Квантовая механика «для чайников» Ответы на самые каверзные вопросы

Что вообще значит «квантовый»? Слово «квант» означает минимальную неделимую порцию чего-либо. Например, фотон — ​это квант света. Квантовая механика изучает природу сверхмалых, атомных и субатомных, частиц. К ним относятся, например, электроны, протоны и те же фотоны. Также их называют элементарными частицами. Способности и свойства сверхмалых объектов кажутся парадоксальными. Частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В школьных учебниках химии упоминаются электронные облака — ​сово­купность точек, где с наибольшей вероятностью может находиться электрон. И во всех этих точках он присутствует в одно и то же время! У электронов есть и другие свойства, например так называемый спин, собственный момент импульса. И он тоже может принимать разные значения одновременно. Способность элементарной частицы пребывать сразу в разных местах и состояниях называют суперпозицией. Другое «странное» свойство квантовых объектов — ​спутанность. Например, в лаборатории можно получить пару фотонов в спутанном состоянии. И тогда, на каком бы расстоянии друг от друга они ни оказались (теоретически хоть в разных галактиках), изменение состояния одного из них повлияет и на другой. С эффектом спутанности связаны проекты квантовой телепортации.

И я должен в это просто поверить?

Вовсе нет. «Странности» микромира легко объяснить. Достаточно вспомнить, что квантовые объекты, хоть и являются частицами, проявляют свойства волны. Всем известно, что свет, состоящий из фотонов, — ​это электромагнитная волна определенной частоты. Частота поменьше соответствует красному цвету, побольше — ​фиолетовому.

Представьте, как вы бросаете камень в аквариум. По всей поверхности воды расходятся круги. Получается, волна находится повсюду, то есть в разных местах одновременно. Сделаем волну посложнее — ​бросим еще один камень. Теперь посмотрим на происходящее в аквариуме сбоку, через стекло. Мы увидим волнистую линию с гребнями разной высоты. Именно так рисуют волновую функцию фотона на графике.

Взгляните на рисунок. Амплитуда волны определяет положение частицы: чем выше гребень, тем больше вероятность при измерении обнаружить там наш фотон. Несколько гребней — ​наглядное графическое отображение суперпозиции. Частота волны характеризует «количество движения» — ​момент импульса.

Как объяснить спутанность? Когда вы бросили в аквариум два камня, две волны оказали друг на друга влияние. Можно сказать, что одна волна оставила в другой отпечаток, и наоборот. Так же спутываются волновые функции двух частиц. Теперь, на какое бы расстояние их ни разнесли, при измерении они дадут в чем-то похожие результаты. При этом никакого канала, по которому информация передается быстрее скорости света, между частицами нет. Они просто похожи друг на друга.

Кажется, в этой истории еще был кот?

Австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из основоположников квантовой механики, предложил мысленный эксперимент: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной. В счетчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с той же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадется, счетчик приведет в действие молоточек, который разобьет колбу с синильной кислотой… Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мертвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».

Очевидно, что, открыв сейф, мы бы не смогли увидеть в нем некую смесь живой и мертвой кошки. Она была бы или жива, или мертва. Аналогия Шрёдингера хорошо иллюстрирует фундаментальное ограничение квантовой механики: мы не имеем возможности наблюдать за жизнью электронов и фотонов во всем ее волновом многообразии. При попытке измерить их параметры мы видим просто частицу с определенным спином или в определенном положении — ​без всяких суперпозиций.

Говоря более научным языком, при измерении волновая функция коллапсирует. И это свойство играет важную роль при проектировании квантовых компьютеров.

Как же работает квантовый компьютер?

Современные ноутбуки и смартфоны относятся к классическим компьютерам. Единицей информации в них служит бит, который может принимать значения 0 и 1. Физически это крохотный транзистор (электрический затвор), на контактах которого может быть низкое (0) или высокое (1) напряжение.

Возьмем систему из трех битов. На выходе она может дать 8 вариантов значений, но, чтобы описать любое из них, нам достаточно всего трех чисел, нулей или единиц.

В квантовом компьютере единица информации — ​это кубит, квантовый бит. Допустим, это электрон, у которого может быть спин 0 или 1. Система из трех кубитов при измерении может дать те же 8 вариантов значений, что и три классических бита.

Однако с помощью квантовой спутанности мы можем создать суперпозицию из этих 8 значений, причем для каждого из них задать определенную вероятность — ​в виде числового коэффициента. Выходит, чтобы описать систему из трех кубитов, нам понадобится уже не 3, а целых 8 чисел.

