Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

КВАНТОВАЯ ПЕРВООСНОВА НАШЕГО МИРА

Еще без малого полстолетия назад академик Александр Соломонович Компанеец в уже упоминавшейся книге «Квантование в науке настоящего и будущего» попытался уточнить вопрос — каким образом представления квантовой физики могут оказаться полезными для математики, психологии и физиологии. По мнению Александра Самойловича, связать воедино эти довольно «разношерстные» научные дисциплины могла бы некая мера квантовой информации, опираясь на которую «квантовые» биофизики наконец-то смогли бы не только объяснить работу человеческого мозга, но и приступить к моделированию «искусственного квантового сознания»:

«С незапамятных времен человека волнует вопрос о свободе его воли и мысли: почему в известных обстоятельствах он подумал или поступил именно так, а не иначе. Всегда ли можно предвидеть его собственные поступки, поведение врага или друга заранее?

В древнегреческих трагедиях людьми правил неотвратимый рок. Не только то, что случилось с героями под влиянием внешних причин, но и сами их действия были заранее предопределены.

Однако человеческая мысль искала и других решений вопроса. О свободе воли немало спорили богословы. Не все их споры были совсем бессодержательны: дело ведь отчасти шло об ответственности людей за свои поступки.

Мыслители нерелигиозного толка тоже раздумывали над смыслом предопределения. Крайнюю точку зрения выразил Лаплас. Он утверждал, что в принципе все происходящее во Вселенной может быть записано в виде единого уравнения. То, что решение мирового уравнения неизвестно, связано только с ограниченностью наших измерительных и математических средств. Но Лаплас едва ли сомневался в объективной действительности всего существующего. Следовательно, он верил в непреложный закон, управляющий человеком. Непознанный закон оставался столь же неотвратимым, как „рок“ у греков. С этим не может примириться сознание современного человека, как бы ни был велик научный авторитет Лапласа или любого другого крайнего выразителя идеи механического детерминизма».

Как же можно практически использовать новые возможности квантовых каналов передачи информации? Давайте обратимся к оригинальному отрывку из книги известного американского физика Брайана Р. Грина «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности». В нем рассказывается, как герои телесериала «Секретные материалы» Малдер и Скалли получают странные одинаковые посылки инопланетного происхождения, в которых «находятся маленькие, защищенные от света титановые коробочки, пронумерованные от 1 до 1000, и письмо… письмо говорит, что каждая титановая коробочка содержит инопланетную сферу, которая сверкнет красным или синим в момент, когда будет открыта маленькая дверца на боку коробочки».

Далее Малдер разъясняет Скалли:

«Письмо говорит, что до того, как любая данная коробочка будет открыта, сфера имеет возможность сверкнуть или красным, или синим, и она делает выбор между двумя цветами в момент открытия дверки хаотически. Но здесь есть странная часть. Письмо говорит, что хотя твои коробочки работают точно таким же образом, как и мои, — хотя сферы внутри каждой из наших коробочек и выбирают хаотично между красным и синим сверканиями, — наши коробочки неким образом работают в тандеме. Письмо утверждает, что имеется таинственная связь, так что, если будет синяя вспышка, когда я открою мою коробочку 1, ты также обнаружишь синюю вспышку, когда ты откроешь твою коробочку 1; если я увижу красную вспышку, когда я открою коробочку 2, ты тоже увидишь красную вспышку в твоей коробочке 2 — и так далее».

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это физическое устройство, предназначенное для выполнения логических операций с помощью специально преобразованных квантовых состояний. Схематично работу квантового компьютера можно представить в виде следующего последовательного алгоритма: «ЗАПИСЬ» — подготовка начального состояния; «ВЫЧИСЛЕНИЕ» — преобразование начального состояния по специальной процедуре; «ВЫВОД» — детектирование результата измерения проецированного конечного состояния.

Единица информации

Информационная единица классических компьютеров — бит может иметь одно из двух состояний: 0 или 1; абстрактно бит можно представить стрелкой, направленной вверх или вниз.

