Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Под редакцией Элисон Джордж

The Quantum World

The Disturbing Theory at the Heart of Reality

First published in the English language by Hodder & Stoughton Limited.

Печатается с разрешения издательства Hodder & Stoughton Limited.

© New Scientist, 2017

© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2020

Над книгой работали

Эта книга основана на докладах, прочитанных на мастер-классе «Квантовый мир» журнала New Scientist и статьях, ранее опубликованных в New Scientist вместе со специально подготовленными материалами.

Элисон Джордж – главный редактор, редактор серии книг Instant Expert журнала New Scientist.

Хьюго Кейбл – старший научный сотрудник Бристольского университета (Великобритания), где он занимается исследованием квантовых вычислений и квантовых датчиков. Он участвовал в написании параграфа «Шум – ключ к квантовым технологиям?» в главе 5.

Джонджо Макфадден – профессор молекулярной генетики Университета Суррея (Великобритания), один из пионеров молодой развивающейся области – квантовой биологии. Он написал параграф «Использовала ли жизнь мощь квантовой механики?» в главе 6.

Каван Моди – преподаватель Университета Монаша в Мельбурне (Австралия), чьи научные интересы сосредоточены на теории квантовой информации. Он участвовал в написании параграфа «Шум – ключ к квантовым технологиям?» в главе 5.

Дэвид Тонг – профессор теоретической физики Кембриджского университета (Великобритания), работающий над квантовой теорией поля и теорией гравитации. Он написал параграф «Вопрос квантовой гравитации» в главе 6.

Влатко Ведрал – профессор квантовой информатики Оксфордского университета (Великобритания) и Национального университета Сингапура. Он написал параграфы «Как был обнаружен квантовый мир» в главе 1 и по квантовым вычислениям в главе 4.

Также выражаем благодарность следующим авторам и редакторам:

Питер Элдхаус, Галаад Амит, Анил Анантасвами, Яков Арон, Стивен Беттерсби, Селеста Бивер, Майкл Брукс, Аманда Джефтер, Лиза Гроссман, Дуглас Хэвен, Роуэн Хупер, Валери Джемисон, Ричард Уэбб.

Введение

«Действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в экспериментах с атомами?»

Это вопрос, ответ на который физик Вернер Гейзенберг искал поздними вечерами со своим научным руководителем Нильсом Бором в течение 20-х годов XX века, когда они составляли свод правил для абсолютно нового понимания мира.

Квантовый мир, который они обнаружили, и правда странный: в нем частицы могут существовать в двух местах одновременно и быть непонятным образом связанными, как бы далеко они друг от друга ни находились. На уровне атомов, электронов и частиц света объекты, кажется, меняют свои свойства, когда на них смотрят. Но этого, безусловно, не может быть, как думал Гейзенберг.

Сегодня, спустя почти век интенсивных исследований, мы знаем ответ на вопрос Гейзенберга. В микроскопическом мире атомов, частиц и их составляющих наше обычное понимание реальности не работает: здесь действуют новые правила, открывающиеся с помощью экспериментальной проверки.

С путеводителем из серии Instant Expert журнала New Scientist мы отправимся в путешествие по этому таинственному миру и познакомимся с интересными личностями, благодаря которым он открыт. В их число входят Альберт Эйнштейн, ненавидевший идею «жуткого действия на расстоянии» в квантовой механике, и Эрвин Шрёдингер, придумавший свой знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы показать абсурдность этого странного места.

Что это все означает? Становятся ли вещи реальными только в те моменты, когда за ними наблюдают? Рождаются ли новые вселенные каждый раз, когда мы проводим измерения? И что это все значит для фундамента реальности?

Вместе с этими умопомрачительными вопросами квантовая механика также дала нам много практических технологий: лазеры, ядерные реакторы и транзисторы, лежащие в основе работы компьютеров и всех цифровых технологий. В будущем ожидается еще больше: компьютеры более мощные, чем собранные когда-либо прежде, полностью защищенную коммуникацию и даже квантовую телепортацию.

В этой книге также исследуется та роль, которую квантовая механика играет в биологии. Например, использовала ли эволюция преимущество квантовой таинственности в разработке биохимии жизни – начиная с навигационных систем птиц и заканчивая фотосинтезом в растениях?

Идеи квантовой механики начинают распространяться на громадные масштабы космоса. Много физиков считают, что ее объединение с общей теорией относительности Эйнштейна откроет новое понимание Большого взрыва и природы пространства и времени.

Эта книга собирает воедино размышления ведущих физиков и лучшие материалы журнала New Scientist, чтобы познакомить вас с прошлым, настоящим и будущим квантового мира, его применениями и интригующими следствиями.

Элисон Джордж, главный редактор, редактор серии Instant Expert

1. Добро пожаловать в мир таинственного

Открытие квантового мира было спровоцировано тем, что его инициатор назвал «актом отчаяния» в конце XIX века. В этой главе описано, как возник и развивался новый раздел теоретической физики – квантовая физика.

Как был обнаружен квантовый мир

Когда немецкий физик Макс Планк (1858–1947) был молодым студентом, профессор университета сказал ему, что «почти все уже открыто и остается лишь заполнить несколько пробелов». Когда в свои 40 лет (см. рис. 1.1) Планк взялся за одну из этих небольших проблем, в ходе ее решения он невольно дал начало революционно новому разделу физики.

Проблема, которую исследовал Планк, была связана с излучением, исходящим от абсолютно черного тела – идеального поглотителя и излучателя энергии, который не поддавался объяснению с позиции существующих законов физики (см. ниже в параграфе «Законы классической физики»). Какими бы горячими ни становились эти тела, они почти не испускали ультрафиолетового излучения.

Рис. 1.1. Макс Планк, основатель квантовой теории, совершивший революционный переворот в нашем понимании атомных и субатомных процессов.

В 1900 году Планк сообщил о своем решении проблемы «ультрафиолетовой катастрофы»: вместо того чтобы быть непрерывной, энергия распространяется маленькими порциями, которые он назвал квантами. Но Планк совершенно не имел представления о том, почему энергия должна быть именно такой, и поэтому назвал свое решение «актом отчаяния». Он не располагал никакими экспериментальными подтверждениями и основывался всего лишь на математической формуле. Все, и в первую очередь Планк, не понимали, насколько радикальным открытием было это решение.

Ситуация изменилась пять лет спустя, когда 25-летний неизвестный, которого звали Альберт Эйнштейн (1879–1955) (см. рис. 1.2), предложил еще более революционную идею. Он работал над фотоэлектрическим эффектом – явлением, в ходе которого электроны высвобождаются из металла светом, имеющим определенные частоты независимо от его интенсивности. Эйнштейн утверждал, что если энергия распространяется дискретными пакетами, то таким же образом распространяется и свет. Он предположил, что свет представляет собой не непрерывную волну, а поток маленьких «атомов», названных фотонами. Хотя Эйнштейн наиболее известен своей теорией относительности, свою статью 1905 года, в которой и предложил концепцию фотонов, он назвал «единственной революционной».

Традиционное понимание света и энергии начинало рушиться. Дальнейший прорыв совершил датский современник Эйнштейна Нильс Бор (1885–1962), который боролся с проблемой того, что согласно законам классической физики атом не должен существовать. Внутри атома отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра, но теоретически эти электроны должны терять энергию и в конечном счете падать по спирали к ядру. Устойчивость вещества представлялась невозможной.

Рис. 1.2. Альберт Эйнштейн в 1904 году. Работа над фотоэлектрическим эффектом привела его к выдвижению концепции фотона.

Бор решил эту проблему, предположив, что электроны обращаются вокруг ядра по орбитам из дискретного набора и не могут существовать между любой парой этих орбит. Если они перепрыгивают с одной орбиты на другую, то излучают фотоны. Его расчеты частот этих фотонов отлично согласовывались с результатами экспериментов того времени. Это было еще одним подтверждением того, что свет испускается маленькими порциями, энергия которых соответствует разностям уровней энергии электронов.

Законы классической физики

Английский ученый Исаак Ньютон (1643–1727) представил Вселенную похожей на гигантский часовой механизм, работающий согласно извечным законам движения, созданным Ньютоном в 80-е годы XVII века. При заданных начальных условиях Вселенная развивается детерминированно.

Законы классической физики Ньютона много раз подвергались проверкам в течение XVIII и XIX веков. Они дали настолько точное описание событий на макроуровне, что лауреат Нобелевской премии, физик Альберт Майкельсон (1852–1931), написал следующие знаменитые строки: «Наиболее важные фундаментальные законы и факты физической науки… настолько твердо установлены, что возможность их какой бы то ни было замены в результате новых открытий крайне маловероятна».

Квантовая физика, однако, изменила эту картину самым драматичным образом. В ней понятие случайности появляется на фундаментальном уровне. Когда квантовая частица, например частица света – фотон, встречает на своем пути кусок стекла, например в вашем окне, она, кажется, ведет себя случайным образом. Существует вероятность того, что она пройдет через него, но также есть вероятность, что она может и отразиться от его поверхности. Насколько мы можем сказать, во Вселенной нет ничего, что определяет, какой из возможных вариантов реализуется в любой заданный момент времени.

Затем благодаря французскому физику и аристократу Луи де Бройлю (1892–1987) (см. рис. 1.3) случилось нечто еще более удивительное. Если световые волны также являются частицами, спрашивал он, то тогда почему бы не подумать о природе единым образом и не предположить, что атомы и электроны похожи на волны? Опираясь на уравнения Эйнштейна для фотонов, он показал, что частицы-электроны ведут себя так же, как и волны.

Эйнштейну очень нравилась эта революционная идея, но в то время она была всего лишь гипотезой. У де Бройля не было экспериментальных свидетельств, однако его работа придала огромный импульс новым исследованиям. Вскоре эксперименты с электронами и атомами гелия подтвердили, что они действительно ведут себя как волны: рассеиваются и дают интерференционные картины, когда проходят через дифракционную решетку, то есть так же, как ведут себя волны на поверхности воды (см. рис. 2.1). Несмотря на противоречие здравому смыслу, корпускулярно-волновой дуализм признали реальным.

Рис. 1.3. Луи де Бройль, продемонстрировавший, что электроны, являющиеся частицами, ведут себя так же, как и волны.

В 1927 году Вернер Гейзенберг (1901–1976), один из лучших студентов Бора, понял, что одним из следствий корпускулярно-волнового дуализма является фундаментальное ограничение, налагаемое им на количество информации о физической системе, которое можно получить в принципе. Чем точнее мы измеряем положение частицы, тем меньше мы знаем о ее импульсе. Эта неопределенность не имеет ничего общего с практическими трудностями измерения в масштабах фотонов и электронов – это фундаментальная особенность Вселенной. Гейзенберг показал, что на квантовом уровне положение и импульс объектов не являются отдельными свойствами, как в нашем повседневном мире. Квантовые объекты имеют смесь положения и импульса, их невозможно отделить друг от друга. Даже сегодня принцип неопределенности Гейзенберга остается одним из наиболее обескураживающих предсказаний квантовой теории.

Бор и Гейзенберг

У некоторых мужчин средних лет есть игрушечная железная дорога, спрятанная на чердаке. У Нильса Бора был Вернер Гейзенберг. Зимой 1926–1927 годов выдающийся молодой немец работал ассистентом Бора и жил на чердаке здания Копенгагенского института (Дания), основанного Бором. В конце рабочего дня Бор приходил в гнездо Гейзенберга, с которым вел квантовые беседы. Они часто засиживались допоздна, бурно споря о смысле новой революционной квантовой теории.

Столь же обескураживающее предположение было выдвинуто примерно в то же время австрийским физиком Эрвином Шрёдингером (1887–1961). В 1925 году после выступления Шрёдингера с докладом один из сидящих в аудитории спросил его: «Вы продолжаете говорить о том, что электроны и атомы – это волны, но почему бы им не подчиняться волновому уравнению? В своем докладе вы вообще не упоминали о волновом уравнении». Но на тот момент волнового уравнения еще не было. После Шрёдингер уехал кататься на лыжах на выходные и вернулся с уравнением – сейчас известным как уравнение Шрёдингера, – описывающим изменение квантовой системы с течением времени. Такой тип уравнения, описывающий поведение волн на поверхности воды или света, с тех пор стало возможно применять также к атомам и молекулам. Это привело к еще большему количеству результатов, бросавших вызов нашим повседневным представлениям о том, как работает мир.

Шрёдингер признавал, что мы не можем описывать частицу как занимающий фиксированную точку в пространстве объект. Вместо этого он утверждал, что мы можем лишь присвоить набор вероятностей всем возможным положениям существования частицы, и определенное она занимает только в тот момент, когда кто-то берет на себя труд посмотреть на нее.

Абсурдность такой логики легла тяжким бременем на плечи квантовых физиков того времени, и именно тогда Эйнштейн стал ее оппонентом. Даже те, кто привык к этой идее, чувствовали себя неловко от следствий уравнения Шрёдингера. Эти следствия означают, что частица может быть в двух местах одновременно, а во время измерения она как будто бы внезапно появляется только в одном из них. По некоторым заданным начальным условиям квантовая механика не может предсказать итог, в отличие от мира классической физики, что привело к знаменитому критическому высказыванию Эйнштейна: «Бог не играет в кости».

Другое серьезное недовольство Эйнштейна было связано со странным явлением квантовой запутанности, при котором между двумя частицами имеется связь, не зависящая от того, насколько далеки они друг от друга. Когда фотон отправляется на делитель световых лучей, называемый интерферометром, то проходит одновременно двумя путями. Если вы проводите измерение в одном плече интерферометра и не обнаруживаете фотон, это означает, что он находится в другом плече. Даже если два плеча располагаются на расстоянии в тысячи световых лет друг от друга, обнаружение фотона в одном плече все равно вызывает мгновенное появление или исчезновение фотона в другом. Как такое может быть? Эйнштейну не нравилось это «жуткое действие на расстоянии», поскольку оно, очевидно, нарушает законы теории относительности, гласящие, что ничего не может распространяться быстрее света. Также он был недоволен тем, что квантовая механика не дает более подробного описания, объясняющего, почему это явление происходит (см. ниже в блоке «“Магия” Фарадея»).

«Магия» Фарадея

В течение 20-х годов XIX века пионер электромагнетизма Майкл Фарадей (1791–1867) часто исполнял трюк на своих рождественских лекциях в Королевском институте Лондона, который, кажется, похож на «жуткое действие на расстоянии» квантовой механики.

У Фарадея была большая катушка, на одном конце которой располагался магнит, а на некотором расстоянии от другого – компас. Когда он помещал магнит внутрь катушки, стрелка компаса поворачивалась несмотря на то, что находилась далеко от магнита. Для зрителей это выглядело волшебством – подобно «жуткому действию на расстоянии». На самом деле движение стрелки компаса вызывалось изменением магнитного поля катушки, но в то время концепция магнитного поля еще не была разработана.

Что касается квантовой механики, то для нее у нас нет подобного объяснения. Когда я провожу измерение и фиксирую вещи в одном месте, то они исчезают в другом, как будто бы случайным образом и без всякой причины. Насколько нам известно, между этими двумя местами ничего не происходит – нет аналога электронам, двигающимся по виткам катушки Фарадея.

И сегодня ученые разгадывают философские головоломки, порожденные квантовой механикой. Что они означают? Действительно ли все является нереальным до того, как попадает в поле зрения? Английский физик Уильям Лоренс Брегг (1890–1971), родившийся в Австралии, даже предположил, что «все в будущем – это волна, а все в прошлом – частица», считая, что квантовая механика может быть ответственна за направленность времени.

Рис. 1.4. Борьба из-за дуализма: философы и физики долго спорили о том, чем является свет – волной или частицей.

Но пионеры квантовой физики отстояли свою позицию. Квантовая теория всегда проходила экспериментальные проверки. На субатомном уровне способ измерения на самом деле определяет результат, а частицы и волны являются двумя сторонами единой реальности (см. рис. 1.4). Даже сегодня мы не знаем ни одного закона природы, который мог бы противоречить квантовой механике на уровне Вселенной.

Главные действующие лица

В октябре 1927 года V Сольвеевский конгресс стал невероятной встречей умов, где ведущие физики того времени собрались для обсуждения нового раздела теоретической физики – квантовой механики. Из 29 человек на фотографии с этого события (см. рис. 1.5) 17 были или станут лауреатами Нобелевской премии (Марии Кюри, единственной женщине на фотографии, будет присуждено даже две).

Альберт Эйнштейн (передний ряд, пятый слева)

Эйнштейну было всего 26 лет, когда он написал замечательную серию статей в 1905 году, его annus mirabilis[1]. Они включали работу по специальной теории относительности и знаменитое уравнение E = mc^2. Однако первая выдающаяся статья, которую Эйнштейн опубликовал в тот год, посвящена фотоэлектрическому эффекту и отмечает огромный прыжок к рождающемуся разделу теоретической физики – квантовой механике, показав то, как энергия распространяется дискретными порциями. Именно за эту работу и «за заслуги перед теоретической физикой» он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Будучи евреем, Эйнштейн столкнулся с возрастающей враждебностью в нацистской Германии и отказался от гражданства в 1933 году. В конце концов он нашел приют в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси, США), где работал до ухода в отставку.

Рис. 1.5. Основатели квантовой механики на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, 1927 год.

Эрвин Шрёдингер (задний ряд, шестой слева)

Эта фотография была сделана за восемь лет до создания Шрёдингером знаменитого мысленного эксперимента с котом в главной роли, который показал кажущуюся абсурдность квантовой механики. Уроженец Вены (Австрия), Шрёдингер построил волновое уравнение, чтобы объяснить поведение квантовых систем, за что в 1933 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Будучи противником нацистского режима, он покинул Австрию в 1934 году и уехал жить в Дублин (Ирландия), где принимал участие в основании Института высших исследований. Он также известен своей интересной личной жизнью, например под одной крышей с ним жили его жена и любовница.

Макс Планк (передний ряд, второй слева)

Макс Планк, дедушка квантовой механики, родился в Киле (Германия). В отличие от большинства других главных действующих лиц этой области науки, Планк был относительно немолодым (42 года), когда предположил, что энергия распространяется дискретными порциями. После этого революционного открытия, за которое в 1918 году он был удостоен Нобелевской премии, Планк играл незначительную роль в дальнейшем развитии квантовой теории. Он остался в Германии и являлся профессором Берлинского университета, но его жизнь была полна несчастий. Его сын Карл погиб на Первой мировой войне, обе его дочери умерли при рождении, а другой его сын, Эрвин, подозреваемый в причастности к заговору с целью убийства Адольфа Гитлера, был казнен гестапо в 1945 году.

Вернер Гейзенберг (задний ряд, девятый слева)

Больше известный своим принципом неопределенности, Гейзенберг родился в Вюрцбурге (Германия) и после завершения докторской диссертации работал у Нильса Бора в Копенгагене (Дания). В 1932 году он был удостоен Нобелевской премии «за создание квантовой механики» и за его теорию атома, согласно которой электрон поглощает и испускает излучение на определенных длинах волн при переходе между определенными орбитами, окружающими ядро. Гейзенберг также был ведущим ученым «Уранового клуба» – немецкого проекта по разработке ядерных технологий, и, как известно, в 1941 году встретился с Бором в оккупированной немцами Германии для обсуждения сложного выбора, связанного с этой работой. После войны он остался в Германии, исследуя ядерную энергию, космические лучи и субатомные частицы.

Поль Дирак (средний ряд, пятый слева)

Рожденный в Бристоле (Великобритания), Поль Дирак (1902–1984) занимался важнейшей частью объяснения фундаментальных частиц и взаимодействий. Уравнение, предложенное им в 1928 году для описания движущегося с околосветовой скоростью электрона, объединило квантовую физику Шрёдингера и Гейзенберга и специальную теорию относительности Эйнштейна. Оно также предсказало совершенно новый набор субатомных частиц, известных как античастицы. Дирак разделил Нобелевскую премию 1933 года со Шрёдингером. Он был эксцентричной личностью со сложным характером: мастер односложных ответов, Дирак всю жизнь отказывался находить общий язык с коллегами, студентами и даже с собственной семьей.

Вольфганг Паули (задний ряд, восьмой слева)

Без принципа запрета, введенного Вольфгангом Паули (1900–1958) в 1925 году, вещество, каким мы его знаем, не существовало бы. Этот принцип гласит, что два электрона в атоме не могут перейти в одно и то же квантовое состояние. За это он был удостоен Нобелевской премии в 1945 году. Паули также первым предсказал существование таинственных частиц – нейтрино в 1930 году. Вскоре после этого у него случилось нервное расстройство, и Паули проходил лечение у прославленного психоаналитика Карла Юнга. Его близкими друзьями были Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Паули родился в Вене и, хотя был воспитан католиком, имел еврейские корни, вследствие чего уехал жить в США в 1940 году. После войны он вернулся в Цюрих, где провел всю оставшуюся жизнь.

Артур Комптон (средний ряд, шестой слева)

Этот американский физик был удостоен Нобелевской премии в 1927 году сразу после Сольвеевского конгресса «за открытие эффекта, названного его именем» и показавшего рассеяние фотонов заряженными частицами. Эффект стал важным элементом квантового пазла, показывающим, что свет нельзя объяснить как чисто волновое явление. Комптон (1892–1962) играл ключевую роль в Манхэттенском проекте – американской ядерной программе Второй мировой войны.

Луи де Бройль (средний ряд, седьмой слева)

Его полное имя – герцог Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, родился в Дьепе (Франция) в благородной семье. В 1924 году он написал удивительно оригинальную докторскую диссертацию на 70 страниц с названием «Исследования по теории квантов», в которой выдвинул принцип корпускулярно-волнового дуализма – и всего лишь через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике. Де Бройль представил свою теорию «пилотной волны», в которой частица сопровождается направляющей волной, в 1927 году на Сольвеевском конгрессе, но потом отказался от этой идеи. Она была вновь обнаружена в 1952 году и переформулирована американским физиком Давидом Бомом (1917–1992). Де Бройль сыграл важную роль в основании Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария).

Макс Борн (средний ряд, восьмой слева)

Немецкий физик и математик Макс Борн (1882–1970) был удостоен в 1954 году Нобелевской премии по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции», – работу, которой он занимался в Гёттингенском университете (Германия) 30 лет назад. В период своего пребывания там Борн также руководил многими из будущих светил области, например Гейзенбергом и Паули. Когда нацисты пришли к власти в 30-е годы XX века, Борн (будучи евреем) был отстранен от своего поста и уехал жить в Англию.

Нильс Бор (средний ряд, крайний правый)

Родившись в Копенгагене (Дания), Бор был первым из основоположников квантовой физики, кто поистине осознал философские проблемы, поставленные теорией, и принялся за их решение. Результаты его работы по-прежнему являются предметом споров. После оккупации Дании во время Второй мировой войны у Бора была знаменитая встреча с Гейзенбергом, ставшим главой немецкой ядерной программы. К 1943 году, находясь под угрозой ареста, он бежал в Швецию, а потом в Англию (как многие из пионеров квантовой физики, он был евреем), где присоединился к британской миссии Манхэттенского проекта. После войны Бор вернулся в Данию. В 1922 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».

Как может так хорошо работающая теория иметь такие странные основания?

Большинство теорий построено на твердом фундаменте изначальных принципов – но не квантовая. На ее создание вдохновила уходящая корнями в реальный мир идея, что энергия распространяется маленькими порциями, названными квантами. Однако к тому моменту, когда светила вроде Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга завершили ее математическое описание, эта теория зажила собственной жизнью.

В результате же какое-либо определенное соответствие между математическими переменными и физическими свойствами пропало. Вместо них появились замысловатые объекты, например волновые функции, векторы состояний и матрицы, действующие в воображаемой математической среде, называемой Гильбертовым пространством – комплексной версии с большей размерностью нормального трехмерного пространства.

Удивительно, но эти абстракции работают. Используйте набор математических правил, установленных основателями квантовой теории, – и вы совершите физические предсказания, экспериментально подтверждаемые вновь и вновь. Частицы, появляющиеся из ничего лишь для того, чтобы исчезнуть вновь; объекты, физические состояния которых могут стать запутанными и которые способны мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях; коты, подвешенные между жизнью и смертью, пока мы не посмотрим на них, – все это вытекает из математической формулировки квантовой теории и, кажется, является реальным отражением того, как работает мир.

Краткая история квантовой революции

1900

Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.

1905

Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.

1913

Нильс Бор выдвигает теорию строения атома, основанную на квантовых идеях.

1922

Эксперименты Артура Комптона подтверждают, что электромагнитное излучение может также быть описано как частицы-фотоны.

1923

Луи де Бройль обнаруживает волновую природу электронов.

1925

Бор и Вернер Гейзенберг формулируют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, по-прежнему доминирующую.

Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан разрабатывают первую версию квантовой механики.

1926

Эрвин Шрёдингер публикует волновое уравнение, демонстрирующее таинственную суть реальности.

1927

Вернер Гейзенберг выдвигает принцип неопределенности, налагающий фундаментальное ограничение на знания о мире, которые мы можем получить в принципе.

1935

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен формулируют мысленный ЭПР-эксперимент и утверждают, что квантовая механика не является полным описанием реальности.

Эрвин Шрёдингер создает знаменитый мысленный эксперимент с котом, одновременно и живым, и мертвым.

1957

Хью Эверетт разрабатывает многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой новая вселенная создается каждый раз, когда мы измеряем положение атома.

1964

Джон Белл предлагает методику (неравенства Белла) для проверки того, является ли квантовая механика полным описанием реальности.

1982

Ричард Фейнман выдвигает идею квантового компьютера, в котором квантовые системы используются для вычислений.

Ален Аспе проводит экспериментальную проверку неравенств Белла и подтверждает полноту квантовой механики; локальный реализм терпит неудачу.

1997

Впервые осуществлена квантовая телепортация (одного фотона).

2015

Эксперимент без «лазеек» по проверке неравенства Белла подтверждает, что Эйнштейн был неправ и природа на самом деле является квантово-механической.

2016

Осуществлена квантовая телепортация по проводу длиной 6,2 километра.

2. Путешествие по квантовому миру

От бессмертных котов до частиц, появляющихся из ниоткуда, и призрачных воздействий на расстоянии – все в квантовой физике получает удовольствие от разрушения нашего интуитивного понимания работы мира. Здесь начинается знакомство с ее важными особенностями.

Корпускулярно-волновой дуализм

Старейшая и величайшая из квантовых тайн связана с вопросом, волнующим величайшие умы в течение как минимум 2000 лет со времен древнегреческого математика Евклида: «Из чего сделан свет?» На протяжении истории ученые искали ответ на него (см. рис. 1.4).

Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, но эта идея впечатлила не всех его современников. А эрудит Томас Юнг в классических экспериментах, проведенных им в начале 1800-х годов, продемонстрировал, что пучок света при прохождении через две узкие щели дифрагирует, то есть расходится, давая интерференционную картину на экране, расположенном позади щелей, – так, будто свет является волной.

Так что же это – частица или волна? Квантовая теория дала ответ вскоре после того, как появилась на сцене в начале XX века. Свет, впрочем как и все остальное, – это и частица, и волна. Движущаяся одиночная частица, например электрон, может дифрагировать и интерферировать сама с собой, как если бы она была волной, и – хотите верьте, хотите нет – объект размером с автомобиль, когда он едет по дороге, тоже имеет вторичное волновое свойство.

Разоблачение появилось в получившей большой успех докторской диссертации, представленной пионером квантовой физики Луи де Бройлем в 1924 году. Он доказал, что волновым описанием движущихся частиц можно объяснить, почему они обладают дискретными, квантованными уровнями энергии, а не непрерывным распределением, предсказываемым классической физикой. Сперва де Бройль предположил, что такое описание было всего лишь математической абстракцией, но корпускулярно-волновой дуализм кажется слишком реалистичным. Классический эксперимент Юнга по интерференции волн также был воспроизведен с электронами и частицами других типов (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обновленные варианты классического опыта Юнга с двумя щелями показывают, что частицы похожи на волны еще и в зависимости от того, как их детектировать.

Эйнштейн против Бора

Одним из наиболее известных противостояний в науке была вражда между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором (см. рис. 2.2). С конца 20-х до начала 30-х годов XX века эти ученые боролись за будущее физики. Эйнштейн не мог принять вопиющую случайность и непознаваемость квантовой механики и потому пытался опровергнуть ее, разработав набор оригинальных мысленных экспериментов. Но как только Эйнштейн, по его мнению, приближался к обнаружению противоречий, лежащих в основе квантовой теории, Бор доказывал, что он ошибается. Несмотря на все свои спорные составляющие, квантовая механика одержала победу.

Рис. 2.2. Датский физик Нильс Бор.

Запутанность

Согласно идее квантовой запутанности, частицы могут быть связаны таким образом, что изменение квантового состояния одной частицы мгновенно повлияет на другую, даже если их разделяют световые годы. Это «жуткое действие на расстоянии», как говорил Эйнштейн, – серьезный удар по цельности нашего понимания того, как устроен мир. Эрвин Шрёдингер (см. рис. 2.3) назвал это «определяющей особенностью» квантовой теории. Эйнштейн не мог решиться поверить во все это, считая доказанным наличие у квантовой теории серьезных недостатков.

Рис. 2.3. Эрвин Шрёдингер.

Суперпозиция

Как бы вы ни старались, вы не сможете находиться в двух местах одновременно. Но если вы – электрон, то появление сразу в нескольких местах – это ваш образ жизни. Законы квантовой механики говорят нам, что субатомные частицы существуют в суперпозиции состояний, пока не будут измерены и обнаружены в одном определенном – когда волновая функция коллапсирует.

Так почему бы нам не проделать коронный номер электрона? Кажется, что, как только объект становится достаточно большим, он теряет свои квантовые свойства – этот процесс известен как декогеренция (см. главу 7). В основном это связано с тем, что более крупные объекты взаимодействуют с окружением, заставляющим занять то или иное положение. Эрвин Шрёдингер отлично продемонстрировал абсурдность суперпозиции на больших масштабах с помощью эксперимента с котом, который и жив, и мертв одновременно и чья судьба зависит от распада радиоактивного атома – случайного квантового процесса.

Волновое уравнение Шрёдингера

В 1926 году Эрвин Шрёдингер выдвинул идею о том, что все квантовые частицы – от атомов до электронов – можно описать неосязаемыми сущностями, распространяющимися в пространстве подобно ряби на поверхности озера. Он назвал их волновыми функциями, которые четко объяснили, почему у электронов в атомах именно такие значения энергии, а не какие-то другие.

Все волны можно описать математически. Например, распространяющаяся по пруду рябь – это возмущение на воде; ее волновая функция описывает форму ряби в любой точке и в любой момент времени, тогда как нечто, называемое волновым уравнением, предсказывает движение ряби. Из труда де Бройля Шрёдингер понял, что у каждой квантовой системы есть связанная с ней волновая функция, хотя он затруднялся объяснить, что является возмущением в случае атома или электрона. Несмотря на это, работа Шрёдингера привела к радикально новой картине квантового мира как места, где определенности уступают дорогу вероятностям.

Волновая функция Шрёдингера является в этой картине центральным элементом, поскольку в ней закодированы все возможные варианты поведения квантовой системы. Изобразим простой случай атома, летящего в пространстве. Это квантовая частица, так что вы не можете сказать с уверенностью, куда он полетит. Если же вам известна его волновая функция, то с ее помощью можно просчитать вероятность нахождения атома в любом месте, каком вы пожелаете.

Квантование

Макс Планк в 1900 году впервые показал, что с математической точки зрения энергия испускается излучающим телом не непрерывно, а неделимыми порциями. Пять лет спустя Эйнштейн продемонстрировал, что свет состоит из дискретных квантов, подобных частицам, которые он назвал фотонами. И это было только начало. По мере того, как квантовая теория развивалась, становилось ясно, что не только энергия, но и многие другие свойства, например электрический заряд и спин, появляются в единицах минимального размера. Но никто не знает, почему так происходит.

Вероятность

Вероятности в классической и в квантовой физике – это совершенно разные вещи. В классической физике они представляют собой «субъективные» величины, которые меняются вместе с нашими знаниями. Вероятность того, что, например, подбрасывание монеты приведет к выпадению орла или решки, скачком меняется от 1/2 к 1, когда мы наблюдаем исход. Если бы было существо, знающее положения и импульсы всех частиц, – названное «демоном Лапласа» в честь французского математика Пьер-Симона Лапласа (1749–1827), первым смирившегося с вероятностью, – оно определило бы развитие всех последующих событий в классической Вселенной и для их описания ему бы не понадобилась вероятность.

В квантовой физике, однако, вероятность появляется из подлинной неопределенности относительно устройства мира. Состояния физических систем в квантовой теории представлены в каталогах информации, как назвал их Шрёдингер, но добавление в них информации на одной странице размывает или стирает ее вовсе на другой. Более точные данные о положении частицы делают менее точными данные о том, как, например, она движется. Квантовые вероятности «объективны» в том смысле, что они не могут быть полностью устранены получением большего количества информации.

Спин

Спин – это понятие, ускользающее от понимания. Данное квантовое свойство многих видов частиц, включая электроны, было впервые предложено в начале 20-х годов XX века австрийским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. Его сила воли была такова, что порождала слухи, будто он заставил опыты окончиться неудачей, просто оказавшись рядом с местом их проведения. Со спином это не понадобилось. Свойство спина становится заметным при наблюдении потока электронов, проходящих сквозь неоднородное магнитное поле. Частицы отклоняются в противоположных направлениях, казалось бы, случайным образом и так, будто у каждой из них есть свое внутреннее вращение, которое каким-то образом «улавливается» магнитным полем, благодаря чему и происходит отклонение от курса.

Неопределенность

Загадкой, над решением которой Бор и его студент Гейзенберг ломали головы зимой 1926–1927 годов, были следы из капелек, оставляемые электронами при прохождении через пузырьковую камеру – прибор, используемый для слежения за движением заряженных частиц. Попытка Гейзенберга рассчитать эти на первый взгляд четкие траектории с помощью уравнений квантовой механики оказалась неудачной.

Как-то вечером в середине февраля Гейзенберг вышел на прогулку и к нему пришло озарение. Трек электрона был совершенно нечетким: при более близком рассмотрении становилось видно, что он состоял из набора размытых точек. Это выявило нечто фундаментальное в квантовой механике. Гейзенберг увлеченно изложил свою идею в письме коллеге-физику Вольфгангу Паули, а ее основной смысл описал в статье несколько недель спустя: «С чем большей точностью определено положение, тем менее точно в этот момент известен импульс, и наоборот». Так появился на свет знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Это утверждение о принципиальной непознаваемости квантового мира занимало твердую позицию бóльшую часть века.

Глубокие следствия принципа неопределенности трудно переоценить. Возьмем, например, нашу классическую, работающую как часы Солнечную систему. Имея точные знания о положении и движении ее планет и других тел в данный момент времени, мы можем почти идеально предсказать их точное положение и движение в любой последующий момент времени. В квантовом мире, однако, неопределенность опровергает любые подобные идеи совершенного знания, полученного посредством измерений. Наличие пар «дополняющих друг друга» величин, таких как положение и импульс, где точное знание одной делает невозможным знание другой с любой точностью, также подрывает любую концепцию предсказываемых причинно-следственных связей. Не обладая полными и точными знаниями о настоящем, невозможно прогнозировать будущее.

Нечеткая логика

В статье 1927 года, представившей миру принцип неопределенности, Вернер Гейзенберг установил, что в квантовом мире имеются пары физических величин, которые нельзя одновременно измерить на произвольном уровне точности.

Одну такую пару образуют положение и импульс, по сути являющиеся мерой движения квантовой частицы. Если вы знаете координату частицы x с определенной погрешностью Δx, то можете описать неопределенность Δp ее импульса p математическим неравенством Δx∙ Δp≥ ħ/2. Здесь ħ — постоянное число природы, известное как приведенная постоянная Планка. Согласно неравенству результат умножения Δx и Δp не может быть меньше ħ/2: то есть чем больше мы знаем о том, где частица находится (чем меньше Δx), тем меньше мы можем знать о том, насколько быстро она движется (тем больше Δp), и наоборот.

Принцип неопределенности также применяется к другим парам величин, например энергии и времени, а также спинам, или поляризациям, частиц в разных направлениях. Соотношение неопределенностей «энергия-время» является причиной того, почему частицы могут появляться из ничего и исчезать снова. Пока энергия ΔE, которую они для этого берут, и время Δt, в течение которого они присутствуют, не нарушают связь неопределенностей, нечеткая логика квантовой механики остается соблюденной.

Окончательное доказательство квантовой таинственности

С 30-х годов XX века физики спорили о наличии более глубокого уровня реальности, который мог бы объяснить странности квантового мира, в частности запутанность, серьезно подтачивающую фундамент нашего понимания устройства мира. И в 1964 году ирландский физик Джон Белл показал, насколько серьезно. Он разработал математический способ определения того, на самом ли деле измерение одной квантовой частицы (скажем, фотона света) может сразу же изменить результат измерения другой частицы или же за это ответственно некое не квантовое воздействие.

Неравенства Белла включают в себя максимальную корреляцию состояний удаленных друг от друга частиц в опытах при соблюдении трех «разумных» условий: 1) у экспериментаторов есть свобода воли организовывать предметы так, как они хотят; 2) измеряемые свойства частиц реальны и существовали раньше, а не появляются только во время измерения; и 3) никакое воздействие не распространяется быстрее скорости света – мирового предела скорости.

С тех пор множество проведенных экспериментов показало, что квантовая механика регулярно нарушает неравенства Белла, давая корреляцию на гораздо более высоких уровнях, чем при соблюдении их условий. Самым недавним и неопровержимым примером такого рода является эксперимент, который в 2015 году провела группа физиков под руководством Рональда Хансона в Делфтском техническом университете (Нидерланды).

Стоит внимательно изучить, что они сделали и зачем. Чтобы это понять, нам нужно вернуться назад в 30-е годы XX века, когда физики пытались примириться со странными предсказаниями появляющейся науки – квантовой механики. Теория предполагала, что запутанность частиц может выражаться следующим образом: измерение одной частицы внезапно действует на измерение другой, даже если их разделяет огромное расстояние. Следствием было то, что частицы как будто могли сообщаться быстрее любого сигнала, проходящего между ними. Кроме того, теория также подразумевала, что свойства частиц зафиксированы только в тот момент, когда они измеряются, а до этого они существуют в расплывчатом облаке вероятностей.

«Нонсенс», – сказал Эйнштейн. Он и другие руководствовались принципом локального реализма, который в общем смысле гласит, что только находящиеся поблизости объекты могут влиять друг на друга и что Вселенная «реальна», а значит, наши наблюдения не приводят к ее появлению путем замораживания расплывчатых вероятностей. Они утверждали, что квантовая механика является неполной и что «скрытые параметры», действующие на некотором более глубоком уровне реальности, могут объяснить кажущуюся таинственность теории. С другой стороны, физики вроде Нильса Бора настаивали на том, что мы просто должны принять новую квантовую реальность, поскольку она объясняет трудности, которые не вписываются в классические теории света и энергии.

Испытайте это

Так было до 60-х годов XX века, когда участники дискуссии перешли на сторону Бора благодаря экспериментальным проверкам, которые допускают неравенства Белла.

Типичный тест неравенств Белла начинается с источника, испускающего одновременно два фотона и посылающего их в разные стороны к двум ожидающим детекторам, которые управляются гипотетической парой экспериментаторов, обычно их называют Алисой и Бобом. Они независимо настраивают свои детекторы так, чтобы пройти через них могли только фотоны с определенными свойствами. Если фотоны согласно квантовой механике запутаны, они могут влиять друг на друга и повторяющиеся тесты покажут более сильную связь между результатами измерений Алисы и Боба, чем в рамках локального реализма.

А что если Алиса и Боб передают невидимые сигналы, например через скрытый более глубокий уровень реальности Эйнштейна, позволяющий одному детектору сообщаться с другим? В этом случае нельзя быть уверенными, что частицы на самом деле влияют друг на друга этим внезапным, жутким квантово-механическим способом, так как детекторы могут быть в сговоре, изменяя свои показания. Это называется лазейкой местоположения, и ее можно закрыть, увеличив расстояние между детекторами настолько, чтобы сигналу не хватило времени пройти между ними до окончания измерений. Чтобы подтвердить это, физики проводили разнообразные проверки, включая стрельбу фотонами между двумя из Канарских островов, которые отделяют 143 километра.

Однако если закрыть одну лазейку, то открывается другая. Проверка Белла основывается на построении статистической картины посредством повторяющихся опытов, поэтому она не сработает, если ваше оборудование захватывает недостаточное количество фотонов. Другие эксперименты закрыли эту лазейку обнаружения, но отдаление детекторов друг от друга только усугубило проблему, поскольку повысило вероятность того, что часть фотонов потеряется по дороге. Так что отдаление детекторов друг от друга для закрытия лазейки местоположения расширило другую лазейку, связанную с обнаружением.

Тест команды Хансона был первым экспериментом, устранившим одновременно и лазейку обнаружения, и лазейку местоположения.

Запутанные алмазы

В этом эксперименте Алиса и Боб сидели в двух лабораториях, которые разделяли 1,3 километра. Свету требуется 4,27 микросекунды, чтобы пройти это расстояние, а измерение занимало только 3,7 микросекунды, так что дальность была достаточной, чтобы закрыть лазейку местоположения.

В каждой лаборатории был алмаз, содержащий электрон, который обладал особым свойством – спином. Члены команды ударяли по алмазам микроволновыми импульсами, создаваемыми случайным образом, что заставляло каждый из них испускать фотон, запутанный со спином электрона. Эти фотоны затем отправляли в следующий пункт, точку C между Алисой и Бобом, где третий детектор отмечал время их прибытия.

Если бы фотоны пришли от Алисы и Боба точно в одно и то же время, то передали бы свою запутанность спинам в обоих алмазах, и электроны были бы запутаны вдоль прямой, соединяющей две лаборатории, – это как раз то, что нам нужно для проверки неравенств Белла. К тому же спины электронов постоянно отслеживали, а уровень качества детекторов позволял закрыть лазейку обнаружения.

Но недостаток эксперимента заключается в том, что два фотона очень редко приходят в точку C одновременно – лишь несколько совпадений приходов в час. Команда провела 245 измерений, так что ожидание было долгим. Результат был однозначным: в лабораториях были обнаружены спины с намного более высокой корреляцией, чем позволил бы локальный реализм. Таинственный мир квантовой механики – это наш мир (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Первый свободный от лазеек эксперимент, проведенный для доказательства квантовой таинственности.

Остается одна лазейка, за которую могут зацепиться локальные реалисты, но исключить ее не смогут никакие эксперименты в принципе. Что если между случайными микроволновыми генераторами и детекторами имеется нечто вроде связи? Тогда возможно, что Алиса и Боб считают себя свободными в выборе настроек своего оборудования, но скрытые параметры интерферируют с их выбором и сводят на нет проверку неравенств Белла.

Команда Хансона отмечает, что это возможно, но также предполагает, что не в данном случае. В других опытах предлагается создание случайных чисел на основе фотонов, прилетающих от далеких квазаров, что приводит к промежуткам в миллиарды световых лет.

Ничего из перечисленного в конечном счете не помогает. Предположим, что Вселенная каким-то образом полностью предопределена и порхание каждого фотона неизменно, словно высечено на камне c незапамятных времен. В этом случае ни у кого никогда не было бы выбора, так что это не то, о чем экспериментаторам реально стоит волноваться: если Вселенная предопределена, полное отсутствие свободы означает, что у нас есть заботы поважнее.

Что бы Эйнштейн подумал об этих результатах? К сожалению, он умер до того, как Белл представил свои неравенства, так что мы не узнаем, изменило ли бы дальнейшее развитие событий его мнение, но возможно, Эйнштейн бы восхитился теми действиями, которые совершили люди, чтобы доказать его неправоту.

Где эта свободная от лазеек проверка оставляет нас?

Эта свободная от лазеек проверка квантовой таинственности вводит нас в философскую дилемму. Неужели у нас нет свободной воли и что-то предопределяет, какие измерения мы проведем? Это не лучший вариант. Реальны ли свойства квантовых частиц и, следовательно, реально ли вообще все или существует только как результат нашего восприятия? Такая точка зрения более популярна, но вряд ли мы далеко с ней продвинемся.

Или действительно существует воздействие, распространяющееся быстрее света? В 2008 году швейцарский физик Николас Гизин и его коллеги из Женевского университета (Швейцария) показали, что при соблюдении реальности и свободы скорость переноса квантовых состояний между запутанными фотонами, удерживаемыми в двух деревнях на расстоянии в 18 километров, будет более чем в 10 миллионов раз выше скорости света.

Есть ли предел размеров, при котором объект перестает вести себя как волна?

Согласно законам квантовой механики корпускулярно-волновой дуализм и квантовая суперпозиция распространяются не только на микроскопический мир электронов и атомов, но также и на макроскопические объекты.

Граница между квантовым и классическим повседневным мирами размывалась годами. В 1999 году Антон Цайлингер и его коллеги из Венского университета (Австрия) показали, что фуллерены – молекулы из 60 атомов – ведут себя как волны, когда проходят через дифракционные решетки. А в 2003 году той же группой был проведен трюк с тетрафенилпорфирином – большой молекулой, связанной с хлорофиллом, установившей новый рекорд самого тяжелого объекта, продемонстрировавшего корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовые эффекты ворвались также в область объектов, различимых невооруженным глазом. В 2010 году исследователи заставили одновременно и колебаться, и не колебаться сверхохлажденную металлическую полоску длиной 0,06 мм, приведя ее в квантовую суперпозицию состояний. В настоящее время рекорд принадлежит облаку из 10 000 ионов рубидия. Есть ли предел того, насколько большим может быть объект и при этом обладать квантовыми эффектами? Ничего в квантовой механике не говорит о существовании этого предела, но чем больше атомов имеет объект, тем более вероятно, что они взаимодействуют друг с другом и своим окружением, разрушая хрупкие квантовые эффекты.

Одной из основных целей, виднеющихся на горизонте, является суперпозиция объектов на масштабах в миллион атомов, говорит Влатко Ведрал, квантовый физик из Оксфордского университета: «Вот тут происходит нечто магическое. Это масштаб, на котором начинается жизнь». На его взгляд, ключевым экспериментом стала бы стрельба живыми организмами, например вирусами по двум щелям при контролируемых условиях, поскольку согласно одной из интерпретаций квантовой механики живые системы приводят к коллапсу квантовых суперпозиций. «Держу пари, что вирус также является полностью квантово-механическим, – говорит он. – Выделите мне достаточное финансирование, и, вероятно, я смогу заставить проинтерферировать все, что пожелаете».

3. Что все это означает?

После лобового столкновения с квантовой таинственностью возникает соблазн привести печально известную цитату лауреата Нобелевской премии, физика Ричарда Фейнмана (1918–1988): «Квантовую механику никто не понимает». Увы, это действительно довольно близко к истине, ведь, как классические существа, мы не готовы видеть основополагающую квантовую реальность. К ее пониманию можно прийти дорогой ценой – например, приняв существование параллельных вселенных.

Введение в мультивселенную

В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) прошла первая международная конференция по физике. Темами для обсуждения стали взаимодействие со странной новой квантовой теорией и возможность ее примирения с нашим повседневным опытом.

Над решением этих вопросов физики бьются и сегодня. Нет ни одного эксперимента, чьи результаты когда-либо расходились с предсказаниями квантовой теории, и мы можем быть уверены, что она представляет собой хороший способ описания устройства Вселенной в самых малых масштабах. Таким образом, у нас остается лишь одна проблема: что это значит?

Утверждение о том, что мы понимаем квантовую механику, может дорого стоить, например принятия существования параллельных вселенных. В этой картине вероятностная волновая функция, описывающая квантовые объекты, не «коллапсирует» в классическую определенность каждый раз, когда вы проводите измерения над ними; реальность просто расщепляется на столько параллельных миров, сколько имеется возможностей измерения. Один из них уносит с собой вас и реальность, в который вы живете. По словам Ричарда Фейнмана: «“Парадокс” – это всего лишь конфликт между реальностью и предчувствием того, чем должна быть реальность».

Физики пытаются ответить на эти вопросы с помощью «интерпретаций» – философских рассуждений о том, что лежит за квантовой теорией, полностью соответствующих опытам. Никакая другая теория в науке не имеет так много взглядов на нее (см. рис. 3.1). Почему так получилось? И достигнет ли главенства какой-то из них?

Возьмем, например, копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Она гласит, что любая попытка рассуждать о положении электрона, например внутри атома, бессмысленна без проведения его измерения. Только когда мы взаимодействуем с электроном при помощи не-квантового, или классического, устройства, пытаясь наблюдать его, он действительно принимает какие-то черты того, что мы назвали бы физическим свойством, и поэтому становится частью реальности. С ее принципами неопределенности и парадоксами измерений копенгагенская интерпретация сводится к признанию того, что любая наша попытка найти общий язык с квантовой реальностью уменьшает ее до неглубокой классической проекции полного квантового богатства.

Рис. 3.1. «Зоопарк» различных интерпретаций квантовой теории.

Кроме того, есть многомировая интерпретация, где квантовая странность объясняется тем, что все существует одновременно в нескольких мириадах параллельных вселенных. Или вы, наверно, предпочли бы интерпретацию де Бройля – Бома, в которой квантовая теория рассматривается как неполная: нам не хватает некоторых скрытых свойств, придающих всему смысл.

Есть еще очень много интерпретаций, например интерпретация Гирарди – Римини – Вебера, транзакционная (у которой есть частицы, путешествующие назад во времени), интерпретация британского физика Роджера Пенроуза с коллапсом, вызванным гравитацией, и модальная. За прошедшие 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом, и пока нет аргументов, окончивших бы споры о сути квантовой механики. Тем не менее, кажется, лишь немногие из этих интерпретаций что-то значат в научных кругах.

