Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Давайте сразу уточним один момент: квантовые компьютеры — это не просто очень быстрые компьютеры. Более того, они вообще не имеют ничего общего с обычными компьютерами (которые мы будем в дальнейшем называть «классическими», чтобы отличать их от квантовых) и вряд ли будут применяться для решения тех же самых задач, что и привычные нам компьютеры сегодня. Значение этой технологии совсем в другом — благодаря квантовым компьютерам мы сможем справиться с проблемами, о преодолении которых мы прежде не могли даже мечтать: это класс задач, для решения которых даже самым мощным современным суперкомпьютерам понадобились бы миллиарды лет. С появлением квантовых компьютеров перед нами откроются совершенно новые возможности, в результате чего в нашей жизни, скорее всего, произойдут изменения, которые мы просто не можем спрогнозировать. Чтобы понять, в чем заключаются эти возможности, и представить, как они изменят нашу жизнь, лучше всего начать с азов и рассмотреть базовые принципы работы квантового компьютера. Надеюсь, читатель не будет возражать, если я предварю свой рассказ небольшим экскурсом в квантовую физику.

В двух словах квантовая физика — это теория, объясняющая устройство окружающего нас мира. Однако теория эта не совсем обычна. Для начала — она предсказывает, что один и тот же объект может быть обнаружен в одно и то же время в двух разных местах. Да, вам не привиделось: если верить квантовой физике, то теоретически я мог бы сидеть за столом в Брайтоне, работая над этой главой, и одновременно загорать на пляже где-нибудь во Флориде. К сожалению, как бы мне ни хотелось сейчас оказаться где-нибудь подальше от своего стола, данный принцип не распространяется на крупные объекты вроде нас. Однако он достаточно часто наблюдается в лабораториях при изучении поведения отдельных атомов. То есть атом действительно может быть в двух разных местах одновременно. Данный феномен называют «суперпозицией». Сам по себе этот вывод из квантовой теории показался физикам настолько странным, что они провели немало экспериментов, пытаясь опровергнуть его. Но тщетно — эксперимент за экспериментом они получали один и тот же результат, подтверждавший, что все так и происходит.

Для иллюстрации странности поведения кванта приведу вам пример из собственной научной практики. В свое время специалист по квантовой физике Джерард Милберн предсказал возможность движения атома в двух направлениях — вперед и назад — одновременно. Чтобы понять, в чем заключается его идея, представьте, что ваша припаркованная у обочины машина оказалась зажата спереди и сзади двумя другими автомобилями. Вам нужно как-то выехать. Но вместо того, чтобы сначала проехать вперед, ударив машину спереди, а потом отъехать назад, толкнув машину сзади вас, вы ударяете обе машины — и ту, что спереди, и ту, что сзади, — одновременно! Когда я был молодым, эта идея захватила мое воображение. Поэтому собственную научную карьеру я начал именно с этого эксперимента. Приложив немало усилий и проведя в лаборатории не одну бессонную ночь, спустя приблизительно три года нам наконец удалось пронаблюдать данный феномен — одновременное движение атома вперед и назад, представляющее собой пример квантовой суперпозиции.

Несмотря на всю свою экзотичность, суперпозиция далеко не самое странное из того, что изучает квантовая физика! Существует еще один феномен — квантовая запутанность, — который представляется даже более диковинным. Более того, корректно объяснить, в чем он заключается, не прибегая к математическим уравнениям, просто невозможно. Но давайте все-таки попробуем предельно просто сформулировать его суть. Существует возможность связать друг с другом два квантовых объекта (например, два атома) таким образом, чтобы любое воздействие на один из них мгновенно отражалось на втором, даже несмотря на большое расстояние между ними и невозможность непосредственного взаимодействия. Эта особенность квантовой физики совершенно не устраивала Эйнштейна, который называл ее призрачной и предлагал провести опровергающие эксперименты. Вот уже 60 лет физики занимаются проведением таких экспериментов, постоянно совершенствуя свои подходы и стараясь использовать все возможные лазейки, которые только могут прийти им в голову. Однако результат всегда один и тот же: квантовая физика, судя по всему, не ошибается, и странные феномены вроде суперпозиции и запутанности действительно имеют место.