Измерение квантовой информации

В микромире информация может измеряться с помощью особых единиц — квантовых битов — кубитов, которые имеют большое количество возможных состояний. Эти состояния можно представить стрелкой, указывающей на точку сферы. Северный полюс сферы эквивалентен 1, а южный — 0. Другие положения соответствуют квантовым суперпозициям 0 и 1. В общем, это стандартное представление для бита информации, имеющего единичное или нулевое значение, но с учетом вероятностного характера взаимодействующих квантовых подсистем.

КВАНТОВЫЕ «СЕКРЕТНЫЕ ФАЙЛЫ»

Итак, Скалли и Малдер решительно открывают свои загадочные коробочки и «…сравнивая цвета, которые вспыхивают внутри каждой коробочки, Скалли и Малдер действительно находят соответствие, предсказанное в письме. Временами сфера в коробочке сверкает красным, временами синим, но при открывании коробочек с одинаковыми номерами Скалли и Малдер всегда видят вспышку одинакового цвета.

Малдер приходит во все большее возбуждение и ажиотаж от инопланетных сфер, но Скалли все это совершенно не впечатляет.

— Малдер, — мрачно говорит в телефон Скалли, — тебе в самом деле нужен отпуск. Это глупо. Очевидно, что сферы внутри каждой из наших коробочек запрограммированы, чтобы мигать красным, или они запрограммированы, чтобы мигать синим, когда дверца их коробочки открыта. И кто-то послал нам эти бессмысленно и одинаково запрограммированные коробочки, с тем чтобы ты и я обнаруживали одинаковые цвета вспышек в коробочках с одинаковыми номерами».

Малдер пытается возразить своей очаровательной партнерше-агентессе:

«— Ну нет, Скалли, письмо говорит, что каждая инопланетная сфера случайно выбирает между синими и красными вспышками, когда дверца открыта, а не то, что сфера предварительно запрограммирована на выбор одного или другого цвета.

— Малдер, — вздыхает Скалли, — мое объяснение имеет безупречный смысл и соответствует всем данным. Чего ты еще хочешь? И взгляни сюда, в конец письма. Это величайшая шутка. Инопланетяне информируют нас мелким шрифтом, что вспышка сферы внутри коробочки вызывается не только открыванием дверцы коробочки, но и любые другие действия с коробочкой, направленные на то, чтобы выяснить, как она работает, — например, если мы попробуем выяснить процесс образования цвета или химический состав сферы перед открытием дверцы, — также приведут к вспышке. Другими словами, мы не можем проанализировать предполагаемый случайный выбор красного или синего, поскольку любая такая попытка испортит сам эксперимент, который мы пытаемся провести».

Пример с любимыми многими кино- и телезрителями отважными расследователями жгучих тайн современности, заключенных в Х-файлах, Б. Грин снабжает следующим комментарием:

«Две частицы могут быть так переплетены квантовыми эффектами, что их хаотичный выбор между одним или другим свойством скоррелирован: точно как каждая из инопланетных сфер случайно выбирает между красным и синим, а затем каким-то образом цвета, выбранные сферами в коробочках с одинаковыми номерами, оказываются скоррелированными (обе мигают красным или обе мигают синим), свойства, выбранные случайно двумя частицами, даже если они удалены в стороны в пространстве, могут быть подобным образом совершенно упорядочены. Грубо говоря, хотя две частицы удалены друг от друга на большое расстояние, квантовая механика показывает: что бы ни сделала одна частица, другая сделает связанную вещь.

В качестве конкретного примера: если вы носите солнечные очки, квантовая механика показывает, что с вероятностью 50: 50 отдельный фотон — вроде того, который отразился от поверхности озера или от асфальтовой дороги, — сможет пробраться сквозь ваши уменьшающие яркость поляризованные линзы: когда фотон достигает стекла, он случайным образом „выбирает“ между тем, отразиться назад или пройти насквозь. Поразительная вещь в том, что фотон может иметь партнера-фотон, который мчится в милях отсюда в противоположном направлении, и, однако, когда он столкнется с той же вероятностью 50: 50 пройти сквозь другие поляризованные линзы солнечных очков, он каким-то образом повторит все, что бы ни сделал начальный фотон. Даже если каждый результат определен случайным образом и даже если фотоны разнесены в пространстве, если один фотон пройдет насквозь, так же сделает и другой. Это разновидность нелокальности, предсказанная квантовой механикой».

Итак, законы квантового мира не только по форме, но и по самой своей глубинной сути принципиально отличаются от классической механики, воплощенной в том, что мы называем здравым смыслом повседневной реальности. Уже тысячелетия астрономы наблюдают за траекториями небесных тел, но это, конечно же, никак не влияет на эллиптичность планетарных орбит. Однако, наблюдая за электроном, мы обязательно изменим его энергетическое состояние и волновую функцию, так что любое измерение полностью и неконтролируемым образом изменит общее состояние микрочастицы. Единственный выход для физиков-экспериментаторов — это выполнить измерения над очень большим числом электронов (в идеале такое количество одинаковых микрообъектов должно практически стремиться к бесконечности), тогда, и только тогда, можно со сколь угодно высокой точностью узнать, какой же будет исход эксперимента над иными микрочастицами, находящимися в тех же начальных условиях.

Именно здесь и пролегает связь между классической и квантовой физикой, ведь единичные одинаковые квантово-механические опыты приводят к разным результатам просто в силу принципиальной невозможности обеспечить для них совершенно одинаковые условия проведения, как это происходит в классической механике. Но достаточно большое множество одинаковых опытов над не менее существенным множеством одинаковых квантовых объектов (например, тех же электронов) обязательно в конечном итоге приведет к одинаковым результатам.

Как поразительно точно подметил в книге «Квантование в науке настоящего и будущего» А. С. Компанеец:

При этом самое удивительное то, что форма закономерности все же относится к отдельному объекту: в простейшем виде уравнению Шрёдингера удовлетворяет волновая функция одного электрона. В соответствии с этим каждый электрон вступает во взаимодействие с измерительным прибором, например с фотопластинкой, независимо от всех остальных. Фотопластинка, как и любой измерительный прибор, — объект классический, поэтому и можно зафиксировать точку попадания на нее отдельного электрона, не изменяя существенным образом состояния самой фотопластинки. Но сам электрон, попадая на фотоэмульсию, радикально изменяет свое состояние. На таких отдельных актах взаимодействия проявляется статистическая закономерность.

Эволюция электронно-вычислительной техники

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ И КРИПТОГРАФИЯ

Проанализировав сложившуюся ситуацию в квантовой физике, знаменитый американский физик Ричард Фейнман высказал идею, что подобные задачи должен решать особый квантовый компьютер. В своей известной статье «Моделирование физики на компьютерах» он убедительно показал, что необходимо разрабатывать принципиально иные вычислительные устройства.

Несомненно, что разработчикам квантовых вычислительных систем, основанных на квантово-механических эффектах микрочастичной запутанности, в конце концов удастся добиться впечатляющего параллелизма вычислений. И даже если правы скептики, предрекающие, что мощный квантовый компьютер так и не будет никогда построен, исследования в этой области прикладной квантовой физики вполне могут привести ко многим неожиданным открытиям.

Существует и еще одно совершенно фантастическое направление исследований, которое связано с конструированием квантовых нейрокомпьютеров. Пока еще в этом направлении наука делает только первые шаги, но все больше биофизиков и нейрофизиологов начинают обсуждать возможность существования некоего «квантового сознания».

Совершенно неожиданное применение нашла квантовая информатика в криптографии — искусстве создания и расшифровки разнообразных кодов. Основная трудность, с которой сталкиваются современные шифровальщики, состоит в обеспечении такого обмена шифровальными ключами между отправителем и получателем, при котором никто не может скопировать их. Наступление эры квантовой информатики, и в частности появление квантовых компьютеров, способных быстро производить невероятно трудное разложение числовых шифровальных кодов на простые множители, ознаменует крах многих криптографических схем. Но тут квантовая информатика преподнесла второй сюрприз, ознаменовавший возникновение еще одной научной отрасли знания — квантовой криптографии. Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания систем передачи сверхсекретной информации.

Некоторые ученые полагают, что мечта о появлении квантовых компьютеров сможет осуществиться лишь при определенных прорывах в физике и технике эксперимента, когда квантовый мир станет более понятным людям. Однако вне зависимости от того, будет построен квантовый компьютер или нет, квантовые вычисления уже заняли свое место в информатике и математике, а опыт работы с отдельными атомами существенно обогатил возможности экспериментальной физики, химии и инженерии. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что будущее компьютерной техники тесно связано с квантовой физикой. И наиболее перспективным направлением ее развития на данный момент считается создание квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой механики.

На примере истории квантовой информатики мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь — о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.

Чтобы понять возможность существования парадоксальной квантовой нелокальности, лучше всего еще раз обратиться к мнению выдающегося физика, особым образом боровшегося с ней всю свою жизнь. Фактически для этого академику и нобелевскому лауреату де Бройлю пришлось создать свою параллельную версию квантовой теории, которую он назвал квантово-волновой физикой.

Луи де БРОЙЛЬ КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА И ФИЗИКА — ЭТО ВСЕГО ЛИШЬ ПРИБЛИЖЕНИЯ? (фрагмент из книги «Революция в физике»)

Теперь обсудим вкратце вопрос о том, какую роль современная физика отводит классической механике и физике. Разумеется, они полностью сохраняют свое практическое значение в той области явлений, для описания которой они были созданы и в которой их справедливость подтверждается опытом. Открытие квантов ни в коей мере не нарушает законов падения тел или законов геометрической оптики. Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон (а всякий результат может быть проверен лишь с определенной точностью), можно утверждать, что этот результат в основном является окончательным и никакие последующие теории его не смогут опровергнуть. Если бы это было не так, то никакая наука вообще не могла бы развиваться. Однако может так случиться, что появление новых экспериментальных данных или новых теорий приведет к тому, что найденные ранее законы будут рассматриваться лишь как некоторое приближение. Иными словами, при увеличении точности измерений справедливость их в конце концов нарушается. Такие случаи неоднократно встречались в истории развития науки. Из законов геометрической оптики, например, известно, что закон прямолинейности распространения света, хотя он и был проверен с большой степенью точности и считался вначале совершенно точным, оказался верным лишь приближенно. Это стало ясным после открытия явления дифракции и установления волновой природы света. Именно таким путем последовательных приближений, устраняя внутренние противоречия, и может развиваться наука. Созданные в процессе ее развития теории не будут полностью опровергнуты и уничтожены последующим развитием науки, а войдут в качестве составных частей в новые, более общие теории. С этой точки зрения механику и классическую физику можно рассматривать как введение в квантовую физику.

В свете квантовой теории классическая механика и физика уже не являются абсолютно точными. Однако в обычных условиях нарушение классических законов оказывается незаметным из-за имеющихся всегда ошибок измерений. Таким образом, для явлений, протекающих в наших обычных масштабах, классические механика и физика оказываются очень хорошим приближением.

Итак, здесь мы снова встречаемся с обычным процессом развития науки. Твердо установленные принципы, надежно проверенные законы хотя и сохраняются в дальнейшем развитии науки, но уже рассматриваются не как абсолютно точные, а лишь как некоторое приближение, пределы применимости которого определяются новой, более общей теорией.

Поскольку все же для явлений нашего масштаба классическая механика и физика, совершенно не учитывающие наличия квантов, остаются справедливыми, то некоторые, возможно, скажут, что, в сущности, кванты не имеют такого уж всеобщего значения, какое им приписывается, поскольку в чрезвычайно широкой области явлений, включающей, в частности, область практических приложений, квантовую природу явлений можно совершенно не учитывать. Однако подобная точка зрения кажется нам неправильной. Во-первых, в такой важной и перспективной области, как атомная и ядерная физика, кванты играют настолько существенную роль, что без привлечения квантовой теории понять явления, относящиеся к этой области, оказывается совершенно невозможно. Во-вторых, в макроскопической физике, где благодаря малости величины квантов и неизбежным ошибкам эксперимента квантовая природа процессов не проявляется явно, наличие кванта действия влечет за собой все те следствия, на которые мы указали ранее. И если они практически не оказывают заметного влияния, то это никоим образом не умаляет их значения как для физики, так и для философии. Поэтому в настоящее время квантовая теория является одной из существенных основ естествознания.