БУМАЖНЫй НОМЕР
![]() |
01.09.2001
Ксения Журавлева
Лет
семьдесят назад, когда еще только закладывались основы квантовой физики, Нильс
Бор отпустил одно весьма характерное замечание: «Всякий, кто не был шокирован
квантовой теорией, просто ее не понял».
Законы микромира так разительно отличаются от законов классической физики, описывающих более понятный нам макромир, что даже прошедшие с тех пор десятилетия не помогли квантовым эффектам сделаться чем-то близким человеку, понятным на уровне массового сознания. Правда, стремительное развитие технологий все ближе подводит нас к практическому применению в повседневной жизни странных квантовых законов, согласно которым атом одновременно является частицей и волной, а всякий объект микромира способен пребывать сразу во множестве, казалось бы, «взаимоисключающих» состояний.
Устроенный в июле этого года в Мичиганском университете междисциплинарный научный форум под громким названием «Первый симпозиум по квантовым приложениям» стал если и не крупным событием, то наверняка примечательной вехой в истории науки. Прежде всего, по той причине, что отчетливо зафиксировал, что на рубеже XX и XXI веков человечество вступило на путь практического использования квантовой теории. Полутора десяткам именитых докладчиков удалось охватить весьма широкий ряд уже сейчас хорошо просматривающихся приложений, включая квантовые информационные технологии (квантовые компьютеры, квантовую криптографию и коммуникации), квантовые сенсорные устройства, биохимию, нанотехнологию, а также другие, менее ясные области, такие как, например, квантовые аспекты работы сознания. Главная тема докладов и последовавших обсуждений - какое воздействие на жизнь человечества могут оказать квантовые приложения в течение ближайших 10-50 лет.
Поскольку на мичиганскую конференцию собрались единомышленники, там вполне отчетливо и однозначно прозвучала идея, согласно которой квантовые приложения станут доминирующим направлением в развитии технологий XXI века. Вывод, безусловно, очень смелый, а потому для обзора нынешнего состояния дел в этой области имеет смысл опереться на самые интересные доклады, прозвучавшие или заявленные на симпозиуме, благо они дают представление практически обо всех важнейших направлениях работ, ведущихся в сфере квантовых технологий и приложений.
Машины, логика и квантовая физика
Примерно половина всех выступлений была посвящена квантовым вычислениям и
квантовым компьютерам. Концептуально наиболее масштабным и глубоким, вероятно,
можно считать доклад «Машины, логика и квантовая физика», сделанный Артуром
Экертом (Artur Ekert),
профессором физики в Оксфорде и главой
оксфордского
Центра квантовых вычислений.
Все мы видим, как по мере развития компьютеры прибавляют в скорости и одновременно теряют в размерах. Чтобы и дальше становиться все меньше и меньше, подчеркивает Экерт, компьютеры просто по необходимости обязаны на каком-то этапе миниатюризации начать опираться на квантовые технологии - либо лишь для дополнения традиционных методов и приемов, либо же для полной замены нынешних вычислительных технологий. Квантовая физика открывает двери не просто для более миниатюрных и быстродействующих микропроцессоров. Она ведет к принципиально иным способам вычислений, которые не могут быть реализованы в нынешних компьютерах.
Возможно, самое удивительное в квантовых вычислениях то, что идея их развивалась на редкость неторопливо. Еще в 1920-е годы физики обнаружили, что мир субатомных частиц - это совершенно иное царство. Однако понадобилось еще полвека, чтобы ученые начали задумываться: а нельзя ли применять необычные квантовые эффекты для вычислений? Можно ли субатомные частицы использовать для хранения информации? Можно ли из них делать логические элементы? Ведь, к примеру, электрон можно уподобить крошечному магниту, вращающемуся вокруг собственной оси. Магнитный момент электрона может указывать в одном из двух направлений - «вверх» или «вниз». Таким образом, спин электрона оказывается квантованным: у него имеется лишь два состояния, которые можно обозначить как 0 и 1, получив биты, аналогичные используемым в обычном процессоре. И эти биты тоже можно переключать, то есть изменять состояние «вниз» (0) на состояние «вверх» (1), просто прикладывая к квантовой системе немного энергии.