Чудесный Копенгаген

Самая популярная из всех – это копенгагенская интерпретация Бора. Ее популярность во многом объясняется тем, что физики в большинстве своем не хотят утруждать себя философией. Вопросы о том, что именно представляет собой измерение или почему оно может вызывать изменения в ткани реальности, могут не приниматься во внимание в пользу простого получения полезного ответа от квантовой теории.

Вот почему беспрекословное следование копенгагенской интерпретации иногда называют интерпретацией «Заткнись и считай!». Тем не менее у этого подхода есть пара недостатков. Он никогда не расскажет нам о фундаментальной природе реальности, ведь для этого требуется искать те места, где квантовая теория терпит неудачу, а не те, где она преуспевает. Работа в добровольном заключении также означает, что появление новых приложений квантовой теории маловероятно. Однако многочисленные точки зрения на квантовую механику могут быть стимулом для новых идей, и самое наглядное доказательство этому – область квантовой информации.

В основе этой области лежит явление запутанности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц присваивается всем этим частицам. В результате измерение одной частицы мгновенно повлияет на свойства ее партнеров по запутанности, как бы далеко они друг от друга ни находились.

Идея запутанности кажется настолько странной, что физик Джон Белл разработал мысленный эксперимент для выяснения, может ли она проявляться в реальном мире (см. главу 2). Когда его проведение стало возможным, опыт доказал, что может, и сообщил многое о тонкостях квантовых измерений. Данный результат заложил основы квантовых вычислений, в которых одно измерение может поведать вам о тысячах или даже миллионах вычислений, проведенных параллельно запутанными частицами, а также квантовой криптографии, защищающей информацию при помощи самой природы квантовых измерений (см. главу 4).

По вполне понятным причинам обе эти технологии привлекли внимание правительства и индустрии, стремящихся внедрять в свою деятельность лучшие разработки – и препятствовать их попаданию в чужие руки. Физики, однако, больше заинтересованы в том, что эти явления говорят нам о природе реальности. По-видимому, одним из следствий экспериментов с квантовой информацией является то, что информация, содержащаяся в квантовых частицах, находится в основе реальности.

Последователи копенгагенской интерпретации рассматривают квантовые системы как носители информации, а в измерениях с использованием классической аппаратуры не видят ничего особенного – это всего лишь способ регистрации изменений в информационном содержании системы. Этот новый фокус на информацию как на фундаментальный компонент реальности также породил предложение, что Вселенная – это громадный квантовый компьютер.

Однако, несмотря на все шаги к цели, сделанные благодаря копенгагенской интерпретации, множество физиков относится к ней критично. Отчасти это объясняется тем, что она требует чего-то вроде искусственного разграничения между крошечными квантовыми системами и классической аппаратурой, или наблюдателями, проводящими их измерения. Рассмотрение природы вещей в масштабах Вселенной также обеспечило критиков копенгагенской интерпретации аргументами. Если процесс измерения, проводимого классическим наблюдателем, является основополагающим для построения реальности, которую мы наблюдаем, то что провело наблюдения, ставшие основой для появления содержимого всей Вселенной?

Рис. 3.2. Многомировая интерпретация квантовой механики, предлагающая набор постоянно разветвляющихся вселенных.

Много миров

Сложность, которую порождает этот вопрос, сегодня является причиной более понимающего отношения космологов к интерпретации, созданной в конце 50-х годов XX века в Принстонском университете физиком Хью Эвереттом. Его многомировая интерпретация квантовой механики (см. рис. 3.2) предполагает, что реальность не привязана к понятию измерения. Вместо этого мириады разных возможностей, присущих квантовой системе, проявляются каждая в своей Вселенной. Дэвид Дойч, физик Оксфордского университета и человек, разработавший проект первого квантового компьютера, утверждает, что сейчас мы можем рассуждать о работе такого компьютера только с позиции этого множества вселенных (см. интервью в главе 5). Для него никакая другая интерпретация не имеет смысла.

Но и многомировую интерпретацию не обошла стороной критика. Философ науки Тим Модлин, работающий в Ратгерском университете штата Нью-Джерси, восхищается ее попыткой лишить наблюдение статуса особого процесса. Однако в то же время он не уверен, что многие миры являются хорошей базой для объяснения того, почему некоторые квантовые исходы более вероятны, чем другие.

Когда квантовая теория предсказывает, что один результат измерения в 10 раз вероятнее другого, это всегда подтверждается повторными экспериментами. Согласно Модлину, многие миры свидетельствуют о том, что реализуются все возможные исходы, учитывая множественность миров, но это не объясняет, почему наблюдатели по-прежнему видят самый вероятный исход.

Незаурядный Эверетт

Многомировая интерпретация квантовой механики Хью Эверетта появилась в результате пьянки, оказавшей, наверное, наибольшее влияние на мир среди всех вечеринок. Однажды вечером 1954 года аспирант Хью Эверетт пил херес со своими друзьями в общежитии Принстонского университета, когда к нему пришла идея о том, что квантовые эффекты приводят к постоянному расщеплению Вселенной. Он разработал ее для своей кандидатской диссертации – и сформировалась теория.

Но ведущие физики времен Эверетта, в частности Нильс Бор, не смогли ее принять. Эверетту нужно было опубликовать упрощенную версию своей идеи. Обиженный до глубины души, он оставил физику и вступил в рабочую группу Пентагона, рассчитывающую потенциальное число погибших в случае ядерной войны. Жизнь Эверетта была увлекательной и трагичной. Он был убежденным атеистом и перед своей смертью, а тогда ему был 51 год, оставил жене Нэнси указание выбросить его прах вместе с мусором.

Дойч считает, что совсем недавно эти проблемы были решены, однако его аргументы малопонятны, и заявление физика так никого и не убедило. Еще сложнее прокомментировать то, что сторонники многих миров называют «замечанием недоверчивого взгляда». Очевидным следствием многомировой интерпретации является наличие множества копий вас – и что Элвис по-прежнему поет в Вегасе другой Вселенной. Немногие люди могут принять такую идею, но это может быть лишь вопросом степени привыкания к этой множественности нас и других.

По мнению Дойча, это случится, когда начнут использоваться технологии, основанные на непривычных сторонах квантового мира. Как только у нас появятся квантовые компьютеры, которые решают задачи нахождением во множестве состояний одновременно, эти миры мы сможем воспринимать только как физическую реальность.

Скрытые параметры

Не только многомировая интерпретация претендует на внимание космологов. В 2008 году Энтони Валентини из Имперского колледжа Лондона предположил, что космическое микроволновое фоновое излучение, которое заполнило всю Вселенную сразу после Большого взрыва, может подкрепить интерпретацию де Бройля – Бома. В этом построении квантовые частицы обладают пока еще не обнаруженными свойствами, названными скрытыми параметрами.

Идея, лежащая в основе этой интерпретации, состоит в том, что учет этих скрытых параметров должен объяснить странное поведение квантового мира и оставить отпечаток на подробных картах космического микроволнового фонового излучения. Валентини говорит, что скрытые параметры могут дать более полное соответствие с наблюдаемой структурой фонового излучения, чем стандартная квантовая механика. Однако это всего лишь хорошая гипотеза, поскольку все еще нет убедительных доказательств того, что он попал в точку.

Другие мультивселенные

Не только квантовая механика приводит к неизбежному выводу о том, что наша Вселенная – всего лишь капля в громадном море вселенных. Виды мультивселенных сильно отличаются в разных разделах физики. Наша теория того, как Вселенная появилась на свет, предполагает бесконечное множество других вселенных. Раз уж Большой взрыв начался с периода, известного как инфляция, – в нем само пространство расширялось намного быстрее скорости света, вследствие чего должно было появиться множество других вселенных, в большинстве своем похожих на нашу, но причинно с ней не связанных, – это потенциально может быть случаем с разными организациями вещества. Другой уровень мультивселенных появляется из теории внешней инфляции, при которой пространство между вселенными продолжает расширяться, а новые вселенные-«пузыри» с сильно отличающимися свойствами образовываются в неограниченном числе.

Другой аргумент в пользу мультивселенной дает теория струн, которая является попыткой объединить все известные взаимодействия в физике. В ней утверждается, что все фундаментальные частицы вещества и силы в природе появляются в результате колебаний крохотных струн в 10 или 11 измерениях. Для нас дополнительные измерения пространства незаметны, возможно за счет того, что они свернуты, или уплотнены, – и слишком малы для обнаружения. Десятилетиями математики усиленно выясняли, какие формы может принять это уплотнение, и обнаружили несметное число способов скручивания пространства-времени – между 10^100 и 10^500. Каждая форма дает начало отдельному вакууму пространства-времени, а из него и отдельной вселенной – со своей собственной вакуумной энергией, фундаментальными частицами и законами физики.

Какими бы диковинными ни казались эти мультивселенные, учеными, по крайней мере, признается возможность их существования. Философ Ник Бостром из Оксфордского университета поднял планку, утверждая, что Вселенная, которую мы проживаем, – всего лишь симуляция, запущенная на суперкомпьютере совершенной цивилизации. Идея состоит в том, что долгоживущие цивилизации могут развить фактически неограниченную вычислительную мощность и запустить несколько «родительских симуляций», которые способны превзойти по численности вселенные, образовавшиеся естественным образом, так что вполне вероятно, что одна из этих симуляций – наша Вселенная.

Проверяя мультивселенную

Квантовая русская рулетка – это мысленный эксперимент, разработанный физиком Максом Тегмарком для проверки многомировой гипотезы. Он начинается с экспериментатора, пистолета и фотонов (см. рис. 3.3).

Рис. 3.2. Многомировая интерпретация квантовой механики, предлагающая набор постоянно разветвляющихся вселенных.

Интервью. Параллельные жизни

Марк Эверетт, известный как E – идейный вдохновитель рок-группы Eels, – является сыном физика Хью Эверетта, основателя многомирового взгляда на квантовую механику. Eels, группа E, выпустила серию признанных альбомов, включая Beautiful Freak, Electro-Shock Blues, а также Blinking Lights and Other Revelations. Его отец умер в 1982 году, через 25 лет после выдвижения многомировой теории, предполагающей, что множество квантовых состояний постоянно дает начало параллельным вселенным. Здесь E говорит об отце, которого почти не знал.

– Вы жили со своим отцом 19 лет, однако говорите, что он был чужим. Можете ли Вы объяснить почему?

– Мой отец всегда присутствовал физически, но я воспринимал его скорее как предмет мебели. Когда моя сестра была младше, возможно, он был немного более коммуникабельным. Но я не замечал, чтобы он много общался с кем-то из нас. Это было таинственное и одинокое детство, в котором нас оставили решать все вопросы самостоятельно. Ты не ощущаешь себя ребенком и учишься всему методом проб и ошибок. Эта модель воспитания детей называется «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих».

– Как Вы думаете, почему Ваш отец был таким замкнутым?

– Он никогда не сомневался в своей многомировой теории, тогда как никто больше не воспринимал ее всерьез. Поэтому он всего-навсего опустил руки. Должно быть, он чувствовал себя невероятно одиноким.

– Все же по многим показателям Ваш отец был успешным. Он проводил секретные исследования для Пентагона и позже стал состоятельным благодаря применению математического моделирования в индустрии.

– Это прекрасно, что он продолжил добиваться других целей, но я все еще задаюсь вопросом, в каком направлении он бы пошел, если бы получил больше поддержки в мире физики.

– Почему он не получил той поддержки?

– С теорией относительности Альберт Эйнштейн предложил миру закуску перед основным блюдом, благодаря которой его стало легче проглотить. Мой отец всего лишь предложил основное блюдо. Тем, кто находился на вершине Олимпа всей физики – Эйнштейну и Нильсу Бору, – сложно было сказать: «Мы решили позволить этому юноше сбить нас с ног». Он отправился в Копенгаген в 1959 году, наивно веря, что изменит мнение Бора. Я думаю, этот момент был определяющим в его жизни. После него он замкнулся в себе.

– Проявлялись ли у него какие-либо признаки депрессии перед этим?

– Ну, в нашей семье безумство наследственно: его мать страдала психическими расстройствами, а моя сестра покончила с собой. Но Копенгагенская ситуация могла поразить любого, у кого не было таких проблем, и вогнать в депрессию.

– Помогает ли знание о его теории понять его как личность?

– Это помогает снять с него ответственность за любые недостатки в качестве отца, потому что мы имеем дело с тем, кто выше нас, если говорить о работе сознания. Эйнштейн тоже не был отличным семьянином. Не думаю, что этих людей нужно заставлять придерживаться стандартных норм.

– Его теория предполагает, что каждый выбор, который мы делаем, порождает появление набора параллельных реальностей, и это довольно сложная для осознания идея. Подействовала ли она на Ваше собственное мировоззрение?

– Нет, поскольку я не гениальный физик. У меня очень много дел в этом мире, и я мыслю прямолинейно, насколько это возможно. Это может означать кучу плохого в параллельных вселенных – но если так устроен мир, то так тому и быть.

Должен ли я заботиться о моих других «я»?

Каждое решение, которое вы принимаете, может породить параллельные вселенные, где люди страдают из-за вашего выбора. Здесь Роуэн Хупер, главный редактор журнала New Scientist, исследует моральный смысл мультивселенной.

«Мультивселенная волнует меня. Если многомировая интерпретация верна – а многие физики думают именно так, – мои действия определяют не только мой жизненный путь, но и жизненные пути моих двойников из других миров. Должен ли я переживать о параллельных Роуэнах, которые, в конце концов, страдают в результате моих действий? Как мне жить, зная, что я один из многочисленных Роуэнов в мультивселенной и что последствия моих решений распространяются дальше того, что я в принципе могу знать?

Вы, возможно, думаете, что мне всего-то стоит перестать обращать на это внимание. Как-никак, многомировая интерпретация гласит, что я никогда не встречусь с другими копиями меня. Так почему надо о них волноваться? Ну, большинство из нас пытаются жить по моральным принципам, поскольку мы считаем, что все наши действия влияют на других людей, даже на тех, которых мы никогда не увидим. Мы переживаем о том, как наши покупательские привычки влияют на рабочих в дальних странах; о том, как еще не родившиеся поколения будут страдать от наших выбросов углекислого газа. Так почему мы не можем немного поволноваться о наших других “я”?»

Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, с пониманием относится к дилемме Хупера. Будучи главным сторонником мультивселенной, он хорошо подумал о том, что значит жить в одной из вселенных. «Я чувствую сильное родство с параллельными Максами, даже если никогда не получится с ними встретиться. Они разделяют мои ценности, мои чувства, мои воспоминания – они ближе мне, чем братья», – говорит Тегмарк.

Космическая точка зрения

Принятие космической точки зрения мешает Тегмарку себя жалеть: всегда есть другой Макс, находящийся в худшем положении, чем он. Физик говорит, что теперь, если едва избегает столкновения во время вождения, воспринимает этот опыт более серьезно, чем до того, как узнал о мультивселенной.

«Мы не можем предотвратить ее последствия, – говорит Хупер. – Каждый раз, когда мы принимаем решение, предполагающее вероятность, например взять ли зонт в случае дождя, оно приводит к тому, что Вселенная ветвится. В нашей Вселенной мы берем зонт и остаемся сухими, в другой – не берем и промокаем. Фундаментальное разнообразие вселенных заставляет нас делать подобные выборы».

Это важная идея. Мы живем в эпоху, подобную тем временам, когда Коперник понял, что Земля не находится в центре Вселенной, или когда Дарвин осознал, что люди не создавались отдельно от других животных. Оба этих озарения перестроили наши концепции о месте людей во Вселенной, философию и моральные принципы. Мультивселенная представляется следующим глобальным «смирителем» человечества.

Тяжелые следствия

Понять ее следствия – важная задача для людей, и даже физики находят этот процесс непростым. Например, когда жена Тегмарка была беременна их старшим сыном Филиппом, он обнаружил в себе надежду, что все пройдет хорошо. Тогда он себя укорил.

«Все должно пройти хорошо в одной вселенной и кончиться трагедией в ее параллелях. Так что для меня означало надеяться на то, что все пройдет хорошо? – Он даже не мог надеяться, что доля параллельных вселенных, где роды пройдут хорошо, достаточно велика, потому что доля в принципе может быть вычислена. – Поэтому не имеет смысла говорить: “Я надеюсь на что-то, связанное с этим числом”. Что будет, то будет».

Надежда, оказывается, является следующей жертвой мультивселенной. Вы принимаете решение и попадаете на ветвь мультивселенной с хорошим исходом или на ветвь с плохим. Вы не можете выбрать хороший сценарий. Это тяжело представить: как нам жить без надежды?

Возможно, философ поможет нам шире взглянуть на вещи. Дэвид Папино из Королевского колледжа Лондона предлагает следующее:

«Скажем, вы поставили деньги на лошадь и думаете, что это принесет выигрыш. В результате она проигрывает и вы теряете все свои деньги. Вы думаете: “Ах, если бы я не делал этого”. Но вы принесли выгоду вашим кузенам в других вселенных, где лошадь побеждает. Вы всего лишь вытянули короткую соломинку, которая выпала вашей Вселенной. Вы не сделали что-то неправильное. Нет смысла утверждать, что действие, совершенное вами прежде, было ошибкой».

Конечно, фраза «я не ошибся» не впечатлила бы наших близких, если бы мы поставили на лошадь все наши сбережения и обнаружили себя на «неправильной» ветви. Но и действовать так было бы неразумно – одной из самых привлекательных сторон интерпретации Эверетта, согласно Папино, является ее «незапутанность», пока вы действуете рационально.

С ортодоксальной точки зрения имеется два вопроса, ответы на которые позволяют оценить рискованность действий, объясняет он. Первый – соответствует ли сделанная ставка вашим шансам? Если бы вы нуждались в деньгах и ваша доля была бы соразмерной, возможно, она бы соответствовала. Второй – сработало ли это? Есть множество препятствующих причин, например, лошадь упала или просто проигнорировала ставки и финишировала последней.

Папино оскорбляет, что эти два способа действовать «верно» – мудрый выбор и удачный – не имеют тесных связей. «Идея того, что правильное действие может оказаться неправильным, представляется мне очень безобразной чертой ортодоксального мышления», – говорит он. Она не появляется в многомировой интерпретации, где каждому выбору соответствует свой исход. В ней не остается места для надежды или удачи, но и для угрызений совести тоже. Это изящный, даже хладнокровный способ взглянуть на обстоятельства.

Это изящество всегда привлекало в мультивселенной. В квантовой механике каждый объект во Вселенной описывается математической сущностью – волновой функцией, которая разъясняет то, как свойства субатомных частиц могут принимать несколько значений одновременно. Но проблема в том, что неопределенность исчезает, как только мы измеряем любое из этих свойств. Исходное объяснение этому – так называемая копенгагенская интерпретация – коллапсирование волновой функции в отдельное значение, как только измерение проведено.

Множество исходов

Хью Эверетт назвал это принудительное отделение квантового мира от классического повседневного «чудовищным» и решил выяснить, что могло бы произойти, если бы волновая функция не коллапсировала. Соответствующая математика показала, что Вселенная расщеплялась бы каждый раз при проведении измерения – или, проще говоря, как только принималось бы решение с несколькими возможными исходами.

Для Дона Пейджа, физика-теоретика из Альбертского университета г. Эдмонтона (Канада), это изящество выходит далеко за пределы действий человека. Пейдж является и твердым эвереттовцем, и убежденным христианином. Как и многие современные физики, он согласен с позицией Эверетта, что коллапс волновой функции излишне сложен. Более того, для Пейджа он имеет счастливый побочный эффект – объяснение, почему Бог допускает существование зла.

«У Бога есть ценности, – говорит он. – Он хочет, чтобы мы наслаждались жизнью, но также желает создать изящную Вселенную». Для Бога важность изящества предшествует важности страдания, которое, как заключает Пейдж, является причиной плохих событий. «Бог не схлопнет волновую функцию, чтобы излечить людей от рака, или предотвратить землетрясения, или для чего-то в этом роде, поскольку это сделало бы Вселенную намного более неэлегантной».

Для Пейджа это решение проблемы зла интеллектуально удовлетворительно. Более того, многие миры могут даже позаботиться о свободной воле. Вообще, Пейдж не верит в то, что мы обладаем свободной волей: он чувствует, что мы живем в реальности, в которой Бог определяет все, так что у людей нет возможности действовать независимо. Но в многомировой интерпретации осуществляется каждое возможное действие. «Это не означает, что все устроено так, будто я осуществляю одно конкретное действие. В мультивселенной я совершаю все из возможных», – говорит Пейдж.

Однако пределы есть и у готовности физика доверить свою судьбу мультивселенной. Однажды Пейджу предложили миллион долларов за участие в квантовой русской рулетке – хорошей игре для страстного поклонника мультивселенной, в которой «нельзя проиграть» (см. выше в параграфе «Проверяя мультивселенную»). Пейдж думал о том предложении, но все же отклонил: ему не нравилась мысль о страданиях жены в мирах, где он умрет.

Я испытал некоторое облегчение, узнав, что даже эксперты в области многих миров в конечном счете во многом ведут себя так же, как люди, ничего не знающие о них. Но знания формируют то, как люди принимают решения. Возможно, для нас более естественно думать о том, как наши действия повлияют на других «я», чем о безликих вероятностях риска и выгоды.

Если кто-то и собирается противостоять этой тенденции, то, скорее всего, это Дэвид Дойч – вероятно, самый твердый сторонник интерпретации Эверетта. Несомненно, он может сказать последнее слово о том, что значит жить в мультивселенной, и оно оказалось довольно неожиданным:

«Теория принятия решений в мультивселенной говорит нам, что мы должны ценить вещи, происходящие в большем числе вселенных больше, а в меньшем числе вселенных меньше. И она говорит нам, что мера, по которой нужно оценивать их выше или ниже, за исключением экзотических обстоятельств, точно такая же, как если бы мы оценивали риски согласно вероятностям в классической Вселенной».

Так что правильный поступок остается правильным поступком.

Конечно, подход Дойча может быть неверным – с возможностью, которую он принимает, – хотя он твердо уверен, что мультивселенная существует. Но если он прав, его заключение только подкрепляет то, что говорят коллеги ученого: лучший способ жить в мультивселенной предполагает тщательное обдумывание того, как вы проживаете свою Вселенную.

Создает ли сознание реальность?

С ее мультивселенными и котами, одновременно живыми и мертвыми, квантовая механика, несомненно, крайне таинственна. Но некоторые физики предположили, что реальность куда более странная, чем мы можем представить: Вселенная становится реальной только в тот момент, когда мы на нее смотрим.

Этот вариант антропного принципа – известный как принцип участия – был впервые выдвинут Джоном Арчибальдом Уилером, ведущим светилом физики XX века. Он уподобил то, что мы называем реальностью, сложной конструкции из папье-маше, поддерживаемой небольшим количеством железных стоек. Когда мы проводим квантовое измерение, то вбиваем один из этих шестов в землю. Все остальное – плод воображения и теория.

Для Уилера, однако, проведение квантового измерения не только дает объективную фиксацию объектов, но также меняет ход развития Вселенной, заставляя реализоваться единственный исход из многих возможных. В знаменитом опыте с двумя щелями, например, наблюдается, что свет ведет себя либо как частица, либо как волна в зависимости от экспериментальной установки (см. главу 2). Самое необъяснимое – это то, что фотоны, кажется, «знают», как и когда переключаться между этими «режимами». Но это предполагает, что у фотона имеется физический облик перед тем, как мы наблюдаем. Уилер спрашивает: а что если нет? Что если он принимает его только в тот момент, когда мы на него смотрим?

Даже прошлое может остаться так и не зафиксированным. Уилер предложил космический вариант двухщелевого эксперимента, в котором свет от удаленного на миллиард световых лет квазара достигает нас, проходя вокруг галактики, искажающей его путь, и давая два изображения, по одному с каждой стороны галактики. Наводя телескоп на каждое из них, наблюдатели увидят фотоны, направляющиеся по одному из двух маршрутов как частицы. Но установив зеркала так, чтобы фотоны от обоих маршрутов попадали на детектор одновременно, они увидят свет как волну. В это время акт наблюдения проникает сквозь время, чтобы изменить природу света, покинувшего квазар миллиард лет назад.

Для Уилера это означало, что Вселенная на самом деле не может существовать в любом физическом смысле – даже в прошлом, – пока мы ее не измерим. И то, что мы делаем в настоящем, влияет на то, что случилось в прошлом, – и в принципе на события во всех временах вплоть до начала Вселенной. Если он прав, то Вселенная не существует во всех отношениях, пока мы и другие сознательные сущности не начинаем ее наблюдать.

Своеобразие квантового мира настолько невероятно, что идея его существования благодаря нам кажется почти разумной.

Как мы можем понять квантовую реальность?

