Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Так откуда же берутся возможности квантовых компьютеров? На этот вопрос можно дать один неоспоримый ответ: они являются следствием того, что делает квантовый мир квантовым. Что отличает квантовый мир от классической срединной области? По существу, всего две вещи. Первой из них была посвящена глава V: это способность квантовых частиц существовать в суперпозиции в сочетании с тем фактом, что при измерении мы всегда обнаруживаем их в одном из результатов. Вторая – свойство, не имеющее абсолютно никаких обыденных аналогов. Оно называется квантовой запутанностью, и это самое волшебное из всех известных мне свойств Вселенной.

Квантовая схема. Каждая линейка обозначает один кубит. Первая операция слева воздействует на одну линейку, а вторая – на две линейки. В общем случае операция, затрагивающая несколько линеек, может порождать запутанность кубитов

Прежде чем мы начнем разбираться в том, что такое запутывание, позвольте мне объяснить, почему оно необходимо для практического применения квантовых компьютеров. В отрывке фантастической истории, с которого начинается эта глава, можно увидеть иллюстрацию некоторых из ключевых методов работы квантового компьютера. Представить себе то, что делает квантовый компьютер, легче всего при помощи квантовых схем, которые используются для представления и разработки квантовых алгоритмов. Квантовая схема – это набор параллельных горизонтальных линий, по одной на каждый кубит, похожий на линейки нотного стана или непереплетенную прядь нитей, растянутую слева направо. Ниже приведен пример такой схемы[93]. Как и в нотах, линейки читаются слева направо, причем все линейки следует читать одновременно (что аналогично одновременному воспроизведению нескольких нот на некоторых инструментах). Вначале каждый кубит – каждая линейка – находится в известном состоянии, 0 или 1. По мере продвижения вдоль линеек могут выполняться операции двух типов. Первый воздействует на отдельные линейки – аналогично воспроизведению одиночной ноты в музыке. Это может приводить, например, к возникновению на этой линейке квантовой суперпозиции 0 и 1. Суперпозиция – уже знакомый нам ключевой элемент квантовой механики; она играет ключевую роль и в квантовых вычислениях. Однако есть еще и второй тип операций, который задействует множественные линейки. Такая операция обозначается символом, соединяющим несколько линеек; ее можно представить себе аналогом одновременного извлечения нескольких нот (аккорда). После этого состояния этих линеек становятся взаимосвязанными. Как можно понять из самого названия этого явления, в результате подобных операций такие кубиты «запутываются» друг с другом. Правые концы всех линеек обозначают окончание вычислений. На этом этапе все кубиты измеряют, и они вновь получают определенные значения, 0 или 1. Тот факт, что при измерении они выдают определенные результаты, хотя в процессе вычислений непременно были неопределенными, – часть магии квантовой механики. В этой главе наше внимание будет сосредоточено именно на тех операциях, которые вызывают запутанность нескольких линеек[94].

Есть ли Луна, когда на нее никто не смотрит?

Название этого раздела почтительно заимствовано из научно-популярной статьи Дэвида Мермина о квантовой запутанности[95]. Первое предложение этой статьи отличается характерной для Мермина прямолинейностью:

Квантовая механика – это магия.

Выше я называл Мермина мастером квантовой механики. Точнее сказать, он маститый исследователь в области физики конденсированного состояния, не менее известный своими ясными объяснениями наиболее магических аспектов квантового мира[96]. Его учебник по физике конденсированного состояния остается главным справочным пособием для студентов с середины 1970-х годов. То, что он начал свою статью с процитированной выше фразы, кажется мне очень важным обстоятельством. У профессиональных квантовых механиков может возникнуть искушение отрицать существование этой магии, как будто признание того, что есть вещи, которых мы не понимаем, равнозначно признанию в своей собственной несостоятельности. В юности вас настолько очаровывает квантовая механика, что вы становитесь физиком, чтобы проводить с ней как можно больше времени; но в какой-то момент вы поддаетесь соблазну сказать, что больше не находите в ней ничего магического. Значит, вы застряли на второй стадии: вы поняли, как устроены некоторые из фокусов, и называете их скучными. Но, как рассказал мне фокусник в пустыне, если магия восхищает настоящих магов, она должна восхищать и вас. Мермин выражает эту мысль кратко и точно, и его авторитет дает другим физикам возможность признаться, что и они видят эту магию.

Мермин родился в 1935 году, том самом, в котором Эйнштейн написал первую статью по квантовой запутанности. В одном из интервью он сказал: