разными объектами, а не с одним.

В связи этим, мы никогда не знаем как именно ведет себя один электрон. Но знаем как ведет себя популяция из довольно большого их числа.

Примерно 120 лет назад атом представляли как аналог Солнечной системы: в центре массивное ядро-солнце, а вокруг вращаются планеты-электроны. Некоторые люди и сейчас так себе представляют атом. Это ошибочное представление. Его даже на детских картинках так больше не рисуют.

Опыты Эрнеста Резерфорда, а также последующие опыты по рассеянию на атомах открыли совершенно другую картину.

Электроны легче ядер атомов и локализуются в большей области, чем ядро. Грубо говоря, электрон находящийся в атоме, по размерам намного больше ядра.

Электроны находятся вокруг атома, но при этом они как бы “лежат” там неподвижно. Если электрон всего один, то он лежит в самом нижнем состоянии поближе к ядру и “вокруг” ядра. Когда добавляется еще один электрон, то он не может занять место, занятое первым, и “лежит” вокруг ядра и первого электрона.

В целом, то как химики обычно изображают атомы и молекулы -- намного ближе к реальности, чем "Солнечная система".

Интересно, что состояние атома полностью описывается всего лишь четырьмя целыми числами.

Не углубляясь в подробности о них, скажу только что эти четыре числа полностью объясняют поведение электронов относительно ядра атома. Других параметров состояния в атоме нет. Иначе они потребовались бы для объяснения его поведения. А они оказались не нужны.

Это крайне важный и удивительный факт: в атоме записано очень мало информации. Сколько? Всего пара байт информации могут на 100% точно записать значительную часть “будничных” состояний атома.

Солнце-ядро с планетами-электронами потребует намного больше байт даже для приблизительного описания. Сколько?

Давайте посчитаем. Сколько байт нужно для того чтобы записать число Пи? У числа Пи бесконечное количество знаков. Значит и байт для его точной записи нужно бесконечно много.

Так и любая “планетарная” модель атома потребовала бы бесконечного количества байт для точной записи параметров орбит электронов.

Стало быть, квантовый атом бесконечно проще “обычного планетарного”. Разве это не прекрасно?

Это тот момент, который всегда вызывает смущение и рождает различные интерпретации.

С точки зрения математики квантовые системы очень хорошо описываются если допустить, что их отдельные состояния можно перемешивать. Как бы делать из них коктейль с некоторыми пропорциями смешивания ингредиентов. Этот коктейль и называется “суперпозицией состояний”.

Если говорить буквально, то это означает, что электрон может на 33% быть в Нью Йорке и еще на 67% в Лос Анджелесе. И все это одновременно. Или можно сказать более аккуратно: мы не знаем где он, но на 33% уверены что там и на 67% что сям.

Казалось бы, что в этом такого? Многие люди не знают где находится их супруг(а) и могут лишь оценить вероятности найти его(ее) в разных местах.

Основная проблема с электронами в том, что и движутся они так, как будто бы размазаны по пространству, и только при измерении обнаруживаются в одном конкретном месте. Люди (и другие крупные объекты), в отличие от электронов, движутся так, что в каждый момент времени все таки находятся в каком-то одном каком-то месте, даже если мы не знаем где именно.

Это трудно объяснить словами, но по математике (которая прекрасно работает) это очень хорошо видно. Предположим, что перед электроном две двери, ведущие в одну комнату. Измерения, проведенные в комнате, отчетливо показывают, что электрон прошел через обе двери одновременно, а не через одну из них.

Пребывание одного объекта в нескольких состояниях смущает не только вас. Один из первых публичных споров на эту тему имел место между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором около 100 лет назад.

За 100 последних лет в этом споре поучаствовало много умных людей. В тот первый раз выиграл Нильс Бор, который смог более убедительно доказать что так можно.

Чтобы объяснить поведение квантовых частиц было придумано с десяток интерпретаций ни одна из которых не выглядит просто и понятно. Это видно даже из их названий некоторых из них:

• теория мульти-вселенных
• теория волны-пилота
• теория коллапса волновой функции

Также весьма популярен среди квантовых физиков подход «заткнись и считай». Он состоит в том, чтобы довериться математике, которая отлично описывает результаты измерений, и не пытаться увидеть за ней что-то еще.

Опознать адепта «заткнись и считай» очень легко. В ответ на вопрос «что такое квантовая физика?» он расскажет вам про волновую функцию, распределения вероятностей, уравнения и операторы.

Смешанные состояния неприятны тем, что в них атом больше не описывается четырьмя целыми числами. Нужны еще пропорции смешивания этих состояний. Те самые 33% Нью Йорка и 67% Лос Анджелеса.

Это нецелые числа. Для их хранения требуется бесконечное число байт, что делает простой атом довольно сложной штукой.

Можно грустить об этом, но находчивые физики придумали как этим воспользоваться. Одного из них звали Питер Шор. Он всего каких-то 30 лет назад придумал «квантовый алгоритм Шора».

Смысл его такой. Раз атом хранит в себе бесконечное количество информации, значит при взаимодействии атомов производится бесконечное число математических операций.

Уравнения квантовой физики дают возможность воспользоваться этой мощью не напрямую, но опосредованно. Для некоторых задач, маленький квантовый компьютер, должен быть радикально мощнее, чем огромный обычный компьютер.

На практике этого сделать пока не удалось. Когда физики пытаются построить квантовый компьютер достаточного размера, его квантовое состояние самопроизвольно разрушается. Это явление назвали ”квантовой декогерентностью”, что бы это слово не значило.

Людям несвязанным с квантовой физикой остается либо ждать победы над «квантовой декогерентностью», либо нового достаточно простого объяснения смысла «суперпозиции».

Бюджету это обойдется дорого в любом случае.

Забавно то, что вся история с квантовыми компьютерами основана на интерпретации квантовой механики.

Вариант 1: Если один атом и правда обладает бесконечной вычислительной мощностью, то квантовый компьютер рано или поздно удастся построить.

Вариант 2: Если на самом деле атом -- простая система, то квантовый компьютер никогда не будет создан. Бесконечная вычислительная мощность атома вполне может оказаться всего лишь особенностью математики, которую мы к нему применяем.

Квантовая декогерентность не дает создать квантовый компьютер последние лет двадцать. В варианте 1 ее в итоге смогут обойти, а в варианте 2 она будет и всегда не давать это сделать по фундаментальным причинам.

Лично я за второй вариант. Элементарные частицы просто обязаны быть простыми сущностями. Плохая новость в этом случае будет в том, что мы останемся без квантовых компьютеров.

А хорошая новость была бы в том, что нас ждет Новая Квантовая Теория, которая все это безобразие сможет достаточно просто объяснить. И может быть много чего еще позволит интересного делать: Левитация? Межзвездные перелеты? Новые способы добывать энегрию? Все не исключено.

Мне, как человеку, давно ушедшему из теоретической физики по причине ее смерти (или “конца истории” если угодно), это будет приятно.