«Я верю во внешнюю физическую реальность за моим собственным опытом, – говорит Йоханн Кофлер из Института квантовой оптики общества Макса Планка г. Гархинга (Германия). – Мир там без меня, и был там до меня, и будет там после меня».

Учитывая то, что мы знаем о квантовой физике, это кажется смелым утверждением. Нападок, которые эта самая фундаментальная теория реальности совершает на нашу интуицию, множество. Для Эфраима Штейнберга из Университета Торонто (Канада) работа с такими беспокоящими концепциями – что-то вроде переобучения мозга. «Сколько мы говорим о “контринтуитивности” квантовой механики, столько же мы подразумеваем, что она противоречит той интуиции, которой мы обладали до того, как изучали квантовую механику», – говорит он. В конце концов, мы тоже не очень хорошо разбираемся в прогнозирующих элементах классической реальности: сколько из нас искренне сказали бы, что перья и кирпичи падают с одинаковым ускорением под действием тяжести?

В квантовой физике, однако, не помогает тот смутный факт, что величины, используемые для описания объектов, существуют лишь математически. Визуализация волновой функции как реального объекта хороша для одиночной частицы, но все очень быстро усложняется. «Как только вы говорите о нескольких частицах, волновая функция живет в некотором пространстве с большим числом измерений, которое я понятия не имею как визуализировать, – говорит Штейнберг. Ему приходится разбивать сложную квантовую систему на части. – Но они являются всего лишь способами отказа от абстрактного математического объекта, предоставляющего, как я знаю, полное описание».

Однако если на более фундаментальном уровне мы полностью доверяем квантовой физике, то должны отказаться по крайней мере от одного из двух наиболее важных принципов классического мира. Один из них – реализм, идея, согласно которой каждый объект обладает свойствами, существующими без наших измерений. Другой – это принцип локальности, утверждающий, что ничто во Вселенной не может влиять на что-то другое мгновенно, то есть быстрее скорости света.

Для большинства квантовых физиков, с учетом всех свидетельств того, что космический предел скорости никогда не преодолевается, это будет реализм.

4. Практическая магия

Может показаться, что со всеми своими странными свойствами квантовая механика не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни, но на самом деле все наоборот. Практические применения квантовой теории преобразили мир. Почти все современные гаджеты – компьютеры, мобильные телефоны, игровые консоли, машины – содержат микросхемы памяти, основанные на транзисторе, принцип работы которого опирается на квантовую механику полупроводников. Лазеры, имеющие широкое применение в хранении данных, печати, коммуникациях и производстве, также основаны на квантовых свойствах.

Транзисторы: история «дырок»

Вы окружены транзисторами. Они в ваших компьютерах, в ваших телефонах и в ваших бытовых приборах. Около 3 секстиллионов транзисторов (то есть 3x10^21) было изготовлено с того момента, как технология впервые была разработана в 1947 году, – это 428 миллиардов на каждого человека на Земле.

Транзистор, по сути, является куском полупроводникового материала, находящимся между двумя электродами и действующим как выключатель. Последующий электрод дает импульс напряжения, «включая» этот выключатель и позволяя току проходить через транзистор. Транзисторы используются не только для усиления электрических сигналов, например радиоволн, перехваченных антенной, но и как электронные переключатели. Сети из этих переключателей могут образовывать логические цепи, контролирующие электронные приборы или управляющие информацией в вашем компьютере.

В конечном счете работа транзистора определяется управлением переходов электронов между разными энергетическими уровнями в атомах полупроводниковых материалов. На фундаментальном уровне этот процесс основан на поведении квантового характера.

Сегодня разрабатываются новые типы квантовых транзисторов. В 2015 году, например, исследователи продемонстрировали, что два кремниевых транзистора, действующих как квантовые биты, могут осуществлять небольшие вычисления.

Открытие транзисторов

Транзисторы, гудящие сегодня в процессорах компьютеров, зависят от свойств странного гибридного материала, известного как полупроводник. Находясь на краю между электрической проводимостью и изолированием, полупроводники иногда позволяют токам проходить, а иногда решительно их блокируют.

К началу XX века некоторые аспекты этой «двойственной личности» были детально зафиксированы. Например, стало известно, что полупроводник галенит, или сульфид свинца, при некоторых условиях образовывает с металлом переход, через который ток проходит только в одном направлении. Благодаря этому некоторое время его широко использовали в первых беспроводных приемниках, преобразующих колеблющиеся радиосигналы в устойчивый постоянный ток. Однако это был трудоемкий и временами приводящий в ярость процесс, что являлось симптомом всех полупроводниковых провалов. Казалось, что их свойствам не было логических объяснений; небольшое изменение температуры или состава материала могло перевести их из проводников в изоляторы и наоборот. Укрощение их капризов было заманчивой перспективой, позволяющей сделать надежные, воспроизводимые электрические выключатели, но никто не понимал, как этого добиться.

Таким образом, в радиоприемниках, телефонных и телеграфных системах 20-х и 30-х годов XX века безраздельно господствовали вакуумные трубки, несмотря на громоздкость, большой риск поломки и высокое энергопотребление. Однако семена их упадка и окончательного триумфа полупроводников уже были посеяны.

В 1928 году Рудольф Пайерлс, молодой еврей, родившийся в Берлине, был студентом и работал в Лейпциге (Германия) под руководством Вернера Гейзенберга, великого пионера квантовой физики. Повороты судьбы впоследствии приведут его к званию одного из самых уважаемых физиков Великобритании и сделают противником наставника Пайерлса в гонке за «рецептом» первой атомной бомбы. В то время, однако, его занимал куда более скучный вопрос: почему электрические токи в некоторых металлах отклоняются в неправильном направлении при столкновении с магнитным полем?

Отсутствие электронов

Для Пайерлса ответ был очевидным. «Дело в том, что вы не можете понять твердые тела без использования квантовой теории», – напомнил он в интервью 1977 года. Пайерлс показал, что, как и в квантовой теории, – где электроны, обращающиеся вокруг ядра, не могут иметь просто любое значение энергии, а ограничены набором отдельных энергетических состояний, – внутри твердого кристалла электроны вставлены в «полосы» разрешенных энергетических состояний. Если одна из этих полос имеет лишь несколько занятых состояний, электроны обладают большей свободой движения, и в результате получается знакомый электрический ток. Но если у полосы занята бóльшая часть состояний, движение электрона ограничено редкими прыжками в соседнюю пустую щель. Когда большинство электронов находится в покое, создается впечатление, что движутся эти незанятые состояния: подвижные «отсутствия электронов» действуют для всех как положительные заряды – и двигаются в неправильном направлении в магнитном поле.

Вычисления для полос Пайерлса были зачатком согласованного квантово-механического взгляда на происхождение электрической проводимости, но в то время никто еще не изготовил переходы. Произошло это только в 1940 году, когда группа ученых из Bell Labs под руководством инженера Рассела Ола попыталась укротить особенности полупроводникового кремния. Тогда считалось, что прерывистость проводимости кремния возникает из-за наличия примесей в его кристаллической структуре, поэтому Ол и его группа занимались его очисткой. Однажды в результате сбоя в процессе очистки был получен пруток с поистине странным характером проводимости. Одна половина вела себя так, будто в ней преобладали отрицательно заряженные носители тока – электроны. При этом вторая демонстрировала признаки содержания движущихся положительных зарядов.

Рис. 4.1. Транзисторы, запускающие наши компьютеры, работают на дырках.

Это было необычно, но и вполовину не так странно, как результат раскаливания прутка Олом и его группой. Предоставленный сам себе, этот несбалансированный кремний вообще ничего не делал. Однако под ярким светом он перескакивал в проводящее состояние, при котором ток шел из отрицательной области в положительную. Дополнительные исследования выявили, в чем было дело. Обычно четыре внешних электрона атома кремния соединены связями с другими атомами кристалла. Но на одной стороне прутка Ола мельчайшая примесь фосфора с его пятью внешними электронами создавала избыток не прикрепленных электронов, а небольшое количество бора с тремя электронами на другой приводило к дефициту электронов (см. рис. 4.1).

После «активации» светом электроны утекали из области их избытка, чтобы заполнить дырки в электронной структуре, появившиеся из-за бора. Ол назвал это открытие «положительно-отрицательным», или p-n, переходом из-за двух отдельных областей положительных и отрицательных носителей заряда. Свойство преобразовывать световую энергию в электрический ток сделало его, между прочим, первым в мире фотоэлементом.

Роящиеся дырки

Несколько лет спустя Уильям Шокли, физик из Bell Labs в Мюррей-Хилл (штат Нью-Джерси), услышал о прорыве Ола. Он быстро понял, какие возможности дает p-n-переход, и был очарован мыслью о том, что если прижать металлический контакт к середине перехода, то можно использовать внешнее электрическое поле вместо света для контроля протекающего через переход тока. В достаточно тонком кремниевом слое n– или p-типа, рассуждал он, правильное напряжение заставит электроны или дырки двигаться навстречу контакту, давая дополнительные носители заряда, которые усилят идущий по поверхностному слою ток. В результате получится легко управляемый, маломощный и небольшой усилитель, который заменит вакуумную трубку.

Однако его первые попытки осуществить мечту не были успешными. «Ничего ощутимого, никаких ощутимых результатов», – прокомментировал он ранний провал. Но в тот момент Шокли был вынужден оставить дальнейшие исследования двум из его высококвалифицированных подчиненных: Джону Бардину и Уолтеру Браттейну. Они оказались разочаровывающими последователями, чья работа представляла собой классическую комбинацию экспериментальной смекалки и удачи, которая привела двух ученых к успеху, – плюс спонтанное решение Бардина отклонить кремний в пользу его немного более предсказуемого полупроводникового брата – германия. В конце концов это дало правильный эффект усиления, повысив мощность входных сигналов – иногда даже в сотни раз. Не сходилось только одно: ток проходил через прибор в неправильном направлении.

Без сомнений, со временем они бы разгадали эту головоломку, но Шокли украл победу у своих коллег. Выход из тупика есть, понял он, и ответ кроется в дырках. Что если они настоящие, как частица, а не всего лишь отсутствие электрона, и могут счастливо сосуществовать с электронами? Это объяснило бы происходящее в транзисторе.

Шокли применил эту идею в разработке транзистора, использовавшего независимость электронов и дырок. Это был p-n-p-транзистор, в котором область избытка электронов зажата между двумя областями, где преобладают дырки. С помощью правильного напряжения можно преодолеть сопротивление среднего участка, что позволит дыркам без потерь пройти через враждебную территорию, населенную электронами. Также это работает и наоборот: можно заставить электроны проходить через центральную область, отданную под дырки. Этот принцип лег в основу работы промышленных транзисторов в последующие десятилетия.

Как говорится, остальное – уже история. Для Шокли она не была удачной. Сперва он не рассказал Бардину и Браттейну о своем новом направлении работы и даже заявлял о единоличных патентных правах на первый транзистор. Отношения между учеными так и не восстановились. К моменту, когда они поделили Нобелевскую премию по физике в 1965 году, Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать компанию Shockley Semiconductor Laboratory (Лабораторию полупроводников Шокли) и извлечь выгоду из его транзистора в одиночку. Но его высокомерное и все более параноидальное поведение вскоре привело к массовому мятежу со стороны нанятых им молодых талантов, например Гордона Мура и Роберта Нойса, в итоге основавших компанию Intel, которая в итоге стала крупнейшим производителем микросхем в мире.

Что происходит с квантово-механическими свойствами при абсолютном нуле?

Таинственные эффекты квантового мира охватывают также и низкие температуры. Во встречающихся в повседневной жизни твердых телах, жидкостях и газах тепло, или тепловая энергия, возникает в результате движения атомов и молекул, когда они пролетают мимо и отскакивают друг от друга. Но при очень низких температурах начинают работать довольно странные законы квантовой механики. Молекулы не сталкиваются в обычном смысле: вместо этого их квантово-механические волны растягиваются и перекрываются таким образом, что иногда образуют так называемый конденсат Бозе – Эйнштейна, в котором все атомы действуют одинаково, подобно единственному «суператому». Первый чистый конденсат Бозе – Эйнштейна был получен в штате Колорадо в 1995 году с использованием облака атомов рубидия, охлажденных до менее чем 170 нанокельвинов.

Но на практике абсолютный нуль (0°К, или −273,15°C) является недостижимой целью. Чем холоднее становится газ, тем больше нужно приложить усилий, чтобы извлечь из него тепло, – работа по охлаждению чего-либо до абсолютного нуля будет бесконечной. В терминах квантовой физики в этом можно обвинить принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что чем точнее мы знаем скорость частицы, тем меньше информации у нас о ее положении, и наоборот. Зная, что атомы находятся внутри вашей экспериментальной установки, вы тем самым создаете некоторую неопределенность в их импульсах, удерживающих атомы над абсолютным нулем, – если, конечно, размер вашей установки не равен размеру всей Вселенной.

Лазеры

Несмотря на более чем полувековой возраст, лазеры по-прежнему остаются молоденькими красавцами фундаментальной физики. С тех пор, как в 1960 году было снято покрывало с первого из них, применение лазеров можно увидеть везде – от резки и сварки до борьбы с раком и катарактой, а также функционирования телекоммуникационных устройств и бытовой техники. Прогресс в лазерных разработках воплощается в наших гаджетах поразительно быстро: вспомните продвижение от CD к DVD и нынешней технологии Blu-ray всего лишь за несколько десятилетий.

Эйнштейн сделал первый шаг к окончательному устройству лазера, предположив в 1917 году, что атомы могут давать вынужденное излучение. Десятилетия спустя его теория подтвердилась, но только в 1954 году Чарльз Таунс и другие ученые Колумбийского университета в Нью-Йорке сконструировали первый «мазер», дающий микроволновый луч. Разработка мазера побудила Таунса и остальных попробовать расширить идею до видимого и инфракрасного излучения.

К 1957 году Таунс и Артур Шавлов, тогда работавшие в Bell Telephone Laboratories, проанализировали способ изготовления оптического мазера. Тем временем Гордон Гулд, тогда 37-летний аспирант Колумбийского университета, заполнял свои блокноты похожими идеями того, что он называл «лазером». Патента добился Гулд, хотя все еще идут споры о том, кому первому в голову пришла идея лазера. Работа Таунса же принесла ему долю в Нобелевской премии по физике 1964 года.

Статья Таунса и Шавлова многих стимулировала на изготовление лазеров. Однако победителем великой лазерной гонки был малоизвестный молодой американский физик Теодор Майман, который 15 мая 1960 года поместил маленький рубиновый стержень с посеребренными концами внутрь импульсной лампы в форме пружины. Когда он зажег ее, рубиновый стержень испустил яркий импульс густого красного света – первый лазерный луч.

С того момента лазерная область стремительно развивалась. Сегодня, тщательно подобрав элементы для лазерных диодов, можно добиться излучения на различных длинах волн, что имеет целый ряд разнообразных применений (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Тщательно выбирая химические элементы, используемые для изготовления лазерных диодов, и их относительные доли, инженеры могут сконструировать полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн от голубого до инфракрасного диапазона электромагнитного спектра и имеющие самые разно образные применения.

Следующая стадия эволюции лазеров продолжает развиваться: кардинально меняется способ формирования лазерного света. Новая волна приборов основывается на использовании для формирования света похожих на частицы порций энергии – не являясь ни светом, ни веществом, они одновременно представляют собой и то, и другое.

Не такой таинственный

Лазеры и транзисторы используют квантовые частицы, например электроны и фотоны, но в них не задействуется напрямую таинственное квантовое поведение – суперпозиция и запутанность. Но перспективы области квантовой информации обещают нам и это (см. главу 5).

5. Квантовая информация и вычисления

Обработка информации, заключенной в квантовых состояниях, а не в электрических токах обычных компьютерных микросхем, открывает перспективы несравненно более эффективной, экономичной и безопасной обработки числовых данных. По крайней мере, в теории. Задача состоит лишь в том, чтобы сделать ее реальной. Что касается будущего, квантовая криптография обещает новый способ абсолютной конфиденциальной коммуникации – жизненно важной для все более цифровизирующегося общества. И это только начало: новые применения квантовой механики появляются все время.

Что делает квантовые компьютеры такими уникальными?

Идея использования законов квантовой механики для построения компьютера впервые была предложена физиком Ричардом Фейнманом (см. рис. 5.1) в 1982 году, а в 1985 году физик Дэвид Дойч создал первую теоретическую схему. Эта область процветала и в последующие десятилетия (см. хронологию ниже в этой главе). Но как в реальности построить квантовый компьютер и как он работает? Чтобы внести ясность, приведем сводку основ.

Обычные компьютеры обрабатывают информацию, используя наличие или отсутствие электрического заряда (или тока). Эти классические биты имеют два положения: включен (1) и выключен (0). Полупроводниковые переключатели – транзисторы – переворачивают эти биты, осуществляя логические элементы, например И, ИЛИ и НЕ. Объединяя эти элементы, мы можем вычислить все, что в принципе поддается вычислению.

Рис. 5.1. Ричард Фейнман – пионер в области квантовых вычислений.

В квантовых вычислениях переключение производится между квантовыми состояниями. К квантовым объектам, как правило, может быть применимо множество состояний одновременно: атом в одно и то же время может занимать несколько положений или находиться в нескольких энергетических состояниях, фотон – более чем в одном состоянии поляризации, и так далее. Можно сказать, что квантовый бит, или кубит, является суперпозицией, включающей одновременно и 0, и 1.

Это уже предлагает существенное увеличение вычислительной мощности. Но реальная основа работы квантового компьютера – это возможность запутанности друг в друге состояний множества кубитов, что создает суперпозицию всех возможных комбинаций однокубитных состояний. Разнообразные операции, одновременно проводимые над разными частями суперпозиции, эффективно реализуют крайне мощный процессор с параллельными вычислениями, характеризующийся экспоненциальным ростом потенциала: n кубитов имеют производительность обработки информации 2n классических битов (см. рис. 5.2). Таким образом, 400-кубитный квантовый компьютер соответствует классическому компьютеру с 10^120 битами – числом, намного превышающим оцениваемое количество частиц, существующих во Вселенной.

Рис. 5.2. Квантовая суперпозиция и запутанность объединяются, реализуя более эффективную обработку и телепортацию информации на расстояния.

Кубит

Обычные компьютеры используют для обработки информации биты. Основная единица квантовых вычислений – кубит. Он является физической системой, которая может существовать в двух разных состояниях и воспроизводить единицы и нули, составляющие двоичный код, который используют компьютеры. Кубит может быть электроном, поддерживаемым в магнитном поле, или поляризованным фотоном, поэтому его спином легко управлять. Подготовка кубитов, а также их считывание и запись в них информации проводится с помощью специализированного оборудования, работающего, например, на рубиновом лазере, нелинейном кристалле или даже розовом бриллианте.

Суперпозиция

Необычайным преимуществом кубита перед обычным битом является то, что он может быть приведен в состояние суперпозиции, при котором кубит и 0, и 1 одновременно. Но привести его в это состояние очень сложно: любые рассеянные потоки тепла, электромагнитный шум или удар могут снова выбить кубит из суперпозиции. Предотвращаются эти факторы с помощью сложных холодильных установок или новейшей системы подавления вибрации. Но даже в этом случае запускать квантовый компьютер можно на ограниченное время, пока не сколлапсирует суперпозиция. Это «время когерентности» очень важно.

Запутанность

И вот здесь происходит настоящая «магия». Неразрывная взаимосвязь двух субатомных частиц, или запутанность, позволяет управлять сразу несколькими кубитами. Именно это делает квантовые компьютеры такими выдающимися: всего лишь восемь кубитов, запутанные и поддерживаемые в суперпозиции, могут одновременно представлять любое число от 0 до 255, позволяя вам проводить множество операций сразу. Для квантовых вычислений важным качеством является количество запутанных кубитов, которым можно управлять одновременно. Сейчас 14 – это рекорд, достигнутый в 2011 году группой Райнера Блатта в Инсбрукском университете (Австрия).

Исправление ошибок

Любой нормальный компьютер допускает ошибки. Иногда пик напряжения или проходящая частица космических лучей может поразить бит, изменив его с 0 на 1. Безопасность процессоров обеспечивается копированием данных, но в случае с кубитами работает закон, названный теоремой о запрете клонирования.

К счастью, для решения этой проблемы существуют алгоритмы исправления ошибок. Недостатком является то, что они нуждаются в огромном количестве кубитов – в 100–10 000 раз больше, чем нужно для реальных выполняемых вычислений. Однако мы быстро научились составлять массивы кубитов для исправления ошибок, и частота их появления также пошла на спад. В июне 2014 года компания IBM представила миру код, который исправляет ошибки и подходит для больших массивов кубитов – ожидается, что они обгонят по производительности обычные машины.

Что делает кубит хорошим?

В 1997 году Дэвид Ди Винченцо из IBM определил жесткий, хотя и не исчерпывающий список некоторых необходимых требований, которым должен соответствовать любой практичный квантовый компьютер.

• Масштабируемость

Чтобы превзойти классический компьютер, квантовый должен справляться с сотнями кубитов, включая запутывание и управление. Квантовые компьютеры, построенные до настоящего времени, осиливают только несколько. Масштабируемость представляет собой серьезное препятствие: чем больше система, тем сильнее она склонна «декогерировать» в условиях окружающих шумов, теряя необходимый квантовый характер.

• Инициализация

Мы должны быть способны надежно зафиксировать все кубиты в одном состоянии (скажем, в состоянии нуля) в начале вычислений.

• Когерентность

Время до начала декогеренции должно быть намного больше времени включения квантового логического элемента – желательно, в несколько десятков раз. В большинстве практических реализаций, которые были выполнены к настоящему времени, это требовало рабочую температуру, близкую к абсолютному нулю, для ограничения эффектов интерференции с окружающей средой.

• Точность

Результаты операций должны точно воспроизводиться кубитом, даже при осуществлении множества последовательных операций.

• Стабильная память

Должен быть обеспечен надежный способ установления состояния кубита, поддержки его в том состоянии и его последующего сброса.

Решение числовых задач

Как и остальные квантовые хитрости, перспективы квантовых компьютеров опираются в основном на два алгоритма. Один, разработанный в 1994 году Питером Шором, работавшим тогда в Bell Labs, позволяет квантовому компьютеру быстро находить простые множители больших чисел (см. интервью ниже в этой главе). Классические компьютеры фактически должны поочередно разделить данное число на все простые множители (2, 3, 5, 7, 11 и т. д.), тогда как квантовые могут производить все эти деления одновременно. Обычные методы шифровки основываются на том, что классические компьютеры не могут эффективно раскладывать на простые множители.

Если бы алгоритм Шора реализовали на практике в глобальных масштабах, то зашифрованная информация, например пин-код вашей банковской карты, стала бы уязвима для взлома – и квантовая криптография была бы единственной реальной защитой (см. ниже в этой главе). Пока что волноваться рано, поскольку квантовые компьютеры недостаточно мощны. В долгосрочной перспективе алгоритм, разработанный физиком Ловом Гровером в 1996 году, также в Bell Labs, может стать самым веским коммерческим аргументом в пользу квантового компьютера. Он предоставляет рецепт, следуя которому, квантовый компьютер сможет радикально ускорить получение огромных объемов информации и поиск среди ее массивов.

Рассмотрим пример базы данных библиотеки со списком ее содержимого. Поиск в ней конкретной книги на классическом компьютере займет время, пропорциональное числу книг n; с помощью алгоритма Гровера для квантового компьютера оно будет прямо пропорционально √n. Для библиотеки с миллионом книг процесс пройдет в 1000 раз быстрее. Возможности такого алгоритма имеют повсеместное применение: почти все вычислительно сложные проблемы, например задача про путешествие торговца, который должен найти кратчайший маршрут по определенному числу городов, в конечном итоге сводятся к поиску оптимального решения. Однако для реализации этих блестящих перспектив придется сделать кое-что еще.

Компьютерная аппаратура

Существует множество вариаций подготовки кубитов для квантового компьютера – от поляризации света или охлаждения атомов до подавления коллективного движения электронов. Но кубиты должны соответствовать некоторым жестким критериям, особенно в части подтверждения своей надежности, или «когерентности», к поражению со стороны окружающей классической среды. Ни один из сортов кубитов так и не собрал все галочки по чек-листу «готовности». Самыми долгоживущими оказались сверхпроводящие кубиты, но имеется и ультрахолодная новинка – спин, а также несколько неожиданных вариантов, речь о которых пойдет ниже.

Сверхпроводящие кубиты

Предвестник всех технологий квантовых компьютеров появился в 1962 году, когда Брайан Джозефсон продемонстрировал удивительный эффект в результате создания небольшого зазора в полосе сверхпроводника – материала с нулевым сопротивлением к потоку электронов при низких температурах. Например, сверхпроводящие цепи, включающие такое «джозефсоновское соединение», позволяют току течь по часовой стрелке и против нее одновременно. Это суперпозиция состояний – как раз то, что нужно для кубита. Более того, эти системы производятся из главного материала электронных технологий – кремния.

Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы, от англ. SQUID – Superconducting Quantum Interference Devices) уже используют этот эффект для проведения невероятно чувствительных измерений электромагнитных полей. Но движения электронов и состояния магнитных полей внутри СКВИДов могут также управляться с помощью внешних полей для образования битов квантового логического устройства. Кубиты СКВИДов предлагают хорошую инициализацию и время декогеренции, примерно в десять раз превышающие требуемые для включения логического элемента. Однако при большом числе кубитов нагрев вследствие использования для управления внешних полей становится проблемой.

В 2011 году компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Британская Колумбия, Канада), заявила о разработке 128-кубитного компьютера, а впоследствии и еще более мощного. Последний, объявленный в январе 2017 года (см. также ниже в параграфе «Не хотите один прямо сейчас?»), – это D-Wave 2000Q с 2000 кубитов; но все еще открыт вопрос, является ли это устройство полностью квантовым. У компании IBM уже есть 5-кубитный сверхпроводящий компьютер, способный производить квантовые вычисления, и он подключен к Интернету для внешнего использования. Компания Google обладает 9-кубитным компьютером и в ближайшем будущем надеется приобрести 49-кубитный (с использованием сетки 7x7 кубитов).

Спиновые кубиты

Одними из первых исследованных кубитов были спиновые состояния ядер, управляемые с использованием магнитных полей. Большим преимуществом спиновых состояний является то, что они составляют кубиты при комнатной температуре, хотя и с очень низкой точностью инициализации – порядка один на миллион. Но эффект теплового шума, разрушающий запутанность, означает, что компьютеры на спинах ядер ограничены 20 кубитами, прежде чем их сигнал станет размытым. Одна разновидность спинового оформления использует примеси азота в практически идеальной кристаллической решетке алмаза (угля). С их помощью вводятся электроны, спины которых управляются электрическим или магнитным полем, а также с помощью света, но увеличение до чего-то большего, чем пара спинов, оказалось слишком трудоемким.

Квантовые вычисления на ионных ловушках

Захват ионов – один из наиболее развитых методов изготовления кубитов для квантового компьютера. Положительно заряженные ионы ловятся электромагнитным полем и охлаждаются примерно до нанокельвина, чтобы уменьшить их колебания и ограничить декогеренцию. Затем информация кодируется энергетическими уровнями ионов и управляется лазерным светом. За счет этого достигаются успешная инициализация (99,99% случаев), точность (около 99% случаев) и устойчивое многолетнее хранение памяти.

В 1995 году Дэвид Уайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) использовали захваченные ионы для создания первого квантового логического вентиля – управляемого НЕ (C-NOT) для распутывания запутанных ионов. В 2011 году физики из Инсбрукского университета разработали 6-кубитный квантовый симулятор на ионной ловушке, модель которого была предложена в 1981 году Ричардом Фейнманом. А в 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере захватили рекордные 219 ионов бериллия и запутали их квантовые свойства лазерами. Декогеренция и масштабирование остаются, однако, взаимосвязанными проблемами.

Квантовые вычисления на фотонах

Фотоны выглядят как хорошие будущие кубиты: они легко входят в суперпозицию и остаются когерентными в течение достаточно длительного времени. Положение, поляризацию или даже просто число фотонов в данной области пространства можно использовать для кодирования кубита. Хотя инициализация их состояний проста, фотоны довольно верткие: их легко потерять, и они не слишком тесно взаимодействуют друг с другом. Это делает их хорошим инструментом передачи квантовой информацией, но для ее хранения надо отпечатать фотонные состояния на чем-то более долгоживущем, например на энергетическом уровне атома.

Если у нас все получится, то это подтвердит перспективность квантовых вычислений с помощью фотонов, в том числе и потому, что их обработка может быть выполнена при комнатной температуре. В 2012 году группа из Венского университета использовала четыре запутанных фотона для проведения первых «слепых» квантовых вычислений. Пользователь посылает закодированную квантовым образом информацию удаленному компьютеру, который «не видит», что именно вычисляется. В будущем это может стать парадигмой – полностью защищенные квантовые вычисления в «облаке». Продолжают ставиться новые рекорды по самому большому числу запутанных фотонов: в 2016 году, например, группа из Университета науки и технологий Китая разработала лазерную систему, которая запутала сразу десять одиночных фотонов.

Холодные атомы

Скопления многих сотен атомов могут стать хорошими кубитами, если их захватить, охладить и упорядочить с использованием лазера в двумерный массив, известный как «оптическая решетка». Энергетические состояния этих атомов могут кодировать информацию, которой можно управлять с помощью дополнительных лазеров, как захваченными ионами. Мы овладели основными методами, но для создания реального квантового компьютера из холодных атомов требуется установить надежную запутанность скоплений этих холодных тел.

Атомно-световые гибриды

Электродинамика резонаторов – это подход квантовых вычислений, целью которого является объединение неподвижных холодных атомов с проворными фотонами. Свет захватывается внутри резонатора микронных размеров, а атомы запускаются через него с выполнением логических операций через взаимодействия атомов и фотонов.

Инициализация атомов демонстрирует высокую эффективность, а декогеренция допускает выполнение около десяти операций с логическими элементами – но масштабирование технологии возможно только после разработки надежных способов запутывания захваченных холодных атомов. Серж Арош из Коллеж де Франс в Париже (Франция), один из пионеров электродинамики резонаторов, разделил Нобелевскую премию по физике 2012 года с исследователем захваченных ионов Дэвидом Уайнлендом.

Топологические квантовые вычисления

В этой методике кубиты кодируются тем, как субатомные частицы движутся относительно друг друга. Однако этой многообещающей основе для квантового компьютера еще предстоит сойти с теоретической чертежной доски, поскольку она зависит от существования частиц, ограниченных двумя измерениями и называемых анионами[2]. Эти «топологические» частицы необыкновенно невосприимчивы к окружающему шуму, что делает их отличными кубитами. Частицы, такие как фермионы Майораны, которые соответствуют некоторым требованиям анионов, были изготовлены в определенных твердых телах, но все же остается спорным, принесут ли они пользу практическим квантовым вычислениям.

Дополнительные выгоды

Помимо невероятной вычислительной мощности, квантовые компьютеры предлагают много других выгод, основной из которых является экономия. За последние десятилетия мы преуспели в набивании классических компьютерных микросхем все бóльшим и бóльшим числом транзисторов. Но плотность потока тепла, выделяемого в результате постоянного обнуления этих физических выключателей, сейчас представляет собой фундаментальный барьер для дальнейшей миниатюризации. Квантовые вычисления могут обойти этот барьер.

Это связано с тем, что за счет правильных манипуляций можно переключаться между квантовыми состояниями, например поляризациями фотонов, без какого-либо потребления тепла. И все же это не дает карт-бланш маломощным вычислениям. Чтение и запись информации в квантовую память предполагают проведение измерений, подобных щелканью классическим выключателем, так что по-прежнему будет выделяться некоторое тепло.

Другая выгода, предлагаемая квантовыми вычислениями, – это способность справляться с так называемыми сложными задачами. Специалисты в области теории вычислительных машин и их систем условно разделяют задачи на «простые» и «сложные». При выполнении простых задач вычислительные ресурсы, необходимые для поиска решения, пропорциональны степени числа используемых переменных, в сложных же необходимость в ресурсах растет по более крутой экспоненциальной кривой. Сложные задачи быстро выходят за пределы досягаемости классическими компьютерами. Экспоненциально возрастающая мощность квантовых компьютеров может дать больше огневой силы, делая задачи не совсем простыми, но, по крайней мере, менее сложными.

Однако квантовое ускорение не является данностью: сперва нам нужен особый алгоритм, который поможет его достичь. Для важных сложных задач, например разложения больших чисел на множители или поиска в базе данных, у нас уже есть решения, в частности алгоритмы Шора и Гровера (см. параграф «Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров»). Но при выполнении бытовой задачи вроде перечисления всех элементов базы данных время или мощность, требуемые для ее решения, всегда будут прямо пропорциональны числу элементов и не дадут ощутимого квантового ускорения.

К сожалению, эти выгоды предполагают изменение реальной ситуации, для чего требуется достаточно большой квантовый компьютер, но сейчас о нем легче говорить, чем сделать.

Начало квантовой обработки информации

1981

Физик Ричард Фейнман утверждает, что моделирование корреляций и взаимодействий частиц в сложных задачах квантовой физики может быть осуществлено только универсальным квантовым симулятором, использующим те же самые свойства.

1982

Теорема о невозможности клонирования угрожает надеждам на квантовые вычисления. Она утверждает, что квантовые биты нельзя копировать, так что нет возможности резервировать информацию. Тем не менее это также является преимуществом: перехват данных становится невероятно трудным, что обеспечивает безопасность квантовой передачи информации.

1984

Чарльз Беннетт из компании IBM и Жиль Брассар из Монреальского университета (Канада) разрабатывают BB84 – первое решение безопасного шифрования и передачи информации квантовыми состояниями.

1985

Дэвид Дойч из Оксфордского университета демонстрирует теоретическую схему универсального квантового компьютера, который может имитировать классические логические элементы и выполнять все функции квантовой логики.

1992

Теория квантового сверхплотного кодирования показывает, как отправитель и получатель могут обмениваться двумя классическими битами информации, деля только одну запутанную пару квантовых состояний.

1993

В действительности вам вовсе не нужно передавать квантовые состояния, чтобы использовать их возможности: протоколы квантовой телепортации доказывают, что обладание запутанными квантовыми состояниями и сообщение эффективны и при использовании классических битов.

1994

Алгоритм Шора показывает, что квантовый компьютер может разложить число на множители быстрее, чем любой классический.

1995

Американский физик Бенджамин Шумахер вводит термин «кубит» для квантового бита.

1996

Алгоритм Гровера дает решение, благодаря которому квантовый компьютер может обогнать по производительности классические при выполнении крайне распространенной задачи – найти элемент в неотсортированной базе данных.

1996

Квантовая теория исправления ошибок наконец решает проблему запрета клонирования. Квантовая информация не может быть скопирована – но она может быть распространена по многим кубитам. На основе этого были созданы главные теоретические инструменты обработки квантовой информации. Трудностью тогда было создание соответствующих технологий.

Интервью. Дэвид Дойч – пионер квантовых вычислений

Дэвид Дойч – профессор физики Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. В 1998 году он был награжден премией и медалью Поля Дирака от Института физики, а в 2005 году удостоен премии в области компьютерных наук за работу, расширившую границы идеи вычислений. В 1985 году Дойч в корне изменил физику описанием универсального квантового компьютера, став первопроходцем квантовой информатики. Он объясняет, как она связана с понятиями истины и реальности в нашей Вселенной – и даже за ее пределами.

– Когда Вы опубликовали свою статью по квантовым вычислениям, какова была реакция общественности?

– Люди не восприняли ее как новый способ мышления. Потребовалось несколько лет, чтобы физическое сообщество начало работать над квантовыми вычислениями. Конечно, была небольшая группа тех, кто сразу понял ее важность, но область начала развиваться лишь несколько лет спустя.

– Что мотивировало Вас на работу над квантовыми вычислениями?

– Было желание понять основу квантовой теории, основу физики, основу всего. Базовые постулаты одной области имеют тенденцию к пересечению с постулатами других. Квантовые вычисления, например, имеют последствия не только для основы квантовой теории, но также и для основы физики в целом, а также для математики и философии.

– Как квантовые вычисления пролили свет на существование многих миров?

– Скажем, мы решили разложить на множители целое число с 10 000 цифрами – произведение двух больших простых чисел. Это число не может быть выражено как произведение множителей любым мыслимым классическим компьютером. Даже если бы вы взяли все вещество наблюдаемой Вселенной, превратили его в компьютер, а потом запустили этот компьютер на время, равное возрасту Вселенной, он бы не приблизился и к началу решения этой задачи. Но квантовый компьютер легко может разложить это число на множители за минуты или даже секунды. Как такое может случиться?

Любой, кто не является солипсистом, должно быть, скажет, что ответ дает некоторый физический процесс. Мы знаем, что в этой Вселенной нет достаточной вычислительной мощности, чтобы получить ответ, так что происходит что-то большее, чем мы можем непосредственно видеть. В таком случае становится вполне закономерным принятие многомировой структуры. Количество вычислительных подпроцессов неизмеримо больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Потом они объединяют свои результаты для получения ответа. Каждый, кто отрицает существование параллельных вселенных, должен в таком случае объяснить, как работает этот процесс разложения на множители.

Не хотите один прямо сейчас?

Не терпится заполучить новый блестящий квантовый компьютер? Тогда у нас есть хорошая новость – уже сегодня вы можете купить один, если у вас в запасе хотя бы 10 миллионов долларов.

Компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Канада), – новичок, вторгшийся в область квантовых разработок. В число ее покупателей входят Google и NASA. Ее флагманская модель, запущенная в производство в январе 2017 года, известна под названием D-Wave 2000 Q и содержит решетку из мельчайших сверхпроводящих цепей из металла ниобия, каждая из которых составляет один кубит. В ней содержится вплоть до 2048 кубитов и используется 128 000 джозефсоновских соединений. Но имейте в виду – это не квантовый ноутбук. Этот инновационный черный ящик, вмещающий в себя суперкомпьютер, вместе с обслуживающей криогенной системой и интерфейсом занимает целую комнату. Как это ни удивительно, но он работает всего лишь на 25 киловаттах – малой доле от мощности, потребляемой самыми быстрыми суперкомпьютерами мира.

Полная 2000-кубитная производительность значительно превысит имеющуюся у конкурентов, и испытания показывают, что эта новая машина D-Wave Systems превосходит классическую по времени, занимаемому чистыми вычислениями, в 1000–10 000 раз. Но тесты ее предшественника, D-Wave 2X, оказались неубедительными, и были серьезные сомнения, действительно ли он опережает по производительности обычные компьютеры.

В августе 2015 года D-Wave Systems объявила, что ее D-Wave 2X почти в 15 раз быстрее, чем обычные ПК. Она показала компьютер на деле с помощью набора тестов, основанных на решении задач со случайными перестановками: к примеру, компьютеру нужно было собирать самую лучшую футбольную команду из списка игроков с разными способностями, каждый из которых работает лучше или хуже с тем или иным партнером. В сравнении со специализированными оптимизационными программами, работающими на обычном ПК, 2X находил ответ в 2–15 раз быстрее. Но критики говорят, что такое сравнение не объективно.

D-Wave 2X имеет только одно применение – выполнение алгоритма оптимизации, вычисляющего лучшее решение данной проблемы. Тем не менее этого достаточно для первых двух покупателей D-Wave Systems. Google использует его в машинном обучении, а корпорация Lockheed Martin с его помощью ищет ошибки в работе своего программного обеспечения для бортовых систем.

Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры за счет своих способностей имеют большой потенциал и, очевидно, не испытывают дефицита в областях возможного применения. Вот их краткий список.

Супернадежное шифрование

Эта квантово-информационная технология уже вовсю применяется в коммуникациях. Различные небольшие системы квантовой криптографии для надежной передачи информации, в основном использующие в качестве кубитов поляризованные фотоны, были реализованы такими компаниями и лабораториями, как Toshiba, Hewlett Packard, IBM и Mitsubishi. В октябре 2007 года система квантовой криптографии, созданная Николасом Гисиным и его коллегами в Женевском университете, была использована для безопасной передачи голосов из центрального избирательного участка в офис подсчета во время федеральных выборов в Швейцарии. Подобная система голосования, разработанная научно-производственной фирмой ID Quantique, была использована для безопасной передачи данных во время проведения чемпионата мира по футболу в 2010 году в Южной Африке.

Расстояние, на которое квантовые состояния могут быть переданы по оптоволоконным кабелям, ограничено десятками километров из-за случайной диффузии. Один многообещающий способ обойти это подобен протоколам исправления ошибок для квантовых компьютеров и заключается в распространении информации по нескольким кубитам. Но это представляет угрозу безопасности, давая больше информации возможному перехватчику.

Альтернативой является передача по воздуху. Мировой рекорд полноценной телепортации одного кубита информации, установленный Антоном Цайлингером и его коллегами из Венского университета, составил 143 километра – расстояние между о. Пальма и Тенерифе, входящими в архипелаг Канарских островов. Это означает, что хрупкие квантовые состояния могут быть переданы на значительные расстояния по воздуху без искажений – и намекает на то, что всемирная надежная квантовая сеть, использующая спутники, реально возможна.

В августе 2016 года в Китае был запущен первый спутник квантовой связи для проверки технологии, которая однажды может стать частью защищенной от взлома сети. Она будет использовать фотоны для проверки распространения квантовых ключей.

Квантовые симуляции

Изначально мотивация Ричарда Фейнмана на размышления о квантовых компьютерах в 1981 году состояла в том, что они будут эффективней классических компьютеров в моделировании квантовых систем, в том числе собственных. Это звучит не слишком впечатляюще, но многие из самых досаждающих научных практических проблем, например вопрос того, что именно заставляет сверхпроводники проводить без сопротивления или магниты обладать магнитными свойствами, сложно, а зачастую даже невозможно решить с помощью классических компьютеров.

Теоретики квантовой информации уже разработали замысловатые алгоритмы для аппроксимации сложных квантовых систем, состоящих из множества частиц, предвосхищая появление квантовых компьютеров, обладающих достаточной мощностью для работы с ними. Прелесть в том, что такие симуляторы не будут ограничены существующей физикой: мы также можем использовать их, чтобы получить информацию о еще не изученных явлениях. Квантовые симуляции могут рассказать нам, где, скажем, лучше всего искать в природе частицы Майораны, находящиеся, например, в сложных многочастичных сверхпроводящих состояниях. Считается, что эти частицы являются античастицами сами себе и имеют свойства, которые могли бы сделать их идеальным инструментом для создания добротной квантовой памяти. Это открывает любопытную возможность – использовать квантовые компьютеры, чтобы предложить еще более мощные квантовые компьютеры.

Метрология

Выполнение точных измерений – потенциально одна из наиболее значимых сфер применения квантовых компьютеров. Эффекты классического шума при фиксации чувствительных измерений физических величин, например интервалов времени или расстояний, означают, что лучшая статистическая точность, которую мы можем достичь, растет с квадратным корнем числа битов, используемых для записи.

Между тем квантовая неопределенность определяется принципом неопределенности Гейзенберга и быстро улучшается с ростом числа проделанных измерений. Посредством кодирования расстояний и временных интервалов с использованием квантовой информации – измеряя их, например, поляризованными фотонами лазера – можно достичь намного большей точности.

Этот принцип уже применялся в гигантских интерферометрах, в которых используются отклонения лазерных пучков километровой длины для детектирования неуловимых гравитационных волн, предсказанных теорией относительности Эйнштейна, например детекторами LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). В этих случаях мы можем рассматривать гравитацию как шум, возмущающий кубиты, в роли которых выступают положение и импульс фотонов от лазера. Измеряя эти возмущения, мы можем оценить интенсивность волн.

Мы еще не приехали?

Ни один обзор квантовых компьютеров не будет полным без попытки ответить на вопрос стоимостью в 64 000 долларов (или даже гораздо большей): возможно ли, что мы увидим работающие квантовые компьютеры в наших домах, офисах и руках в ближайшее время? Ответ напрямую зависит от результатов поиска среды, способной кодировать и обрабатывать от 10 до 20 кубитов, которыми могут управлять имеющиеся технологии. Но достижение нескольких сотен кубитов, необходимое для опережения классических компьютеров, – во многом скорее техническая сложность. За пару десятилетий, с учетом прогресса в охлаждении и захвате, а также в сочетании со светом, от существующих технологий захваченных ионов и холодных атомов можно добиться необходимой стабильности в достаточно больших количествах для достижения действенных квантовых вычислений.

Первые крупномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, буквально такими и будут – крупномасштабными. Вложения в эту область существенно возросли за последние годы, и даже скептики сегодня говорят о крупномасштабных квантовых вычислениях как о неизбежном этапе развития, который, возможно, принесет свои плоды в следующие пять-десять лет. Эти системы, вероятно, будут управлять кубитами с помощью лазеров, и им потребуется сверхохлаждение, так что вряд ли они появятся в наших домах. Но если будущее большей части вычислений – это централизованные удаленные хранилища данных, возможно, эта необходимость не будет сильно мешать.

Когда появится что-то поменьше, следующей проблемой станет запутанность, являющаяся хрупкой драгоценностью и в более благоприятных условиях, поддерживать которую с ростом квантовой системы будет все сложнее и сложнее. Стало бы гораздо проще достичь прогресса в квантовых вычислениях, если бы наша убежденность в критической необходимости и центральном месте в таких вычислениях запутанных состояний оказалась ошибочной. Идея такой возможности появилась в 1998 году с разработкой «однокубитных» алгоритмов. Они могут решать широкий класс задач, включая разложение на множители по алгоритму Шора, и не требуют многих запутанных кубитов. Практическое осуществление такой технологии стало бы удивительно ловким приемом – однако исключительно важный алгоритм поиска по базе данных Гровера на ее основе реализовать невозможно.

Бытует мнение, что хрупкость квантовых систем не позволит нам осуществлять квантовые вычисления в таких крупномасштабных, шумных, теплых и сырых средах, в которых работаем мы, люди. Вопреки этому, надежду на их реализацию нам дают недавние свидетельства того, что живые системы, например фотосинтез у бактерии или аппарат магнитной навигации в сетчатке у птиц, используют некую простую обработку квантовой информации для повышения собственной эффективности (подробнее об этом см. в главе 6).

Если мы сможем раскрыть эти секреты, квантовый компьютер на каждом рабочем столе и на ладони каждой руки больше не покажется таким фантастическим.

Квантовые коммуникации

Сегодня криптографические системы находятся в довольно неустойчивом состоянии. Безопасность всех наших онлайн-закупок, банковских трансакций и аккаунтов основывается на шатком допущении, что эти конкретные математические операции трудновыполнимы. Наиболее известная из современных шифровальных систем называется алгоритмом RSA. Для шифрования данных она создает ключ из двух очень больших простых чисел. Они держатся в секрете, но их произведение – число длиной в тысячи двоичных цифр – известно всем. Данные могут быть зашифрованы с использованием этого открытого ключа, но расшифровать их можно, только зная его исходные числа. Безопасность RSA основывается на отсутствии известного простого способа найти два начальных числа. Существующие методы представляют собой почти бесконечные процессы, например подбор всех возможных вариантов по очереди.

Во всяком случае, мы на это надеемся. В настоящее время ни один классический компьютер не способен быстро решить эту задачу «в лоб», но все может измениться, особенно если крупномасштабные, по-настоящему квантовые компьютеры будут запущены в работу. Одним из способов дать новую жизнь нашей безопасности является использование квантовой криптографии. Она обещает возможность создания абсолютно случайных и непредсказуемых ключей, которые будут недоступны шпионам.

Квантовая криптография полностью зависит от законов, которые управляют такими частицами, как фотоны или электроны. Их свойства, включая, например, поляризацию, принимают несколько значений одновременно, сворачиваясь в четкую определенность, только когда эти частицы измеряют (см. рис. 5.3). Используйте эти свойства как основу для шифрования, и вы сделаете невозможной любую попытку подсмотреть ваш ключ: это изменит результат измерения, по сути разрушая пломбу, защищающую от воровства.

Рис. 5.3. Непревзойденная защита: как квантовые ключи будут обеспечивать безопасность передачи сообщений.

Имеющиеся системы используют протокол, при котором Алиса, передающая ключ, выпускает поляризованный фотон и проводит над ним измерения перед тем, как его отправить. Ее партнер по переписке Боб выбирает особый способ измерения этого состояния поляризации, а потом вместе с Алисой использует незашифрованный канал для сравнения способов измерений, которые они проделали. За счет этого они создают одну цифру закрытого ключа для использования в шифровании сообщений. Чтобы построить весь ключ, Алиса и Боб просто повторяют процесс.

Методика уже использовалась для защиты клинических данных, финансовых трансакций и результатов голосования на федеральных выборах в Швейцарии. Однако это довольно дорогая технология, так что проблема заключается в разработке дешевого оборудования квантовой коммуникации. Прототип микросхемы передатчика для квантовых коммуникаций уже был разработан в Бристольском университете, и однажды такие устройства могут поместить внутрь вашего Wi-Fi-роутера или мобильного телефона, чтобы ввести безопасные коммуникации в массы.

Интервью. Квантовый алгоритм для дешифровки онлайн-данных?

Питер Шор является профессором прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Его квантовый алгоритм мог бы взломать шифры, которые защищают наши онлайн-данные, – но выполнять его должен достаточно мощный квантовый компьютер. В этом интервью Шор объясняет, почему он разработал алгоритм для квантового компьютера, который мог бы разгадать шифрование наших онлайн-данных.

– Безопасность в Интернете основывается на том, что наши компьютеры не могут взломать его криптографические системы. Но квантовый алгоритм, который Вы разработали, как раз обладает этой возможностью. Почему Вы его создали?