Повторимся: за один рабочий такт мы можем «скормить» классическому компьютеру всего три числа, а квантовому — ​восемь. С ростом числа кубитов количество информации, которую можно на них подать, экспоненциально растет. Например, 300 классических битов — ​это 300 чисел, нулей или единиц. А 300* кубитов — ​это уже 2 в трехсотой степени чисел. И это больше, чем элементарных частиц во всей Вселенной!

* На данный момент существуют экспериментальные системы из 70 кубитов.

И что компьютер делает со всей этой информацией?

Классический компьютер делит задачу на порции, которые его процессор может обработать за раз, и решает ее последовательно за множество тактов. Процессор проделывает с битами математические операции, выдавая другие биты.

Квантовый компьютер сможет «проглотить» задачу целиком и решить ее за один такт. Он тоже будет совершать над числами математические операции. Какие именно — ​еще только предстоит определить. Разработка квантовых алгоритмов — ​одно из ключевых направлений научных исследований.

На данный момент квантовые компьютеры умеют сортировать базы данных по алгоритму, который разработал Лов Кумар Гровер в 1996 году. Возьмем, к примеру, не сортированную телефонную книгу с миллионом записей. Чтобы расставить их в алфавитном порядке, классическому компьютеру понадобится полмиллиона тактов, а квантовому — ​всего тысяча.

Алгоритм Шора, пожалуй, известнее других. Он связан с факторизацией — ​разложением числа на простые множители. Именно из-за алгоритма Шора считается, что современные системы шифрования данных не устоят перед квантовыми компьютерами. Распространенные ныне шифры основаны на асимметричных функциях. Например, ваш компьютер легко умножит 641 на 853 и получит 546 773. Но вот получить из 546 773 обратно 641 и 853 у него вряд ли получится. А у квантового — ​запросто.

Как выглядят кубиты?

По-разному. В лабораториях можно увидеть громоздкие машины из лазеров, световодов и оптических ловушек. Такие установки генерируют отдельные фотоны, манипулируют ими, измеряют их состояния. В других системах вещество экстремально охлаждают до состояния бозе-эйнштейновского конденсата. Это особое агрегатное состояние, при котором макроскопические объекты начинают проявлять квантовые свойства.

В Университете Нового Южного Уэльса (Австралия) создают многокубитную систему на чипе. Вероятно, именно такие квантовые компьютеры найдут применение в реальной жизни. Ученые помещают на кремниевую подложку атом фосфора, который захватывает из кремния один электрон. У этого электрона есть спин, и он служит кубитом. Ядро атома фосфора имеет свой собственный спин и тоже служит кубитом. Микроволновые сигналы разной частоты подаются на микроскопические кремниевые антенны, чтобы манипулировать спинами частиц.

Такой квантовый компьютер выглядел бы точь-в-точь как классический, если бы не один нюанс. Чтобы «успокоить» частицы, которые обычно движутся и соударяются в броуновском движении, их нужно охладить практически до абсолютного нуля. Чип помещают в криостат, температура внутри которого равняется 0,01 К. И это холоднее, чем в открытом космосе. Холоднее, чем где-либо во Вселенной, которую реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, всегда подогревает минимум до 2,7 К.

Получается, квантовых ноутбуков не будет?

И да, и нет. Современные классические компьютеры — ​это не только и не столько наши ноутбуки и смартфоны. Даже в большей степени это понятие относится к серверам и суперкомпьютерам, которые обитают в дата-центрах и выполняют всю тяжелую вычислительную работу. Пользовательские устройства все больше превращаются в терминалы доступа к облачным сервисам.

Квантовые компьютеры — ​даже те, которые сейчас находятся в исследовательских лабораториях, — ​вполне уместно смотрелись бы в дата-центрах. Места они занимают как несколько серверных стоек, а по внутреннему устройству чем-то напоминают магнитно-резонансные томографы, которые стоят во многих клиниках. В них тоже есть криогенные установки, температура внутри которых опускается до 4 К.

С другой стороны, квантовый компьютер не замена и не эволюционный потомок классического. Это принципиально иное устройство для узкоспециализированных задач — ​конкретно для тех, которые предполагают многовариантность решений. Пока с трудом верится, что квантовый компьютер будет хорош, например, в видеоиграх. Но если нужно смоделировать молекулу и для этого сперва составить, а затем обсчитать таблицу вариантов, в которой по миллиону столбцов и строк, — ​классическим компьютерам здесь делать нечего.