Начало бесконечности. Объяснения, которые меняют мир

Некоторые мои исследования в области физики имеют отношение к теории квантовых компьютеров. Существуют компьютеры, в которых несущие информацию переменные различными средствами защищены от запутывания с окружением. Это делает возможным новый режим вычислений, в котором поток информации не замкнут в единственной истории. В одном из типов квантового компьютинга огромное число различных вычислений, производимых одновременно, могут влиять друг на друга, а значит, вносить свой вклад в результат. Это так называемый

квантовый параллелизм.

В типичном квантовом вычислении отдельные биты информации представляются физическими объектами, называемыми «кубитами» – квантовыми битами, у которых есть большое разнообразие физических реализаций, всегда обладающих двумя важными свойствами. Во-первых, у каждого кубита есть переменная, которая может принимать одно из двух дискретных значений, и, во-вторых, для защиты кубитов от запутывания принимаются особые меры, такие как охлаждение их до температур, близких к абсолютному нулю. Типичный алгоритм, использующий квантовый параллелизм, начинается с того, что вынуждает несущие информацию переменные в некоторых кубитах принять оба значения одновременно. Следовательно, если рассматривать эти кубиты как регистр, представляющий (скажем) число, количество отдельных экземпляров регистра экспоненциально велико: два в степени числа кубитов. Затем некоторое время производятся классические вычисления, и в ходе этого процесса волны дифференциации распространяются на некоторые другие кубиты, но не дальше – благодаря упомянутым особым мерам. Это значит, что информация обрабатывается отдельно в каждой из этих многочисленных автономных историй. Наконец процесс интерференции, включающий все затронутые кубиты, объединяет информацию в этих вариантах в единую историю. Из-за промежуточных вычислений, в которых происходила обработка информации, конечное состояние не совпадает с начальным, как в простом эксперименте с интерференцией, описанном выше (, а представляет собой некоторую его функцию, например

Алгоритм, использующий квантовый параллелизм, делает то же, что и члены экипажа звездолета, которые могли добиться эффекта большого объема вычислений, обмениваясь информацией со своими двойниками, вычисляющими ту же самую функцию с разными входными данными. Но если в фантастике эффект ограничен только правилами корабля, которые мы можем придумать в соответствии с сюжетом, то квантовые компьютеры ограничены законами физики, которым подчиняется квантовая интерференция. Таким способом с помощью мультивселенной можно производить только определенные типы параллельных вычислений, для которых математический аппарат квантовой интерференции как раз подходит для сведения в единую историю информации, необходимой для получения конечного результата.

В таких вычислениях квантовый компьютер всего лишь с несколькими сотнями кубитов смог бы в параллельном режиме производить гораздо больше вычислений, чем атомов в видимой части нашей Вселенной. На момент написания этой книги были построены квантовые компьютеры, насчитывающие около десяти кубитов. Дальнейшее «масштабирование» этого подхода – огромной сложности задача для квантовых технологий, но исследователи постепенно приближаются к ее решению.

Я уже упоминал, что, когда крупный объект подвергается незначительному воздействию, в результате этот объект обычно остается совершенно незатронутым. Теперь я могу объяснить, почему это так. Например, в уже обсуждавшемся интерферометре Маха – Цендера два экземпляра одного фотона проходят по двум различным путям. В ходе этого процесса они отражаются от двух разных зеркал. Интерференция будет иметь место, только если не возникнет запутанности фотона с зеркалами, но она возникнет, если в любом из двух зеркал останется даже самая незначительная запись о столкновении (так как это будет дифференциальный эффект для двух экземпляров фотоны, проходящего по двум различным путям). Даже одного кванта изменения амплитуды вибрации зеркала на его опоре, например, будет достаточно, чтобы помешать интерференции (последующему слиянию двух экземпляров фотона).

Когда один из экземпляров фотона отражается от любого из зеркал, у него изменяется импульс, а значит, согласно закону сохранения импульса (который универсально выполняется, как в классической, так и в квантовой физике), импульс зеркала должен измениться на равную и противоположную величину. Поэтому кажется, что в каждом варианте истории после столкновения с фотоном одно зеркало, но не другое, должно вибрировать с немного большей или меньшей энергией. Такое изменение энергии могло бы указывать, по какому пути прошел фотон, и между зеркалами и фотоном возникла бы запутанность.