– Моей мотивацией было увидеть, на что способен квантовый компьютер. Более ранний квантовый алгоритм работал, используя периодичность, – тенденцию некоторых числовых последовательностей регулярно повторяться. Это имеет отношение к разложению на множители или поиску среди них чисел поменьше, так что я считал, что квантовые компьютеры способны разлагать большие числа на множители. Поскольку криптосистемы в Интернете опираются на отсутствие у имеющихся компьютеров этой возможности, я представил себе достаточно мощный квантовый компьютер, способный взломать эти системы.

– Беспокоились ли Вы о последствиях, когда закончили «алгоритм Шора» в 1994 году?

– Я чувствовал себя превосходно, обнаружив нечто такое, о чем не знал никто другой. Если не я, то рано или поздно это совершил бы кто-то другой. В те времена квантовые компьютеры были лишь гипотезой, и я не задумывался о том, что они могут быть собраны. Мы будем в довольно безопасном положении еще пять или десять лет, а возможно, даже большее время.

– Квантовую криптографию невозможно взломать разложением на множители. Может ли она однажды заменить стандартные криптографические системы?

– Для коротких расстояний не слишком сложно построить квантовую сеть, распространяющую ключи шифрования данных. Для больших же понадобятся квантовые повторители примерно на каждые 50 километров оптоволоконной сети, поскольку на больших расстояниях сложно поддерживать квантовое состояние. Даже если они когда-нибудь станут дешевле, вложения все равно будут довольно большие.

– Насколько сложнее написать алгоритм для квантового компьютера?

– Намного сложнее. Квантовые компьютеры основываются на форме интерференции – по сути том же самом явлении, что и интерференция световых волн, но в более математическом исполнении. Вычислительным путям к правильному ответу необходимо интерферировать конструктивно, тогда как ведущие к неверному должны интерферировать деструктивно.

– Почему нужно писать именно квантовые алгоритмы, если у нас все еще нет соответствующего оборудования для их запуска?

– Чем больше применений вы сможете придумать для квантового компьютера, тем важнее будет его собрать. Например, вы можете создать более эффективный метод разработки лекарств с применением квантовых эффектов, предсказывающих химические реакции молекул. В настоящий момент фармацевтические компании используют обычные программы для симуляции этих эффектов, но у вас, возможно, получится лучше за счет способностей квантового компьютера.

Шум – ключ к квантовым технологиям?

Оказалось, что собрать квантовые устройства крайне сложно, потому что они должны работать в условиях, исключающих шумы. Однако достижение контроля запутанности – в целом задача не из приятных. Столкновения с молекулами воздуха, случайные электромагнитные сигналы, тепло и множество других факторов создают вибрации, или шумы, которые быстро разрушают эту квантовую особенность. Квантовый алгоритм, снижающий шумы, может достаточно долго сохранять запутанность для вычисления точных результатов, но до сих пор не было найдено универсальное решение, использующее больше нескольких кубитов. Маловероятно, что крупномасштабный компьютер, работающий на чистой запутанности, будет построен в следующее десятилетие.

А что если бы мы могли создать квантовые устройства, которые допускают шумы – или даже используют их? Это может стать реальным благодаря непонятному свойству квантового мира, называемому квантовым дискордом – актуальный, но неоднозначный инструмент. Дискорд был впервые обнаружен в начале 2000-х годов тремя независимыми группами, работающими в Великобритании, США и Польше. В его основе лежит понимание того, что «квантовое» не означает выбор между «да» и «нет». Система может быть полностью квантовой и потому пересеченной связями запутанности. Но она также может быть и лишь частично квантовой, не имея связей запутанности, но обладая при этом другими квантовыми особенностями. По сути дискорд измеряет эту квантовость, охватывая как запутанность, так и то, что однажды назвали нежелательным шумом. В квантовых системах он встречается повсюду.

В течение семи лет дискорд оставался узкоспециализированной темой и его практическая важность была неочевидна. Однако интерес к нему возрос пять лет назад, когда начали появляться свидетельства того, что он может добавить «квантовой мощи» системе, даже когда запутанность отсутствует. Изначально предполагалось, что запутанность является обязательным условием.

Переломный момент произошел в 2008 году, когда исследователи из Университета Нью-Мексико по-новому взглянули на возможности упрощенной модели квантового компьютера, названной DQC1 (от англ. deterministic quantum computation with one quantum bit – детерминистское квантовое вычисление с одним квантовым битом). Они обнаружили, что по мере увеличения числа кубитов компьютер продолжает работать эффективно, даже если количество данных растет экспоненциально, – что было неосуществимо для цифровых компьютеров. Интересно, что это заметное улучшение было достигнуто без существенного увеличения запутанности. Это наблюдение привело ученых к выводу, что за обеспечение такого эффекта ответственен дискорд. Примечательно, что DQC1 работает только с одним защищенным от шума кубитом, тогда как все остальные полностью зашумлены. Она показывает нам, что большое количество шумов не обязательно является помехой, и использует их как ресурс, когда они комбинируются с частичкой чистого сигнала. Другие недавние исследования показывают, что квантовый компьютер, не производящий никакого дискорда, в большинстве случаев демонстрирует мощность, не превышающую показатели классического компьютера.

Оказывается, дискорд также играет не последнюю роль в работе квантовых датчиков – это один из возможных способов увеличения точности датчиков при меньших затратах энергии. Он может быть использован, например, для анализа хрупких биологических образцов, разрушающихся под воздействием света. Исследование показывает, что в некоторых типах шумных квантовых датчиков, где запутанность не защищена от шума, увеличение квантовой эффективности возможно за счет использования дискорда.

Другим увлекательным открытием стало наличие корреляции между дискордом и точностью квантовых датчиков. Используя компьютер DQC1, квантовые датчики продемонстрировали, что дискорд обеспечивает увеличение квантовыми механизмами точности измерений.

Однако в научных кругах практическая значимость дискорда остается спорным вопросом, и некоторые исследователи скептически относятся к его роли. В основном потому, что потребовалось много лет для достижения ясного понимания дискорда как важной и применимой физической величины. И чем больше для него находится применений, тем более популярным становится такое понимание.

Тратя дискорд

Одно из самых увлекательных открытий было сделано в 2012 году, когда группа ученых под руководством Майла Гу из Центра квантовых технологий Наньянского технологического университета (Сингапур) и Пинг Коя Лама из Австралийского национального университета в Канберре продемонстрировали убедительную связь между квантовой эффективностью и дискордом. Они показали, что увеличение количества информации о зашифрованном секретном сообщении, которая может быть извлечена с помощью настоящей квантовой машины, эквивалентно затраченному в этом процессе дискорду.

Когда-то смутная перспектива применения дискорда стремительно превращается в ключевое направление исследований, ведь имеются четкие свидетельства того, что шумные квантовые устройства являются следующей ступенью в увеличении эффективности квантовых технологий. Дискорд может сыграть роль даже в нашем понимании перехода между квантовым и классическим, который объясняет возникновение нашего повседневного жизненного опыта в реальном мире, а также в решении других фундаментальных проблем физики. Вполне вероятно, что однажды измерения повышенного квантового характера будут использоваться в самых современных датчиках для исследований геофизики и в других областях.

Рекордсмены

Квантовая телепортация

Рекорд дальности квантовой телепортации между двумя точками на Земле составил 143 километра. Он был установлен в 2012 году группой исследователей под руководством Антона Цайлингера из Венского университета. Мировой рекорд дальности квантовой телепортации по оптоволоконным сетям был установлен в сентябре 2016 года, когда две независимые группы передали квантовую информацию на расстояние в 6,2 километра.

Суперпозиция

Крупнейшим объектом, существовавшим в двух квантовых состояниях одновременно, является облако из 10 000 атомов рубидия.

Передача через космос

Первая квантовая передача через космическое пространство была совершена в 2014 году, когда фотоны в четырех разных квантовых состояниях (требуемый минимум для квантовой криптографии) были отправлены в космос и вернулись обратно, отразившись от пяти спутников, находящихся на расстояниях около 2600 километров друг от друга.

6. Квантовая биология

Мы склонны думать, что взаимодействие квантовой физики и биологии кончается на коте Шрёдингера (хотя Эрвин Шрёдингер не рассчитывал, что его несчастный кот станет чем-то большим, чем просто метафора). В действительности при написании в 1944 году книги «Что такое жизнь» он рассуждал, что живые организмы будут делать все возможное, чтобы воспрепятствовать расплывчатости квантовой физики. Но так ли это на самом деле?

Использовала ли жизнь мощь квантовой механики?

Квантовая механика кажется нам очень странной, поскольку мы не можем увидеть ее проявления в наблюдаемом мире. Более того, их воздействие обычно ограничено мельчайшими составляющими вещества, лежащими за пределами наших чувств, например электронами или атомами. А когда триллионы микроскопических частиц собираются вместе внутри больших объемных объектов, вся квантовая таинственность как бы смывается последовательными колебаниями молекул, или шумом.

Вот почему ученым приходится исследовать квантовые явления в разреженных лабораторных условиях. Они должны охлаждать все до абсолютного нуля, выкачивать весь воздух и ограждать свои опыты от любых посторонних вибраций. Только тогда они смогут обнаружить тонкие квантовые явления.

Жизнь – горячая, беспорядочная и сложная. Она идет внутри органических клеток, полных толкающихся частиц, которые порождают какофонию молекулярных шумов. Складывается впечатление, будто последнее, что там можно было бы найти, – это квантовая механика. Тем не менее в последние годы становится все яснее, что квантовое поведение проявляется и внутри живых клеток. Возможно, оно объяснит фотосинтез, работу энзимов, как ориентируются в пространстве птицы и даже как работает ДНК. Кажется, жизнь эволюционировала для использования таинственности квантовой механики, чтобы не дать нам умереть.

Да будет свет: фотосинтез

Фотосинтез – одна из самых важных для жизни химических реакций. Он использует энергию солнечного света, чтобы создать биологические строительные блоки, но его необычайную эффективность трудно объяснить.

Первый этап фотосинтеза – это захват фотона света электроном на внешней оболочке атома магния внутри молекулы пигмента хлорофилла. Дополнительная энергия заставляет электрон колебаться, образовывая нечто, называемое экситоном.

Следующий шаг – это перенос электрона к центру реакций, где захваченная световая энергия может быть превращена в химическую энергию. Этот процесс должен пройти очень быстро, иначе световая энергия будет утеряна. Но чтобы найди центр реакций, экситон должен пересечь лес молекул пигмента, где его энергия, скорее всего, пропадет. Но измерения показывают, что перенос экситонов имеет самую высокую эффективность из всех реакций переноса энергии, близкую при оптимальных условиях к 100%. Этот уровень эффективности трудно объяснить, применяя только классическую физику.

Что происходит? В 2007 году Грег Энгель, сейчас работающий в Чикагском университете, проводил эксперименты, где луч лазера направляли на фотосинтезирующую систему бактерии. В ответ он получил что-то вроде светового эха. Необычным здесь было то, что эхо возвращалось биениями. Эти «биения» были знаком квантового поведения и продемонстрировали, что экситон шел не по одному конкретному маршруту через фотосистему, а собирал все возможные маршруты, распространяясь к центру реакций как квантовая волна. Это стало первым прямым свидетельством того, что в основе фотосинтеза лежит квантово-механический процесс. С тех пор квантовая когерентность была обнаружена во многих бактериальных и растительных фотосистемах и оказалась фундаментальной особенностью захвата световой энергии растениями и микробами. Примечательно, что эти хрупкие состояния сохраняются даже при окружающих температурах – особенность, вызывающая как интерес, так и зависть у разработчиков квантовых компьютеров, которым обычно приходится производить свои вычисления при температурах, близких к абсолютному нулю.

Может ли квантовый фотосинтез привести к созданию более эффективных солнечных батарей?

Будем надеяться. Грег Энгель из Чикагского университета, первым обнаруживший квантовые биения в фотосинтезе, выводит синтетические молекулы пигмента, которые имеют те же самые свойства когерентности, что и молекулы пигмента, обнаруженные в фотосинтезирующих комплексах клеток. Цель его работы состоит в том, чтобы в конечном счете создать солнечные батареи, которые смогут взаимодействовать с энергией так же эффективно, как это происходит в природе. Но потребуется много лет, чтобы его труды принесли существенные результаты, и перед тем, как это произойдет, нам нужно узнать больше о том, как жизни удается так долго поддерживать когерентность.

Квантовый компас: магниторецепция

Самым известным предлагаемым примером квантовой биологии является система навигации зарянки (см. рис. 6.1). Каждую зиму эта птица улетает на юг, подальше от замерзающего севера; чтобы помочь себе ориентироваться, она использует особый тип встроенного компаса, который может измерять угол между магнитным полем Земли и ее поверхностью.

Рис. 6.1. Зарянка (Erithacus rubecula) в полете. В миграции зарянкам, возможно, помогает квантовый компас.

Как работает этот «угловой компас»? В 2000 году у Торстена Ритца из Калифорнийского университета возникла идея, что этот процесс может зависеть от специфических особенностей квантовой запутанности. Когда две запутанные частицы имеют электрические заряды, они могут измерять угол между отрезком, их соединяющим, и магнитным полем Земли. Ритц предложил модель птичьей магниторецепции: свет создает пару запутанных частиц в глазу зарянки, которые становятся компасом, способным измерять угол наклона магнитного поля Земли. Согласно одному из предсказаний этой теории, компас, основанный на квантовой запутанности, разрушается высокочастотными радиоволнами – те же результаты продемонстрировали и тесты.

Это не доказывает, что компас зарянки имеет квантово-механическую природу, но до сих пор никто так и не смог дать альтернативное объяснение результатам экспериментов Ритца.

Осуществление: энзимы

Энзимы – это двигатели жизни. Они управляют электронами, протонами, атомами и молекулами, и именно им мы обязаны созданием каждой биомолекулы в наших телах. Энзимы обладают поразительными каталитическими свойствами, которые ускоряют протекание химических реакций в 10^20 раз. Если бы подобный толчок придавался вашей ходьбе, то вы могли бы перепрыгнуть в другую галактику.

Как и в случае с фотосинтезом, трудно объяснить это поразительное ускорение одними классическими законами. Однако сегодня становится ясно, что такое громадное химическое ускорение энзимы достигают управлением квантово-механической природой вещества – ключевое место в этой цепочке занимает процесс, называемый квантовым туннелированием. Во время его протекания частица может проходить через кажущийся непроницаемым барьер, используя свои волновые свойства, фактически дематериализуясь в одной точке пространства и материализуясь в другой, никак не взаимодействуя с любым из участков, находящихся между ними.

Если вернуться в 70-е годы XX века, то можно увидеть исследование, которое показало, что энзимы, вовлеченные в процесс дыхания, переносят электроны квантовым туннелированием. Этот процесс не вызывает удивления, ведь электроны достаточно малы для его осуществления, но более поздние исследования показали, что энзимы также содействуют «перескакиванию» гораздо более массивных протонов из одного атома в другой – тоже в результате квантового туннелирования. Так что вполне возможно, что и наши тела существуют в квантовом мире.

Что-то пахучее: обоняние

Наше чувство обоняния необычайно сильно. Оно может детектировать мельчайшее содержание химических веществ, даже отдельные молекулы. При этом обоняние удивительно избирательно и позволяет нам различать тысячи запахов. Но как оно работает?

Классическое объяснение состоит в том, что оно работает с помощью своего рода механизма замков и ключей. Молекула пахучего вещества летит по воздуху и захватывается белком обонятельного рецептора в носу. Считается, что молекулы пахучего вещества и рецептора подбираются друг к другу как ключ к замку. Но в этой теории довольно много белых пятен, например тот факт, что пахучие молекулы почти одинаковой формы, фактически представляющие собой набор одинаковых ключей, часто воспринимаются как совершенно разные запахи. И наоборот, молекулы совершенно разной формы часто пахнут одинаково. Химик Малкольм Дайсон разработал в 20-е годы XX века альтернативную теорию, в которой предположил, что детектируется не форма пахучих молекул, а их колебания.

Но тогда не было возможности узнать, как работал бы в носу детектор молекулярных колебаний. Гораздо позже, в 90-е годы XX века, биохимик Лука Турин предположил, что нос использует детектор колебаний, работающий на квантовом туннелировании. Теория предсказала, что пахучие вещества, состоящие из разных изотопов химических элементов, будут пахнуть по-разному. Эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что плодовые мушки на самом деле различают пахучие вещества с разными изотопами, как и было предсказано теорией.

Записано в коде: мутации ДНК

Может ли квантовая механика быть одним из инструментов эволюции? Этот вопрос уже несколько лет интересует двух сотрудников Университета Суррея – биолога Джонджо Макфаддена и физика Джима Аль-Халили.

Эволюция работает через создание вариаций в цепочке ДНК посредством мутаций. Фактически неправильное звено вставляется в молекулу ДНК во время ее репликации. Затем естественный отбор берет на себя фильтрацию полезных мутаций.

В основе двуспиральной структуры молекулы ДНК лежат водородные связи, удерживающие спирали вместе и основанные на отдельных протонах, поделенных между парами звеньев двойной спирали. Это означает, что молекула ДНК, этот схематический план жизни, написана на языке квантовой механики. В 70-е годы XX века шведский физик Пер-Олаф Лоудин предположил, что квантовое туннелирование кодирующих протонов может стимулировать мутации в ДНК. Множество проведенных исследований показало, что теоретически это осуществимо; но до сих пор никто не реализовал этот механизм на практике.

Может ли квантовая биология привести к новому определению жизни?

Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии» (2014) утверждают, что способность поддерживать когерентные квантовые состояния длительное время является обязательным условием для жизни и что определение жизни должно включать квантовые фокусы, которые проделывают клетки. Они заявляют, что именно это делает жизнь отличающейся от чего-либо другого. Макфадден признает, что на данный момент это лишь гипотетическое утверждение, не имеющее реальных подтверждений, но он надеется, что в конце концов будет найден способ его проверки с помощью достижений синтетической биологии, где новые формы жизни создаются искусственно.

Где мы окажемся?

Случайный молекулярный шум обычно разрушает квантовые эффекты в неживых системах. Как тогда они выживают в горячих, сырых и к тому же живых клетках с молекулярным шумом? Одной из наиболее удивительных и интригующих особенностей квантовой биологии является то, что жизнь, кажется, обнаружила способы использования молекулярного шума для поддержания, а не разрушения квантовой когерентности. Это на самом деле может быть одним из фундаментальных атрибутов жизни. Благодаря молекулярному шуму жизнь может существовать на границе между квантовым и классическим мирами.

В поисках квантового мозга

Использует ли мозг квантовую механику? С одной стороны, конечно, да. Мозг состоит из атомов, а атомы подчиняются законам квантовой физики. Но как быть со смежным вопросом о том, могут ли странные свойства квантовых объектов – нахождение в двух местах одновременно, внешне мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии и т. д. – объяснить все еще до конца не изученные аспекты познавательной способности человека? Это, оказывается, и в самом деле довольно спорный вопрос.

Главное возражение исходит от «бритвы Оккама» – утверждения, что наилучшее объяснение обычно самое простое. С этой точки зрения нынешние неквантовые идеи о работе мозга прекрасно справляются со всеми вопросами, и у нас нет необходимости прибегать к квантовой физике для объяснения познания. Однако физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) в этом не так уверен и указывает на то, что имеющиеся представления о воспоминаниях отнюдь не безупречны. Например, они хранятся в архитектуре нейронных сетей или в соединениях между нейронами? Почему бы не поискать квантовые объяснения получше?

Возможно, все дело в том, что где-то мы это уже видели. В 1989 году Роджер Пенроуз, математик из Оксфордского университета, предположил, что никакая стандартная классическая модель вычислений не сможет объяснить, как мозг порождает мышление и сознательный опыт. Его идея заинтриговала многих, особенно работающего в Университете штата Аризона анастезиолога Стюарта Хамероффа, предложившего особый способ вовлечения квантовых эффектов.

Одновременные ответы

Суть этой идеи коренилась в микротрубочках – белковых трубках, составляющих скелет нейронов, – использующих квантовые эффекты, чтобы одновременно существовать в «суперпозициях» двух разных форм. Каждая из этих форм равносильна биту классической информации, так что этот меняющий форму квантовый бит, или кубит, может хранить в два раза больше информации, чем его классический аналог.

Добавьте в эту смесь запутанность – квантовую особенность, позволяющую состояниям кубитов оставаться переплетенными, даже когда они не находятся в контакте, – и вы сможете быстро собрать квантовый компьютер, способный гораздо эффективнее взаимодействовать с информацией, чем любой классический. Фактически Пенроуз предположил, что именно принцип, по которому такой компьютер может приходить к нескольким ответам одновременно и комбинировать эти ответы разными способами, как раз объяснит исключительный талант мозга (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Принцип работы квантового компьютера сравнивают с принципом работы мозга.

Пенроуз и Хамерофф совместно работали над этой идеей: они, как и некоторые другие ученые, одно время считали ее разумной. Но вскоре начали появляться проколы. С точки зрения физика самой фундаментальной проблемой было время когерентности. Суперпозиция, как и запутанность, является чрезвычайно хрупким явлением. Представьте себе живую пирамиду из каскадеров, проезжающих по высокому канату на одноколесном велосипеде, и вы поймете, о чем идет речь. Малейший дисбаланс – и пирамида рассыпается. Если говорить о квантовой системе, то она будет «декогерировать» к классическому состоянию при возмущении теплотой, механическими колебаниями или чем-то еще. Информация, хранящаяся в квантовых состояниях, в результате чаще всего рассеивается в окружающую среду.

В течение двух десятилетий эта проблема препятствовала попыткам физиков, включая Фишера, сконструировать квантовый компьютер хоть сколько-то значительного размера. Даже при криогенном охлаждении и механической изоляции сложно поддерживать когерентность сетей из кубитов достаточно долго, чтобы сделать что-то, превосходящее возможности классических компьютеров. В теплом сыром мозге с его бульоном из подрагивающих, толкающихся молекул это становится почти невозможным. Нейроны удерживают информацию всего несколько микросекунд во время ее обработки, но вычисления показывают, что суперпозиции микротрубочек будут длиться всего лишь от 10–13 до 10–10 секунд.

Эволюция

Фишер, как и многие другие, разделял этот скептицизм. Но вместе с тем он размышлял, не было бы ли странным, что эволюция это просто не проработала? У нее были миллиарды лет, чтобы «открыть» квантовую механику, к тому же изящный молекулярный механизм позволяет жизни ее использовать. Даже если электрические импульсы, идущие по нейронам внутри мозга, – что хорошо описывается классической физикой – являются непосредственной основой мышления и памяти, спрятанный квантовый уровень может определять, в частности, как эти нейроны связываются друг с другом и срабатывают.

Личный интерес к теме возник у Фишера довольно опосредованно, когда он размышлял над устойчивостью психических расстройств близких ему людей и над эффективностью лекарств, используемых для их лечения. Изначально предметом интереса Фишера был литий – ингредиент многих стабилизаторов настроения. Изучая научную литературу, он наткнулся на один подробный доклад 1986 года, который заставил его задуматься. В этом документе был описан опыт, в котором крысы получали один из двух устойчивых изотопов лития – литий-6 и литий-7. Когда наступала пора ухаживаний, заботы о крысятах, постройки жилища и других мероприятий брачного сезона, получившие литий-6 были гораздо активнее, чем их соплеменники из контрольной группы или накормленные литием-7.

Именно эта статья навела Фишера на мысль, что, возможно, настало время вновь обратиться к столь волнующей его проблеме квантового сознания. Все атомные ядра, как и составляющие их фундаментальные частицы, имеют квантово-механическое свойство, называемое спином. Грубо говоря, спин является количественной мерой того, насколько ядро «чувствует» электрические и магнитные поля: чем больше спин, тем сильнее взаимодействие. Ядро с минимально возможным значением спина 1/2 практически не чувствует электрическое поле и очень слабо взаимодействует с магнитным. В окружающей среде вроде мозга, где электрические поля изобилуют, ядра со спином 1/2 будут странно изолированы от возмущений.

Дело в спине

Ядра со спином 1/2 не часто встречаются в природе, и вот в чем дело. Значение спина лития-6 равно 1, но известно, что в химической среде, наподобие мозга или соляного раствора в воде, наличие дополнительных протонов молекул воды заставляет литий-6 вести себя как ядро со спином 1/2. Опыты, проведенные еще в 70-е годы XX века, отметили, что ядра лития-6 могут удерживать свой спин в течение аж пяти минут. Если есть элемент квантового контроля над операциями мозга, рассуждал Фишер, то успокаивающие эффекты лития могут быть связаны с внедрением этих необычайно когерентных ядер в химию мозга.

И это еще не все. Литий-6 не встречается в мозге в естественных условиях, но одно ядро со спином 1/2 в нем все же имеется и является активным участником многих биохимических реакций – это фосфор.