Но предположим, что энергии приложили несколько меньше, чем требуется для «переключения». Тем не менее, спин электрона опять будет квантованным - однако с небольшим, но весьма существенным отличием. Согласно правилам квантовой механики, вероятность наблюдения спина в том или ином положении изменится благодаря качественно новому состоянию, не имеющему аналогов в обычных, неквантовых законах физики и именуемому суперпозицией двух состояний спина. Это некое комбинированное состояние, когда спин, скажем, на 60 процентов направлен «вверх» и на 40 процентов «вниз». То есть частица находится одновременно в обоих состояниях, обладающих определенными вероятностями, до тех пор пока не произведено измерение. Сам акт измерения, или «наблюдения», заставляет частицу однозначно выбрать одно из двух возможных состояний. В 1970-80-е годы физики и компьютерные ученые показали, что находящиеся в состоянии суперпозиции частицы могут функционировать в качестве «квантовых бит», или «кубит», к которым можно применять стандартные логические операции И, ИЛИ и НЕ. Но квантовые биты теоретически допускали и совсем иные манипуляции, для классических систем представляющиеся «сверхъестественными» и практически недостижимыми.
Поскольку электрон (атом, ион и т. д.) может пребывать в двух состояниях сразу, то набор таких кубит, определенным образом друг с другом сцепленных, - это уже не обычный компьютерный регистр, это нечто совершенно новое. Здесь вычисления осуществляются уже не последовательно, а выполняются, в некотором смысле, все сразу и одновременно. Имея, скажем, 512 частиц, в принципе можно создать квантовую систему, являющуюся суперпозицией всех 2512 возможных ее состояний. Применительно к данной системе квантовая операция, например импульс радиоволн, выполняющий наложение отрицания на 132-й и 133-й кубиты, будет воздействовать одновременно на все 2512 состояний. Таким образом, всего за один такт работы квантовая операция могла бы выполняться не с одним состоянием машины (как в обычных компьютерах), а сразу со всеми. В соответствии же с законами квантовой физики акт измерения системы приводит к ее коллапсу в единственное состояние, соответствующее единственному ответу. И если алгоритм применения операций был составлен правильно, это будет единственно правильный ответ…
Естественным следствием данной концепции является то, что квантовые компьютеры могут работать в миллиарды раз быстрее компьютеров классических, и им вполне по силам оказываются такие задачи, к которым с обычными компьютерами просто не подступиться. Более того, как подчеркнул в докладе Экерт, уже достигнутые успехи в теории квантовых вычислений разрушают фундаментальные философские аргументы, закладывавшиеся еще во времена Платона. По сути дела, показано, что принципы логики и математики существуют лишь в тесном увязывании с физической реальностью. Другими словами, правила логики и математики зависят от законов физики, которыми руководствуется исследователь. Это означает, что по мере того, как мы все больше узнаем о физике квантовых феноменов, мы обретаем и новые пути в развитии логики и математики. Это, в свою очередь, открывает и новые пути для вычислений. Наиболее наглядно это демонстрируют открытые в 1990-х годах весьма эффектные алгоритмы для квантовых компьютеров.
