Сет Ллойд - Програмуючи Всесвіт. Космос – квантовий комп’ютер

Третя причина створювати квантові комп’ютери – це те, що вони дозволяють нам розуміти, яким чином Всесвіт передає та обробляє інформацію. Один із найкращих способів зрозуміти закон природи – це створити та використовувати машину, що наочно демонструє цей закон. Часто ми спочатку створюємо машину, а тоді приходить черга закону. Колесо та дзиґа існували впродовж тисячоліть до того, як було встановлено закон збереження моменту імпульсу. Кинутий камінь передував законові Ґалілея про рух; призма і телескоп існували до «Оптики» Ньютона; парова машина передувала регуляторові потужності Джеймса Ватта та другому законові термодинаміки Саді Карно. Коли вже квантову механіку настільки важко осягнути розумом, то чи не варто було б сконструювати машину, що втілює закони квантової механіки? Спостерігаючи, як ця машина діє, людина може отримати практичне розуміння квантової механіки, подібно до того як дитина, котра грається з дзиґою, сприймає принципи моменту імпульсу, втілені іграшкою. Без практичного досвіду спостереження за фактичною поведінкою атомів наше розуміння залишається поверхневим. «Іграшкові» квантові комп’ютери, які ми конструюємо сьогодні, – це машини, що дозволяють нам дізнатися все більше про те, яким чином фізичні системи передають та обробляють інформацію на квантово-механічному рівні.

Остання причина створювати квантові комп’ютери полягає в тому, що це цікаво. На наступних сторінках ви зустрінетеся з деякими найпередовішими вченими та інженерами зі світовим ім’ям: Джеффом Кімблом із Каліфорнійського технологічного інституту, творцем однієї з найперших у світі фотонних квантових логічних схем, Дейвом Вайнлендом із Національного інституту стандартів і технологій, який сконструював перший простий квантовий комп’ютер, Гансом Мооєм з Дельфтського технологічного університету, чия група була однією з тих, хто раніше за всіх продемонстрував квантові біти в надпровідникових схемах, Девідом Корі з МТІ, який сконструював найперший молекулярний квантовий комп’ютер, а його квантові аналогові комп’ютери вміють виконувати обчислення, для яких знадобився б класичний комп’ютер, більший за сам Всесвіт. Побачивши, як функціонують квантові комп’ютери, ми зможемо осягнути обчислювальну здатність Всесвіту.

Коли Всесвіт обчислює, він без зусиль розплутує складні структури. Щоб збагнути, яким чином він обчислює, і краще розібратися в цих складних структурах, ми повинні дізнатися, як він передає та обробляє інформацію. Іншими словами, ми повинні вивчити глибинну мову природи.

Вважайте мене свого роду атомним масажистом. Оскільки я – професор квантово-механічної інженерії в МТІ, моя робота полягає в масажуванні електронів, фотонів, атомів та молекул до тих особливих станів, в яких вони стають квантовими комп’ютерами та квантовими комунікаційними системами. Атоми крихітні, проте сильні; витривалі, проте чутливі. До них легко говорити (вдарте по столу – і ви поговорили з мільярдами них), але їх важко слухати (ви не можете розповісти мені, що стіл сказав у відповідь на удар). Їм байдуже до вас, вони не втручаються в чужі справи і роблять те, що завжди робили. Але якщо ви масажуєте їх саме так, як треба, ви можете причарувати їх. Вони обчислюватимуть для вас.

Атоми не єдині у своїй здатності обробляти інформацію. Фотони (частинки світла), фонони (частинки звуку), квантові точки (штучні атоми), надпровідникові схеми – усі ці мікроскопічні системи здатні передавати інформацію. І якщо ви говорите їхньою мовою та люб’язно просите їх, вони оброблятимуть інформацію для вас. Якою ж мовою говорять такі системи? Як і всі фізичні системи, вони реагують на енергію, силу та кількість руху, світло і звук, електрику й гравітацію. Фізичні системи говорять мовою, граматика якої складається з законів фізики . За останні десять років ми досить добре вивчили цю мову, щоб говорити з атомами, щоб переконати їх виконувати обчислення і звітувати про результати.

Наскільки ж складно «розмовляти атомною мовою»? Щоб навчитися говорити вільно, потрібне ціле життя. Я сам погано розмовляю атомною мовою порівняно з іншими науковцями та квантово-механічними інженерами, з якими ви познайомитеся в цій книжці. Проте навчитися достатньо для того, щоб підтримувати просту розмову, нескладно.

Як і всі мови, атомну легше вивчити, коли ви молодші. Разом із Полом Пенфілдом я викладаю для першокурсників МТІ курс інформатики та ентропії. Метою курсу, як і цієї книжки, є розкриття фундаментальної ролі, яку інформація відіграє у Всесвіті. П’ятдесят років тому першокурсники МТІ отримували повний обсяг знань про двигуни внутрішнього згоряння, зубчаті механізми, важелі, трансмісії та шківи. Двадцять п’ять років тому вони отримували повний обсяг знань про вакуумні трубки, транзистори, аматорський радіозв’язок. Тепер вони отримують по зав’язку забитий обсяг знань про комп’ютери, дисководи, оптоволокна, смуги частот і коди стиснення музики та зображення. Їхні попередники жили у світах, де панували механічні та електричні технології; сьогоднішні першокурсники походять зі світу, в якому панує інформація. Їхні попередники вже багато знали про силу та енергію, напругу та заряд; сьогоднішні першокурсники знають багато про біти і байти. Мої першокурсники вже стільки знають про інформаційні технології, що їх можна навчати предметів, які до того можна було викладати студентам-випускникам, – як-от та ж квантова механіка. (Мої старші колеги з факультету машинобудування скаржаться, що нові першокурсники ніколи не користувалися викруткою. Це неправда. Щонайменше половина з них користувалися викруткою, щоб інсталювати більше пам’яті у свої комп’ютери.)