После изнурительных вычислений времени когерентности различных молекул с фосфором в биологических средах Фишер публично заявил, что нашел кандидата в кубиты – это структура с фосфатом кальция, известная как молекула Познера, или кластер Познера. В 1975 году она была обнаружена в костной ткани, а также плавала около нее, когда искусственно созданную биологическую жидкость – то есть воду с добавлением биологических молекул и минеральных солей – подготавливали в лаборатории.

Измерив время когерентности для этих молекул, Фишер получил результат в колоссальные 10^5 секунд – целые сутки. Он также определил по крайней мере одну химическую реакцию в мозге, которая, по его мнению, будет производить запутанные, когерентные состояния ядерных спинов внутри молекулы Познера. Этот процесс также участвует в поглощении кальция и метаболизме жиров, который использует энзим под называнием «пирофосфатаза». Данный энзим разрушает структуру, состоящую из двух ионов фосфата, производя два отдельных иона. Теоретически ядерные спины по крайней мере в этих двух ионах должны быть квантово запутанными. Выпустите их в жидкость, окружающую клетки, и они смогут соединяться с ионами кальция, образуя молекулы Познера.

Если все выполнено верно, внеклеточная жидкость мозга может быть заполнена сложными кластерами высокозапутанных молекул Познера. Как только они попадают внутрь нейронов, эти молекулы могут начать менять характер сигнала и ответа клеток, начиная формировать мысли и воспоминания (см. рис. 6.3).

Рис. 6.3. Кластеры Познера, которые, как считается, имеются в мозге и содержат шесть атомов фосфора, спиновые состояния которых могут быть квантово-запутанными – возможно, именно они влияют на наше мышление и запоминание.

Фишер опубликовал подробности своего исследования в журнале «Анналы физики» в 2015 году. Существенная часть данных, признает он, еще не проходила должную проверку. Целью первого испытания будет выяснить, существуют ли молекулы в реальных внеклеточных жидкостях. Если да, то могут ли они быть запутанными? И это всего лишь один из множества спорных вопросов в этой области.

Сознание

Пенроуз – что вполне предсказуемо – по-прежнему увлечен этой идеей. Однако ему все еще импонирует его гипотеза микротрубочек, а новое предположение кажется всего-навсего дополнением, допускающим долговременную память. С точки зрения Пенроуза, сознание связано с гравитацией, действующей на квантовые состояния и тем самым вызывающей их декогеренцию; микротрубочки гораздо тяжелее ядер, а значит, являются более вероятной причиной этого взаимодействия, говорит он.

Вопросы продолжают поступать. Может ли причиной потери памяти после удара по голове стать декогеренция, к которой он привел? Является ли ядерный спин условием, допускающим изменение состояния мозга трансчерепной магнитной стимуляцией, запускающей магнитное поле по мозгу?

Больше нечеткой логики

Эрвин Шрёдингер предполагал, что человеческий разум находится за пределами нашего понимания, – но квантовая механика может помочь нам понять, как именно мы думаем.

Человеческое мышление, как многие знают, часто отказывается следовать принципам классической логики. Имея дело, например, с вероятностями, мы систематически допускаем ошибки. Но недавние исследования показали, что эти ошибки на самом деле являются частью более масштабной логики, основанной на квантовой механике. Эта логика, видимо, вполне естественно согласуется с тем, как люди связывают идеи вместе, часто на основании смутных ассоциаций и расплывчатых границ. Вследствие этого поисковые алгоритмы, основанные на квантовой логике, могут находить смысл в массивах текста гораздо эффективнее классических.

Может показаться нелепым обращение к математике квантовой теории за объяснением природы человеческого мышления. Это вовсе не означает, что в мозге обязательно должно происходить что-то квантовое. На самом деле эта «квантовая» математика совсем не подчиняется физике и лучше классической математики улавливает нечеткий и гибкий алгоритм, использующийся человеком для интерпретации идей.

Один из примеров вызова, брошенного классической логике человеческим мышлением, был продемонстрирован в 90-е годы XX века психологами Эймосом Тверски из Стэнфордского университета и Эльдаром Шафиром из Принстонского университета в ходе двухэтапного игорного эксперимента. Они показали, что, даже если исход второго этапа не зависит от первого, решение испытуемого принять участие во втором розыгрыше зависит от самого факта того, сообщили ли ему об итогах первого, причем зачастую не имеет значения, победил он или нет. Но этот результат нарушает классическую логику.

Этот и другие эксперименты доказывают, что люди нелогичны, по крайней мере по классическим стандартам. Но квантовая теория предлагает более широкое восприятие логики и может стать эффективной основой для моделирования принятия решения человеком. Кажущиеся алогичными решения, продемонстрированные, к примеру, Тверски и Шафиром, можно объяснить с использованием моделей, основанных на квантовой интерференции.

Но есть и другая проблема: как обучить компьютеры находить значение данных аналогично тому, как это делают люди? Если вы хотите исследовать такую тему, как, например, story of rock, подразумевая геофизику и образование скал, то вам не понравится искать нужную информацию среди миллионов сайтов, посвященных рок-музыке, которые выдаст поисковая система. Один из способов – включить в поисковый запрос -songs, чтобы убрать все страницы с упоминанием песен. Этот знак называется оператором отрицания, его использование основано на классической логике. И хотя ситуация улучшилась, на поисковой странице по-прежнему будет множество сайтов о рок-музыке, в которых просто не упоминалось слово songs. Исследование Доминика Виддоуса, специалиста в области компьютерных наук, показало, что отрицание, основанное на квантовой логике, работает гораздо лучше.

Это согласуется с точкой зрения некоторых психологов, утверждающих, что строгая классическая логика играет не слишком существенную роль в человеческой интеллектуальной деятельности, где бóльшая часть нашей умственной деятельности в основном работает на бессознательном уровне, а мышление следует менее строгой логике и образует свободные ассоциации между понятиями.

7. В поисках реальности

При всей своей феноменальной точности квантовая теория в ее нынешнем виде остается далеко не полной. Она была создана главным образом для того, чтобы объяснить таинственные результаты опытов, но ее математические основания шатки и обрывочны. Есть ли способ сделать их монументальными или же нам все же придется снести это сооружение в пользу чего-то нового?

Щупая таинственность

Квантовая теория – это наша наиболее фундаментальная физическая теория, имеющая на своем счету множество экспериментальных и практических успехов (см. главы 4 и 5). Однако многие замечают, как сильно возросло количество нерешенных проблем, что вынуждает воспринимать ее скорее как приблизительную схему реальности, чем нечто бÓльшее. Наиболее сложная из них поднимает вопрос масштабов, оставленный квантовой теорией открытым: где кончается квантовый мир и начинается классический? Благодаря новому поколению экспериментов, разрабатываемых сегодня, мы наконец-то обладаем достаточной чувствительностью, чтобы узнать ответ.

Возьмем странное явление суперпозиции. Его самое известное проявление – это двухщелевой эксперимент, в котором фотон в отсутствие наблюдения проходит через две щели одновременно и каким-то образом интерферирует сам с собой (см. главу 2). Другими словами, пока никто на него не смотрит, фотон существует в двух разных местах одновременно.

Ситуация аналогична происходящей с котом Шрёдингера. Чтобы показать, что с квантовой теорией что-то не так, Шрёдингер придумал странный сценарий. Невозможно, говорит он, чтобы что-то неквантовое, например кот, находилось в суперпозиции жизни и смерти при условии, что его наблюдают или нет. Но с тех пор исследователи доказали, что молекулы C_70 тоже могут проходить через две щели одновременно. Хотя эти похожие на футбольные мячи молекулы не столь заметны, как коты, тем не менее их можно увидеть в микроскоп.

Такие эксперименты крайне полезны для объяснения нам того, что представляет собой вещество. Они показали, например, что если условия позволяют наблюдателю выяснить, через какую щель прошел фотон (скажем, в установке были случайные фотоны, которые могли оттолкнуться от исследуемого и тем самым выдать его положение), то суперпозиция исчезнет. Это разрушение, или коллапс, суперпозиции известно как декогеренция.

Исследование обстоятельств возникновения декогеренции позволило нам узнать больше о том, что заставляет крутиться шестеренки квантового мира. Однако это все еще капля в море реального знания. И здесь мы наталкиваемся на новую сложную проблему – квантовую логистику.

Квантовые машины

Преодоление границы между квантовым миром и миром классической физики означает использование все более крупных молекул, чтобы понять, на каком уровне декогеренция разрушает суперпозицию. Но чем больше молекула, тем сложнее контролировать внешние силы, не давая им разрушить хрупкое квантовое состояние молекулы. На уровне больших молекул правят неконтролируемые эффекты декогеренции, искажая само явление, которое вы хотите измерить.

Именно там оказываются полезными квантовые машины. На данный момент они, конечно, не производят впечатления мощных суперкомпьютеров будущего. Крупнейшая из них немногим больше алюминиевой полоски длиной в 50 микрометров. Она функционирует как осциллятор – так называемый квантовый камертон. Главный ее смысл – в массе. Даже сравнительно большие группы атомов углерода, использующиеся сегодня, просто пушинки в сравнении с массой, которая будет у квантовой машины (см. рис. 7.1).

Рис. 7.1. Масса имеет значение: квантовые машины на порядки  массивнее всего, что демонстрировало квантовое поведение прежде, например электронов и молекул.

Масса квантового объекта играет важную роль в некоторых альтернативных объяснениях механизмов работы квантового мира. В 2003 году математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз предположил, что гравитация может привести к коллапсу суперпозиции. Он считает, что в конечном счете мы будем вынуждены объединить уравнение Шрёдингера, описывающее квантовые частицы, понимание процесса измерения и принципы теории гравитации Эйнштейна в одну теорию. По мнению Пенроуза, каждая из этих трех сторон реальности будет рассматриваться только как приближение к более глубокой фундаментальной правде (см. главу 8).

Для проверки подобных идей, однако, потребуются квантовые машины с фактически недостижимым уровнем чувствительности. Необходимый прибор включает в себя зеркала шириной в 10 микрометров и массой всего лишь в несколько триллионных долей килограмма, а также механизмы, способные регистрировать смещения менее чем в миллиардные доли миллиметра. Такие квантовые машины стали бы огромным шагом к наблюдениям подлинно макроскопических объектов в двух местах одновременно. Если мы сможем их реализовать, то у нас будет механический аналог кота – и живого, и мертвого. Но нам еще многое предстоит сделать, прежде чем мы действительно будем готовы разрешить этот парадокс.

Тайна вещества становится глубже

Квантовая теория основывается на идее о том, что свет может существовать как частица и волна одновременно. Но так или это на самом деле или это всего лишь самый простой способ для нашего классического мозга объяснить происходящее?

Для Нильса Бора, величайшего датского пионера квантовой физики, «главной тайной» этой новой физики была причина, по которой фотоны в одних случаях ведут себя как волны, а в других – как частицы. Он назвал этот принцип комплементарностью: квантовые объекты, например фотоны, просто имеют дополняющие друг друга свойства – быть волной и быть частицей, – которые могут наблюдаться только поодиночке. А что определяет, какое обличье примет объект? Мы. Посмотрите на частицу, и вы увидите частицу. Посмотрите на волну, и вы увидите именно ее (см. рис. 7.2).

Рис. 7.2. Корпускулярно-волновой дуализм – главная тайна квантовой механики.

Идея зависимости физической реальности от каприза наблюдателя серьезно беспокоила Эйнштейна. «Зависит ли тогда существование Луны от наблюдателей? – однажды спросил он. – Ни одно разумное определение реальности не может допустить такое», – буркнул Эйнштейн в 1935 году. Ему была ближе альтернативная идея лежащего в основе скрытого уровня реальности, пока еще недоступного и содержащего скрытые воздействия, «сообщающие» фотону о характере эксперимента, который будет над ним проведен, и изменяющие соответствующим образом его поведение.

Это нечто большее, чем просто дикая теория заговора. Представьте взрыв, выбрасывающий два осколка в противоположных направлениях. Так как он подчиняется закону сохранения импульса, масса и скорость осколков взаимосвязаны. Но если бы вы ничего не знали о сохранении импульса, то легко могли бы подумать, что измерение свойств одного осколка определяет свойства другого, тогда как они просто были расположены в точке взрыва. Была ли подобная скрытая реальность ответственна за происходящее в квантовом мире?

В 1978 году Джону Арчибальду Уилеру, одному из ведущих физиков-теоретиков XX века, неожиданно пришла в голову очень странная идея проверки этой теории. Целью было ответить на вопрос о том, что именно диктовало фотону линию поведения, используя усовершенствованную версию опыта с двумя щелями. Фотонам предоставляется выбор, по какому из двух путей пройти в устройстве, известном как интерферометр. На другом конце интерферометра эти пути либо объединятся, либо нет. Если бы фотоны измерялись без этого объединения – в «открытом» интерферометре, – то это было бы эквивалентно расположению детектора у одной из щелей. В этом случае наблюдатель ожидал бы увидеть отдельные частицы, идущие либо по одному, либо по другому пути, которые при прочих равных условиях распределялись бы между этими путями в соотношении 50:50 (см. рис. 7.3).

Рис. 7.3. В зависимости от своих настроек интерферометр может предоставить «доказательства» того, что свет – это или частица, или волна, или ничего из этого.

В других случаях фотоны могут измеряться после воссоединения – это «закрытый» вариант интерферометра. Тогда то, что вы ожидаете, зависит от длины обоих путей. Если их длина абсолютно одинакова, гребни волн придут в одно и то же время к одному из детекторов и там интерферируют конструктивно: на этот детектор придется 100% ударов, и ни одного – на другой. Однако, изменяя длину одного пути, вы можете вывести волновые фронты из синхронизации и сменить интерференцию на первом детекторе с полностью конструктивной на абсолютно деструктивную, и при такой интерференции на него не придется ни одного удара. В опыте с двумя щелями это эквивалентно сканированию на экране, где происходит интерференция, от яркой полосы к темной.

Оба пути

Цель Уилера заключалась в том, чтобы при проведении опыта отложить выбор варианта измерения фотона – открытого или закрытого исполнения – до его вхождения в интерферометр. В этом случае фотон не будет «знать», на один путь ему нужно выходить или на два, то есть нужно вести себя как частица или как волна.

Это было почти за тридцать лет до того, как эксперимент реально был проведен. Но результат стоило ждать. Каждый раз, измеряя в последний момент фотон закрытым интерферометром, исследователи видели интерференцию волн. Когда же они выбирали для измерения открытый интерферометр, то наблюдали частицы. Но потом все стало еще более странно. В декабре 2011 года другая группа исследователей предложила расширение мысленного эксперимента Уилера. Новизна их подхода заключалась в том, что решение о способе измерения фотона – как частицы или как волны – должно быть само по себе квантово-механическим, то есть не определенное «да» или «нет», а промежуточное нечеткое «да»-и-«нет».

Достичь этого можно следующим способом: вы используете свет для контроля детектора, предназначенного его анализировать. Сперва вы подготавливаете контрольный фотон, находящийся в квантовой суперпозиции двух состояний. Одно из этих состояний переключает интерферометр в открытое состояние, измеряющее частицу, а другое – в закрытое, измеряющее волну. Важно отметить, что состояние контрольного фотона измеряется только после того, как завершается измерение экспериментального «системного» фотона. Вам известно, что системный фотон проходит через интерферометр, одновременно открытый и закрытый; вы не знаете, поведение волны или частицы вы получите при измерениях. Так что вы измеряете?

Оттенки серого

Результаты этого эксперимента были неутешительными: то, что вы видите, в итоге зависит от контрольного фотона. Если вы будете наблюдать только за измерениями системных фотонов, вообще не проверяя соответствующие измерения контрольных, – так и не узнав, измерение какого типа вы провели, – то увидите распределение ударов по двум детекторам, что не характеризует ни частицу, ни волну, но все же является некоторой их неоднозначной смесью. Если частицу представить черной, а волну – белой, то это будет оттенком серого.

Проделайте то же самое, но в этот раз отслеживайте измерения контрольных фотонов, игнорируя системные, – результат будет выглядеть так, будто вы надели волшебные очки. Теперь серое четко разделяется на черное и белое. Вы можете собрать данные системных фотонов: прошедшие через открытый интерферометр однозначно являются частицами, а те, что измерялись закрытым интерферометром, выглядят как волны. «Цвета» фотонов будут полностью идентичны тому типу измерения, который, судя по контрольным фотонам, вы в итоге провели.

Теперь же странность набирает новые обороты. Квантовая механика позволяет поместить контрольный фотон в сочетание двух состояний не только в равных, но и в различающихся пропорциях. Это эквивалентно исполнению интерферометра, которое, скажем, 70% времени открыто, а 30% – закрыто. Если мы измерим группу фотонов в такой конфигурации и посмотрим на результаты перед тем, как надеть наши волшебные очки, то снова увидим признак неоднозначности – но теперь его оттенок серого сместился ближе к черному цвету частицы, а не белому волны. Надев очки, однако, мы увидим системные фотоны, 70% из которых хоть и внешне, но вполне явно вели себя как частицы, тогда как оставшиеся 30% действовали как волны.

Но что это означает для нашего понимания реальности? В некотором смысле результаты встают на сторону Бора, укрепляя его позицию в споре о квантовой реальности. Существует тесная корреляция между состоянием контрольного фотона, представляющим характер измерения, и системного, представляющего состояние реальности. Сделайте больше измерений частиц – и вы получите что-то, больше похожее на частицу, и наоборот. Как и в ранних экспериментах, теория скрытой реальности, к которой склонялся Эйнштейн, не может объяснить результаты.

Показатели более поздних экспериментов полностью это подтверждают. Мы так вцепились в понятия «частица» и «волна» только потому, что они соответствуют привычным нам обликам вещества, которые оно принимает в знакомом классическом мире. Но попытка описать подлинно квантовую реальность этими или другими «черно-белыми» понятиями – затея, заведомо обреченная на провал.

Так может ли все-таки квантовая таинственность скрывать упорядоченную реальность?

Часто игнорируемая, словно забытая падчерица, разработанная более полувека назад квантовая механика наконец может разделить одну сцену со своими более уважаемыми старшими родственниками. Если она выдержит испытание временем, то, возможно, сможет укрепить идею, что во Вселенной все невероятно взаимосвязано на громадных расстояниях.

В 1952 году физик Дэвид Бом предположил, что квантовый мир только кажется таинственным, потому что мы далеко не все знаем о лежащей в его основе реальности. За квантовой таинственностью, говорил он, реальность упорядочена, и все частицы обладают определенными положениями и следуют по определенным траекториям.

Множество недавно проведенных экспериментов продемонстрировало, что такой скрытой реальности не существует. Однако они исключили всего лишь особый класс теорий, в которых скрытая реальность любой частицы локальна и не подвергается влиянию чего-то далекого. Идеи Бома включают в себя нелокальную скрытую реальность, в которой все зависит от всего. В его Вселенной события, происходящие в далекой галактике, в тот же момент воздействуют на нас и наоборот, каким бы незначительным ни был эффект. Бомовская механика все еще остается предметом жарких споров, но после подтверждения недавними опытами ее предсказаний люди могут начать говорить о ней немного более серьезно.

Конец неопределенности

Принцип неопределенности Гейзенберга предполагает, что мы не можем знать о системе все, что необходимо. Но квантовая запутанность – за счет соединения состояний далеких объектов, означающего, что если мы определяем одно, то в тот же момент определим другое, – кажется, дает нам обходной прием. Являются ли все же эти два элемента квантовой теории принципиально несовместимыми?

Популярный в наши дни вариант принципа неопределенности Гейзенберга был сформулирован в 1988 году двумя датскими физиками – Гансом Маасеном и Джосом Уффинком – с использованием понятий теории информации, разработанной американским математиком Клодом Шенноном и другими в годы, следующие после Второй мировой войны.

Шеннон показал, как величина, которую он назвал энтропией по аналогии с мерой термодинамического беспорядка, дает надежный индикатор непредсказуемости информации, а следовательно, и неопределенности в целом. Например, результат самого последнего из серии подбрасывания монеты имеет максимальную энтропию Шеннона, поскольку он ничего не говорит о результате следующего броска. С другой стороны, выраженная на естественном языке информация, например на английском, имеет низкую энтропию, поскольку набор слов дает нам ключ к тому, что последует.

Переведя это представление в квантовый мир, Маасен и Уффинк показали, что энтропию Шеннона, связанную с любой измеримой квантовой величиной, невозможно уменьшить до нуля и что чем больше вы сжимаете энтропию одной величины, тем быстрее возрастает энтропия другой. Информация, которую квантовая система дает одной рукой, она тут же отбирает другой.

Квантовая запутанность может оказывать весьма странное воздействие на неопределенность. Предположим, что наблюдатель Боб создает пару частиц, например фотонов света, квантовые состояния которых каким-то образом запутаны. Боб отправляет один из этих запутанных фотонов второму наблюдателю, Алисе, и держит другой, близкий к нему, в банке квантовой памяти – скажем, куске оптического волокна подходящей длины. Затем Алиса случайным образом измеряет одну из пар дополняющих друг друга величин, связанных с фотоном: в данном случае поляризаций в двух разных направлениях. Ее измерение будет управляться обычными законами квантовой неопределенности и может быть точным только до определенных пределов. По Маасену и Уффинку, его энтропия будет ненулевой. Алиса говорит Бобу, какую величину она измерила, но не полученное ею значение.

Теперь наступает самый важный момент. Задача Боба – максимально точно определить результат измерения Алисы, настолько точно, насколько это возможно. Это довольно просто – ему всего лишь нужно оградить собственный банк квантовой памяти. Если два фотона полностью запутаны, ему всего лишь нужно знать, какую величину измерила Алиса, и измерить ее у своего фотона, что даст ему полную информацию о значении величины – даже больше, чем Алиса может знать о ней. За серию измерений он даже может сжать связанную с величиной энтропию до нуля.

Мысленный эксперимент

Многим этот мысленный эксперимент напоминает знаменитый эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР-эксперимент) – тоже мысленный, придуманный в 1935 году Эйнштейном и его коллегами – Борисом Подольским и Натаном Розеном. Он тоже пришел к аналогичному выводу: запутанность может устранить всю неопределенность из одного измерения, но не из обоих сразу. В духе своего принципиально скептического отношения к квантовой таинственности Эйнштейн интерпретировал напряжение между двумя принципами как показатель того, что квантовая механика не полна и что скрытая реальность, лежащая за квантовым миром, определяет исход экспериментов.

И хотя спор в настоящее время считается урегулированным, последние работы открывают совершенно новую перспективу. Обычно дискуссии об обоснованности принципа неопределенности и интерпретации ЭПР-эксперимента остаются независимыми. Теперь же появилась возможность занять новую позицию в старом разговоре: не о том, что неопределенность мертва, а что неопределенность и запутанность являются двумя сторонами одной медали.

Когда две частицы совершенно запутаны, начинает осуществлять контроль жуткое действие на расстоянии и принцип неопределенности носит менее жесткий характер, чем предполагалось. Но там, где запутанности нет, неопределенность возвращается к соотношению Маасена – Уффинка. Это позволяет нам сказать, как много мы можем знать для каждой из скользящих шкал промежуточных ситуаций, когда запутанность есть, но она меньше, чем полная. Это весьма актуально для квантовой криптографии – ближайшей к применению в реальном мире квантовой технологии, которая основывается на раздаче полностью запутанных частиц. Соотношение означает, что имеется более простой способ проверки, когда запутанность была нарушена, например, нежелательными перехватчиками – просто контролируя неопределенность измерений.

Касательно дуэли между неопределенностью и запутанностью – она завершилась вничью, при этом два принципа стали частями одной и той же математической схемы. И хотя это и верно в рамках квантовой теории, возможно, мы могли бы сказать, какой из этих принципов сильнее, уменьшив масштаб и рассмотрев структуру математического построения на более общем уровне, чем квантовая теория (см. ниже в параграфе «Проверка реальностью»).

Проверка реальностью

Наше понимание квантового мира в итоге оказывается абсолютно несостоятельным. Если мы примем квантовую теорию на веру, то это подтвердит иллюзорность либо относительности, либо причинности, либо свободной воли, либо даже самой реальности. Но чего именно?

Примирение запутанности с «нормальной» физикой – непростая задача. Эйнштейн верил, что между двумя фотонами должно быть еще какое-то необнаруженное влияние. Но какую бы форму ни приняло это влияние – фотона, некоторой другой обмениваемой частицы или, возможно, типа волны, – логично предположить, что оно не будет распространяться быстрее света. Благодаря теории относительности Эйнштейна скорость света всегда рассматривают как фундаментальный предел скорости для любого вида полезной информации, распространяющейся по Вселенной. Наличие этого предела избавляет от любых видов неприятных последствий. Любой канал, по которому осуществляется распространение со сверхсветовой скоростью, также может быть открыт в корыстных целях, например для передачи по нему информации назад во времени. Позвольте нарушение релятивистской причинности – и мы все неожиданно станем победителями лотерей.

