Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Классический компьютер – например тот, что установлен в вашем мобильном телефоне, – сохраняет информацию в виде битов, нулей или единиц. Мощность классического компьютера пропорциональна числу битов, которые он способен хранить в своей памяти: для удвоения мощности нужно удвоить число битов. Я ясно помню, как был удивлен, когда узнал, что суперкомпьютеры – это попросту огромные наборы обычных компьютеров, соединенных друг с другом. Я узнал об этом от экспериментатора, который выяснил, что самый рациональный способ наращивания вычислительной мощности – это покупка огромного количества подержанных игровых приставок Playstation 2.

С другой стороны, квантовый компьютер сохраняет информацию в виде квантовых битов, кубитов. Каждый из них представляет собой квантовую суперпозицию нуля и единицы. Это высшая форма параллельной обработки информации: сама Вселенная устроена так, что квантовая система, пока ее не измерили, сохраняет все возможные состояния. В отличие от классического компьютера мощность квантового возрастает с числом кубитов экспоненциально: для ее удвоения нужно просто добавить еще один кубит. Но вот в чем сложность: сложность добавления кубитов также растет экспоненциально, потому что каждый следующий кубит должен сочетаться со всеми остальными.

Что очень жаль, потому что квантовые компьютеры могли бы выполнять некоторые вычисления неизмеримо быстрее, чем классические аналоги. Вычисления кодируются в компьютерах в виде алгоритмов. Их часто сравнивают с рецептами, последовательностями инструкций, которым, скажем, алхимик должен следовать для получения желаемого результата.

Первый квантовый алгоритм разработал в 1985 году профессор Дэвид Дойч; в последующие годы на его основе был создан так называемый алгоритм Дойча – Йожи. Вычисление, которое выполняет этот алгоритм, было выбрано потому, что оно легко производится квантовым компьютером, но оказывается почти невозможно трудным для классического. Однако в книге «Структура реальности» (The Fabric of Reality, 1997)[91] Дойч уделяет особое внимание не ему, а алгоритму Шора, первому квантовому алгоритму, разработанному для практического применения. Алгоритм Шора – это процедура разложения заданного числа на простые сомножители при помощи квантового компьютера[92]. Если бы алгоритм Шора удалось внедрить на практике, это имело бы чрезвычайно важные последствия для защиты данных в интернете. Криптографический стандарт RSA, который используется в большинстве случаев обмена информацией через интернет, от сообщений электронной почты до банковских переводов, основан на том, что разложить большое число на простые сомножители практически невозможно. Решение этой задачи всеми известными нам методами занимает недопустимо долгое время, а числа, используемые в приложениях интернет-безопасности, состоят из сотен знаков. Доказать, что быстрого метода не существует, невозможно; однако было доказано, что открытие такого метода облегчило бы решение других чрезвычайно трудных задач. Поскольку весь комплекс таких задач остается нерешенным в течение очень долгого времени (во многих случаях сотен лет), специалисты по криптографии сочли, что они с высокой вероятностью никогда и не будут решены. Но квантовые компьютеры могли бы решать их в мгновение ока.

Дойч поднимает один интересный вопрос: откуда у алгоритма Шора берется способность работать настолько быстрее любого из возможных классических методов? Сам он отвечает, что эта способность происходит из параллельных вселенных. Дойч – один из ведущих сторонников многомировой интерпретации квантовой механики, согласно которой при каждом измерении квантовой суперпозиции Вселенная расходится на несколько параллельных вселенных и в каждой из этих вселенных получают по одному из возможных результатов измерения. Эти вселенные существуют внутри более крупной мультивселенной; эта идея послужила источником вдохновения для многих художественных произведений – от фильмов серии «Назад в будущее» и вселенной комиксов Marvel до выходившего в середине 1990-х годов телесериала «Скользящие» (Sliders). Более того, эта идея даже была предсказана в художественной литературе: в рассказе Хорхе Луиса Борхеса «Сад расходящихся тропок», написанном в 1941 году, рассказывается о книге под таким названием, написанной одним из персонажей. Каждый раз, когда один из героев этой книги принимает какое-нибудь решение, сюжет развивается во всех возможных направлениях. Этот рассказ Борхеса цитирует в своей книге 1973 года Брайс Девитт, который и предложил название данной интерпретации. Однако многомировая интерпретация относится – во всяком случае, пока что – к области личной веры, а не физики. Это справедливо и в отношении всех остальных интерпретаций квантовой механики: поскольку все они соглашаются с математическими предсказаниями теории, то и результаты любых возможных экспериментов они предсказывают одинаково.