В 1994 году американский математик Питер Шор (Peter W. Shor), предложил квантовый алгоритм факторизации, позволяющий раскладывать большие числа на простые множители почти с такой же эффективностью, какая свойственна перемножению чисел. Здесь надо напомнить, что для классического компьютера сложность задач перемножения и факторизации отличается радикальным образом, на чем и построена стойкость RSA, известной криптосхемы с открытым ключом. Алгоритм Шора опирается на хорошо известный в теории чисел факт, позволяющий преобразовывать проблему факторизации в оценку периодичности длинной последовательности. Но в классических алгоритмах для оценки периодичности необходимо иметь по крайней мере столько элементов последовательности, сколько их в длине периода. В алгоритме Шора все сделано намного интереснее. Его метод работает по тому же принципу, который позволяет минералогам с помощью рентгеновской дифракции отыскивать периодичность в кристаллической решетке неизвестной твердой субстанции. Периодическая структура решетки позволяет распространяться в любом заданном направлении лишь излучению с определенными длинами волн. Аналогичным образом и в алгоритме Шора квантовая система кубит в состоянии суперпозиции позволяет «распространяться» лишь вполне определенным волноподобным вероятностям, связанным с квантовыми состояниями. Все же остальные вероятности затухают и исчезают. Затем алгоритм вычисляет эти «длины волн», оценивает периодичность и в конечном счете отыскивает множители числа. На сегодняшний день алгоритм Шора - самый быстрый из известных алгоритмов факторизации.
Еще один интереснейший алгоритм более общего назначения был открыт в 1996 году Ловом Гровером (Lov Grover), исследователем из центра Bell Labs. Алгоритм Гровера использует принципы квантового компьютера для очень быстрого поиска в неупорядоченных базах данных вроде Интернета. Здесь, естественно, также используется волновая природа вероятностей состояний суперпозиции, и сам Гровер описывает суть алгоритма как «бросание камешков в пруд таким способом, чтобы волны от них накладывались и взаимодействовали вполне определенным образом». Алгоритм так устанавливает несколько траекторий вычислений, чтобы волны результатов начали интерферировать. Тогда нежелательные ответы сами себя гасят, а верные ответы, накладываясь, усиливают друг друга. В некотором смысле квантовый компьютер - это как бы «обратное вычисление»: предполагается, что ему уже известны все возможные ответы, и алгоритму остается лишь отыскать верный.
Массу подробностей не только об упомянутых алгоритмах, но и вообще обо всей
области квантовых информационных технологий читатели смогут найти в издающемся
на русском языке международном журнале
«Квантовые компьютеры и квантовые вычисления». Созданный по инициативе
российских ученых, он является чуть ли не первым в мире
специализированным
журналом в столь многообещающей и быстроразвивающейся области исследований.
Возвращаясь же к мичиганскому симпозиуму следует упомянуть своеобразный доклад философского свойства, с которым выступил один из пионеров теории квантовых вычислений профессор Дэвид Дойч (David Deutsch) из Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Он озаглавил свою лекцию «Квантовая технология: реализм в действии» и попытался ответить на вопрос, когда можно ожидать массового перехода человечества к принципиально иным технологиям.
Теория классических универсальных вычислений, отмечает Дойч, была заложена Тьюрингом в 1936 году, получила практическое воплощение в течение следующего десятилетия, в 1950-е обрела коммерческую ценность и направленность, а доминирующим фактором мировой экономики стала к концу 1980-х. Квантовая информационная технология является фундаментально новым способом использования возможностей природы. На нынешнем этапе, по мнению Дойча, еще слишком рано говорить, насколько важным этот путь станет в конечном счете, однако уже сейчас можно выстраивать обоснованные предположения относительно важнейших факторов, воздействующих на скорость прогресса в этой области. Развитие сейчас может пойти либо по тому же («быстрому») маршруту, который был характерен для классических вычислений после работ Тьюринга, либо же возобладает иной путь, более похожий на эволюцию классических вычислений после пионерских работ Чарльза Бэббиджа в середине XIX века. То есть, иными словами, квантовым вычислениям теоретически может грозить потеря целого столетия. Как считает Дойч, самым важным фактором здесь станет «мировоззренческо-философский», а именно: смогут или нет те люди, что работают в области квантовой теории, абсолютно всерьез воспринимать ее как подлинное описание окружающей нас реальности…
Именно о таких ученых, изменяющих и свои, и наши взгляды на «иную» реальность и квантово-многомерную природу человеческого сознания, пойдет речь в следующей части.