Скрытые физические влияния более тривиального формата, подчиняющиеся теории относительности, проверяются сравнительно несложно. Сперва вы отдаляете два запутанных фотона на огромное расстояние. Второй фотон отсылается, скажем, на Международную космическую станцию с указанием проводить измерения строго в определенное время. За мгновение до их проведения вы измеряете первый фотон. Момент измерения правильный, к тому же для любого воздействия времени будет слишком мало – оно не успеет пройти между двумя фотонами даже со скоростью света.

Никто до сих пор не провел тест с Международной космической станцией, но мы неоднократно проделывали подобное на Земле. Каждый раз, когда сообщение о втором измерении возвращалось, таинственное воздействие по-прежнему ощущалось. Второй фотон при этом реагировал на измерения, как если бы он знал, что случилось с первым.

Это вынуждает нас вообразить реальность за пределами пространства и времени – если, конечно, мы не ошибаемся в каких-либо фундаментальных вещах. Нарушения принципа относительности вызывают недовольство, потому что они нарушают наши представления о причинности. Мы, люди, легко соблазняемся идеей причинно-следственного порядка и заглядываем в прошлое, чтобы проследить причину любого события. Более того, мы – решительные детерминисты, беспечно предполагающие, что у каждого явления действительно есть причина. Кажется, что это и правда неплохо работает в нашем крупномасштабном повседневном мире, но, когда дело доходит до мелочей, лежащих в основе квантовой реальности, можем ли мы быть в этом так уверены?

Причинные законы

Теоретик Часлав Брукнер и его коллеги из Венского университета задались целью ответить на вопрос: подчиняются ли в теории квантовые системы тем же причинным законам, что и все мы? Они начали с классической ситуации, в которой два независимых наблюдателя, Алиса и Боб, проводят измерения фотона. Брукнер и его группа уточнили, что квантовая неопределенность – это принцип, фундаментально ограничивающий количество информации, которую вы можете извлечь из квантовой системы, включая информацию о времени.

Брукнер описывает обнаруженный ими сценарий на следующем примере: Алиса входит в комнату и обнаруживает послание, написанное Бобом. Она его стирает и пишет ответ, затем в комнату заходит Боб, чтобы написать исходное сообщение, на которое только что ответила Алиса. Подобно тому, как квантовая частица может находиться в двух или более местах одновременно, эта частица также может существовать сразу в двух моментах времени. Система может быть одновременно в состояниях «Алиса вошла в комнату до Боба» и «Боб вошел в комнату до Алисы». И мы не можем сказать, опережает ли измерение Алисы измерение Боба или наоборот. Но проверить результаты этих теоретических предположений на практике будет непросто. Учитывая хрупкую природу квантовых состояний, любая попытка измерить квантово-механическую суперпозицию причинно-следственных порядков нарушит ее, приводя к коллапсу в конкретном причинно-следственном порядке.

Вывод напрашивается сам собой: причинно-следственный порядок не является фундаментальным свойством природы. Причинность восстанавливается, только когда параметры эксперимента корректируются так, чтобы заставить частицы вести себя как знакомые нам классические частицы. Если мы принимаем квантовую теорию как самое фундаментальное описание реальности из всех, что у нас есть, это будет означать, что само пространство-время не является фундаментальным и появляется из более глубокой, в настоящее время непостижимой квантовой реальности.

Но может квантовая теория быть проблемой сама по себе? Несмотря на все ее успехи, возможно, вся эта случайность, неопределенность и жуткое действие на расстоянии просто связаны с тем, что квантовая механика неполна. Она, по крайней мере в своей нынешней формулировке, может просто не обладать всей информацией, которая объяснила бы нам, почему все именно так, как оно есть. Можно провести аналогию с законами термодинамики. Они обеспечивают нас абсолютно надежным высокоуровневым описанием того, как все работает – например, что тепло всегда идет от горячего к холодному. Но при этом законы термодинамики ничего не говорят о лежащей в основе этих процессов динамике отдельных атомов, приводящей их в действие.

Для изучения этой вероятности исследователи решили проверить, что бы случилось в классических опытах типа «наблюдатели Алиса и Боб», если бы исходная теория дополнительно давала произвольное количество информации о корреляции между двумя запутанными частицами. Стали бы результаты измерений менее случайными и непредсказуемыми?

Таинственная непредсказуемость

Короткий ответ – нет. В любой ситуации, когда и Алиса, и Боб могут независимо выбирать тип измерений частицы, дополнительная информация не помогает сделать их прогнозы насчет результатов проводимых экспериментов хоть сколько-то более точными, чем если бы они использовали квантовую теорию. Таинственная непредсказуемость никак не связана с неполной информацией.

В глубине души Вселенная – спонтанная структура. На фундаментальном уровне нет причин, которые могли бы объяснить, почему квантовая частица обладает именно такими свойствами: нет скрытого влияния, жесткой причинно-следственной связи или какой-то недостающей информации. Вещи такие, какие они есть. И других объяснений нет (см. рис. 7.4).

Рис. 7.4. Странные корреляции между квантовыми объектами, как бы далеко они друг от друга ни находились, могут быть объяснены только отказом от одного из фундаментальных допущений.

Некоторых людей настолько удручает такая ситуация, что это заставляет их усомниться даже в более фундаментальном предположении о реальности и нашей связи с ней. Оно заключается в небольшом утверждении, на котором строится большинство исследований квантовой реальности и квантовых измерений. Чтобы измерить значение некоторого квантового явления, сперва вы должны выбрать что-то, относительно чего вы будете измерять, – лабораторию, ветер или муху на потолке. Ваш выбор повлияет на результат измерения. А что если это не ваш выбор? Что если это кто-то другой тянет вашу руку, заставляя проводить эксперименты таким образом, чтобы корреляции всегда появлялись?

Это переносит нас в область свободной воли человека – скользкое пространство, где философов куда больше, чем физиков. Прозвучит несколько странно, однако некоторые серьезные ученые-физики считают, что отсутствие свободной воли – то есть участие в неком космическом кукольном представлении, – возможно, лучший способ уберечь нас от всех возможных неприятностей вроде таинственности, потери относительности и причинности, которые вызывают квантовые корреляции.

Проблема в том, что природу не интересует, чего бы и как нам хотелось. Проще говоря, не могут быть правильными абсолютно все наши концепции реальности, относительности, причинности, свободной воли, пространства и времени. Но какие именно неверны?

Путь к просветлению

Разработка твердой теоретической основы для квантовой теории не давалась ученым на протяжении более сотни лет. Но шесть основных принципов могут стать фундаментом, который поможет найти в ней смысл – и привести к теории всего.

Мы привыкли к Вселенной, поражающей наше воображение, – возможно, даже слишком привыкли. Поэтому возникает соблазн опустить руки и сказать, что человеческий мозг никогда не сможет ее постичь. Изящные уравнения квантовой теории как-никак были разработаны не для того, чтобы содержать в себе некий универсальный вселенский принцип, а с конкретной целью «объяснения» таинственных результатов опытов. Квантовые объекты описываются волновыми функциями, которые могут соответствовать, а могут и не соответствовать чему-то физическому, существующими в абстрактной многомерной области, называемой гильбертовым пространством. Более того, они эволюционируют по непонятным правилам, заложенным в уравнении Шрёдингера. В 1925 году Эрвин Шрёдингер пришел к такой формулировке случайно, изучая уравнения классической оптики, которые имеют дело с волнами, а не частицами. Оно работает хорошо, но вот не вполне ясно почему.

Похоже, что фундамент, на котором основывается квантовая механика, состоит из информации. Множество теоретиков приходят к выводу, что все физические взаимодействия могут быть описаны как форма обработки информации. Например, атомы несут информацию в своих импульсах: когда атомы сталкиваются, как два шара на бильярдном столе, их импульсы меняются подобно тому, как меняются двоичные цифры, когда проходят через логические элементы компьютера. Правила, регламентирующие работу с информацией, могут в конечном счете определить, что происходит, а что не происходит в нашей Вселенной (см. ниже в блоке «Пятеричный путь»).

Пятеричный путь

Джакомо Мауро Д’Ариона из Павийского университета (Италия) и его коллеги Джулио Чирибелла и Паоло Перинотти выдвинули пять фундаментальных принципов, которые должны применяться к любой физической системе, чтобы провести над ней разумные измерения – как и шестой, который, как они утверждают, объясняет таинственность квантовых измерений (см. в этом параграфе).

1. Причинность. Что-то в будущем не может влиять на измерения, которые вы проводите прямо сейчас.

2. Различимость. Если состояние не слишком шумное, тогда существует другое состояние, которое можно отличить от этого.

3. Композиция. Если вы знаете все, что возможно знать о каждой стадии процесса, тогда вы знаете все, что в принципе можете знать обо всем процессе.

4. Сжатие. Есть способы эффективной передачи всей информации, относящейся к измерению физической системы без необходимости передачи самой системы.

5. Томография. Когда у вас имеется система, состоящая из нескольких частей, статистика измерений, проведенных над отдельными частями, достаточна для установления состояния всей системы в целом.

Возможно, эти принципы – все, что нужно для того, чтобы разобраться, как устроен мир – и привести нас к теории всего.

Квантовое VS классическое

Есть несколько явлений, отличающих квантовую физику от повседневной, классической. Первое – это суперпозиция, когда кажется, что частицы находятся в двух местах одновременно или в одно и то же время вращаются и по, и против часовой стрелки. Второе – это запутанность: две частицы запутаны, если измерение свойств одной мгновенно влияет на свойства другой независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Помимо этого, существует результат любого измерения в квантовой системе, на первый взгляд представляющийся случайным. Вы не можете сказать, каким будет результат любого измерения перед тем, как вы его проведете; вы можете только вычислить вероятности различных исходов.

В области теории квантовой информации существует важное различие между типами квантовых состояний. Для приложений, например криптографии, некоторые состояния описываются как чистые – это означает, что мы знаем все, что в принципе можно знать о таких состояниях. Довольно легко, например, знать все об одиночном изолированном атоме водорода, когда он находится в состоянии с наименьшей энергией – это чистое состояние. Кроме того, есть смешанные состояния, полной информацией о которых мы пока не обладаем. К примеру, одна частица из запутанной пары находится в смешанном состоянии: вы не можете знать все об одном члене такой пары без рассмотрения ее партнера.

Но интригует то, что вместе эти запутанные частицы образуют чистые состояния. Две частицы содержат всю информацию, которую нужно знать о квантовой системе. Возможно ли, что вся беспорядочная неопределенность квантового мира просто вытекает из нехватки информации – измерения смешанного состояния без доступа к бÓльшему чистому состоянию, частью которого оно является?

Если бы каждое смешанное состояние было частью чистого, было бы возможно описать каждый физический процесс с максимальной детализацией. Возьмите существование такой перспективы в качестве так называемого принципа очищения, и тогда кому-то всегда будет открыт доступ к чистому состоянию для проведения измерений, согласующихся с теми, что проводятся наблюдателями с меньшими возможностями, имеющими дело со смешанными состояниями (см. рис. 7.5). Конечно, это не избавляет от таинственности, но все же делает ее явной.

Рис. 7.5. Понимание квантовой таинственности может помочь в получении правильной перспективы.

И все же осторожность по-прежнему необходима. Прежде всего исследователи по-прежнему пытаются разработать метод, позволяющий проследить эволюцию квантовой системы. Для этого им нужно понять, где конкретные свойства, например масса частицы, подходят под их описание. Если они смогут сделать все правильно, это может дать больше, чем просто обоснование квантовой теории: возможно, это откроет новый путь к объединению общей теории относительности с квантовой механикой. Этот метод может привести нас к описанию квантовой гравитации, которую давно мечтают создать «теоретики всего».

Нужен ли наблюдатель для коллапса волновой функции?

Одним альтернативным объяснением тонкостей суперпозиции является идея, что волновые функции могут коллапсировать случайно, сами собой. Такой объективный коллапс был бы редким, но поразительным явлением. Ждите коллапс волновой функции одиночной частицы – и, возможно, вы будете ждать дольше, чем просуществует Вселенная. Но если собрать вместе много частиц, то ваши шансы быстро возрастут. С несколькими миллиардами частиц, возможно, вам придется ждать всего лишь несколько секунд до того, как волновая функция одной из них сколлапсирует и запустит коллапс остальных.

Это предположение могло бы объяснить многие непонятные явления и нерешенные задачи квантовой теории. Мы не видим призрачные квантовые эффекты у больших объектов, например котов или Луны, потому что при таком количестве взаимодействующих частиц их волновые функции легко коллапсируют или вообще не образуются. А в ранней Вселенной было лишь вопросом времени, когда волновая функция вещества сколлапсирует в неравномерное распределение, из которого образуются звезды и галактики.

Теория объективного коллапса также имеет интуитивное объяснение и для проблемы наблюдателя. Человеческое тело состоит из более чем одного миллиарда миллиардов миллиардов атомов, которые содержат еще большее число частиц. Наблюдатель, влезающий даже в надежно изолированную квантовую аппаратуру, становится квантово запутанным с ней, и их сколлапсировавшая волновая функция затем заставляет любую находящуюся поблизости несколлапсировавшую волновую функцию тоже коллапсировать.

Также дает о себе знать и спонтанный коллапс волновой функции. Когда волновая функция исчезает, на ее месте возникает нечто новое – определенное положение, количество информации или импульс энергии. Каждый коллапс выпускает лишь крохотное количество энергии, так что в повседневных масштабах мы его не замечаем. Но во Вселенной в целом это создание энергии довольно значительно. Возможно, оно даже решит величайшую космологическую головоломку всех времен и народов – раскроет природу до сих пор не объясненной «темной энергии», которая, по всей видимости, приводит к ускорению расширения Вселенной (см. главу 8).

8. Квантовый космос

Для объяснения рождения и роста нашей Вселенной мы в течение века полагались на теорию относительности Эйнштейна, а именно на общую теорию относительности. Но пришло время идти дальше. Сейчас понятия квантовой механики начали просачиваться из их храма физики частиц, чтобы присоединиться к теории относительности на бескрайних межзвездных пространствах. И хотя подлинная космическая роль кванта остается туманной – речь идет о недоказанных теориях и догадках, связанных с кротовыми норами, черными дырами и суперструнами, – множество физиков считают, что эти необыкновенные новые идеи предвещают долгожданное объединение теории квантовой гравитации, которая вконце концов раскроет причины Большого взрыва иприроду пространства ивремени.

Вопрос квантовой гравитации

Мы живем в квантовой Вселенной. Посмотрите внимательно вокруг, и вы обнаружите, что все мы являемся запутанными волнами комплексной вероятности. В большинстве разделов физики основополагающая квантовая реальность демонстрирует невиданное богатство мира, в котором мы живем. Все частицы, обнаруженные нами, вместе с электромагнитными и ядерными силами описываются квантовой теорией поля, которая может предсказать результаты каждого эксперимента, который когда-либо был или будет проведен. Но есть одна область физики, где введение законов квантовой механики приносит больше головной боли, чем пользы, – это гравитация.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил закон физики, описывающий гравитацию. Однако наше современное понимание исходит от Альберта Эйнштейна, чья общая теория относительности учит нас, что гравитация, которую мы знаем, – на самом деле изгиб и искривление пространства и времени. Мы не можем отделить гравитацию от пространственно-временной арены, на которой мы живем. Чтобы примирить квантовую механику с гравитацией, нам нужно разобраться, как законы квантовой механики с их случайностью и неопределенностью могут быть применимы к пространству и времени. Это – вызов квантовой гравитации.

Если вас интересуют подробности только тех процессов, что задействуют малые объемы энергии, то будет довольно просто последовательно совместить общую теорию относительности и квантовую механику в область, которая называется эффективной теорией поля. Но при манипуляции высокими энергиями все становится сложнее. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что положение частицы немного размыто – вы никогда не сможете сказать наверняка, где она находится. В квантовой гравитации те же идеи распространяются на пространство и время. Место, где вы сидите, постоянно флуктуирует, поскольку испытывает квантовые дрожания. То же самое относится и к «теперь», которое вы переживаете. Рассматривая их на достаточно больших расстояниях и временных отрезках, мы просто не замечаем эти флуктуации. Именно в этом случае работает эффективная теория поля. Но как только мы уменьшаем масштабы, случайность усиливается, при этом пространство и время испытывают более бурные флуктуации. Цель квантовой гравитации – разобраться в этих флуктуациях на малых масштабах.

В науке мы обычно проводим опыты, чтобы продвинуться вперед, но в случае квантовой гравитации это несколько затруднительно. Нашим самым мощным микроскопом является Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц на встречных пучках в ЦЕРН в Женеве. Рабочий масштаб его исследования Вселенной составляет 10–20 метров. Каким бы он ни был крохотным, это все равно в миллион миллиардов раз больше масштаба, на котором мы ожидаем заметить флуктуации пространства и времени. В настоящее время наши лучшие эксперименты пока далеки от наблюдения эффектов квантовой гравитации.

Однако мы не ограничиваемся проведением экспериментов только здесь, на Земле. Вселенная огромна, и в ней нашлось место многим экстремальным явлениям, так что вполне возможно найти место, в условиях которого эффекты квантовой гравитации появляются естественным образом. Уже имеется два таких места, где, как мы уверены, квантовая гравитация существенна: в точке Большого взрыва и внутри черных дыр. Поэтому, чтобы узнать, что происходит при встрече квантовой механики и мощи гравитации, нам, возможно, придется отправиться назад во времени к первым мгновениям Большого взрыва или исследовать внутренности черной дыры.

Черные дыры

Черная дыра – это область пространства-времени, которая искривлена настолько, что ничто оттуда не может выбраться, даже свет. Согласно общей теории относительности, в центре черной дыры находится точка времени, называемая сингулярностью, где кривизна пространства становится бесконечной. Однако всякий раз, когда уравнение в физике дает вам ответ, равный бесконечности, на самом деле его стоит понимать как признание собственного бессилия: это математический способ сказать: «Я не знаю». В случае черных дыр общая теория относительности признает, что значение сингулярности можно найти только в другом месте – в квантовой теории гравитации.

Если бы мы могли наблюдать происходящее рядом с этой сингулярностью, это дало бы представление о том, как работает квантовая гравитация. К сожалению, сингулярность находится за горизонтом событий черной дыры, ограничивающим область, которую свет никогда не сможет покинуть. Если мы хотим ее исследовать, то необходимо перепрыгнуть через горизонт событий.

Другая сингулярность сидит в первом мгновении Большого взрыва. Опять же, она говорит нам, что мы просто не знаем, что там произошло. Мы не знаем, началось ли время с Большим взрывом или было что-то до него. Мы даже не знаем, имеет ли смысл понятие времени при Большом взрыве. Для ответа на эти вопросы нам нужна теория квантовой гравитации. Опять же, если бы мы могли увидеть, что происходило вблизи Большого взрыва, то мы бы получили некоторые драгоценные подсказки. Но это слишком трудно. Дело не только в том, что Большой взрыв случился очень давно: быстрое расширение, произошедшее, как считают, в ранней Вселенной и известное как инфляция, могло вымести все эффекты квантовой гравитации на дальний план.

Во всем этом есть что-то заговорщическое. Природа обеспечивает нам защиту от эффектов квантовой гравитации. Ученый Роджер Пенроуз, работающий в области математической физики, сформулировал гипотезу «космической цензуры», которая утверждает, что сингулярности всегда скрыты от наблюдений. Это можно перевести в точное математическое утверждение об уравнениях общей теории относительности. После 50 лет совместных усилий и математиков, и физиков многие думают, что гипотеза верна, но никто не знает, как ее доказать. В математике вещи, которые кажутся правильными, но не поддаются обоснованию, обычно указывают на некий глубинный факт – но мы не знаем, какой глубокий урок мы должны извлечь из космической цензуры.

Имеются и другие вопросы, многие из которых завязаны на черных дырах и для решения которых мы также остро нуждаемся в квантовой теории гравитации. Они коварны, поскольку как общая теория относительности, так и собранная эффективная теория поля, описывающая квантовую гравитацию, дают разумные ответы. Только теперь мы знаем, что эти теории говорят нам неправду.

Например, в 70-е годы XX века Стивен Хокинг (см. рис. 8.1) учил нас, что черные дыры не совсем черные. Как только вы примите во внимание эффекты квантовой механики, они начнут излучать, давая свет и медленно испаряясь, перед тем как в конце концов исчезнуть. Хокинг отметил, что это приводит к парадоксу.

Рис. 8.1. Стивен Хокинг произносит речь «Почему мы должны отправиться в космос» на одной из лекций цикла, посвященного 50-летию NASA. 21 апреля 2008 года.

Дэвид Тонг: «Об обладании мировым рекордом по ошибочности»

Дэвид Тонг – профессор теоретической физики Кембриджского университета, работающий над квантовой теорией поля.

«У нас есть фотографии огненного шара, заполнившего Вселенную во время Большого шара. Мы называем его космическим микроволновым, или реликтовым, излучением. Мерцания в этом огненном шаре содержат информацию о том, что произошло в первые доли секунды после Большого взрыва, и возможно, что если мы взглянем достаточно пристально, то увидим некоторую подсказку от квантовой гравитации.

Около десяти лет назад я и несколько моих друзей предложили сценарий произошедшего в самом раннем начале. Мы использовали теорию струн и представления о дополнительных измерениях и бранах, чтобы предложить новый механизм для инфляции – быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Наш механизм дал весьма характерный признак мерцания, видимого в огненном шаре Большого взрыва.

Затем, пять лет спустя, спутник Planck сфотографировал этот огненный шар с лучшим за все время разрешением. И нашего предсказанного сигнала там не было. Возможно, сигнал по-прежнему можно будет найти, если посмотреть пристальнее, но пока наша теория в ее самой наивной форме просто неверна. Может показаться странным такое хвастовство с нашей стороны, за исключением того, что наш теоретический сценарий описывал события через 10–37 секунд после Большого взрыва. Поразительно, что мы можем заглянуть так далеко в прошлое и применить научный метод, проверяя, что произошло, а что нет. На самом деле мы можем поставить мировой рекорд по эмпирической ошибочности раньше, чем кто-либо другой. Способность сравнить теорию и эксперимент в таких экстремальных условиях придает мне некоторую надежду, что в конечном итоге мы сможем выяснить, что случилось во время Большого взрыва».

Парадокс Хокинга

Возьмите книгу и сожгите ее. С практической точки зрения вы потеряли информацию, написанную на страницах, но фактически она по-прежнему закодирована в неуловимых корреляциях молекул воздуха или в мерцании языка пламени. Книга может быть утрачена, но информация, которую она несла, продолжает жить, хотя и в форме, которую трудно расшифровать.

Предположим, однако, что вы берете ту же книгу и выбрасываете ее в черную дыру. Если вы подождете достаточно долго, черная дыра испарится. Хокинг спросил: где информация сейчас? Он показал подробными вычислениями с использованием общей теорией относительности, что она исчезла. Ее нельзя обнаружить в свете, испущенном черной дырой. Но один из фундаментальных принципов квантовой механики гласит, что информация не может быть потеряна. Испарение черных дыр, судя по всему, противоречит квантовой механике. Это явление известно как информационный парадокс.

С 70-х годов XX века было еще много попыток понять, что происходит с информацией внутри черной дыры. Большинство ученых думают, что в итоге она выйдет, так что противоречий с квантовой механикой нет. Однако никто так и не смог найти ошибку в вычислениях Хокинга. Похоже, что и общая теория относительности нам врет. Но как в таком случае нужно изменить теорию, чтобы это исправить? К сожалению, этого пока никто не знает. Подробный анализ информационного парадокса и его последствий для теории квантовой гравитации см. ниже в параграфе «Огненная стена черной дыры: неприятности на краю».

Возможно, Вселенная дает нам и другие зашифрованные ключи к квантовой гравитации. Одним из них является темная энергия – так мы называем то, что ускоряет расширение Вселенной. Хорошие новости в том, что случайные квантовые флуктуации пустого пространства действуют как темная энергия, приводя к ускорению расширения пространства. К сожалению, когда мы подсчитываем, насколько быстрым это расширение должно быть, то получаем слишком большой результат, по крайней мере в 10^60 раз больше нужного. Это одно из худших предсказаний в истории науки. Ясно, что мы пропускаем что-то важное, как-то связанное с механизмом реагирования пространства на квантовое вещество. Но что это? Опять же, никто не знает.

Вопросы квантовой гравитации по сути касаются того, что означают пространство и время в квантовой Вселенной. Мы перепробовали много подходов к квантовой гравитации. На данный момент лучше всего разработана теория струн, в отличие от остальных предоставляющая проверку и подтверждение того, что квантовая механика и общая теория относительности могут счастливо сосуществовать. Также есть набор и других идей, но пока ни один из этих подходов не может ответить на основные вопросы, которые поставили бы их разработку на первое место. Что произошло во время Большого взрыва? Что заменяет сингулярность в черной дыре? Как информация уходит из черной дыры? Эти вопросы уже предстоит решать будущим поколениям.

Неужели у нас никогда не получится применить квантовую механику к гравитации, потому что Вселенная не работает по одному согласованному набору физических законов?

Теория струн показывает, что по крайней мере возможно примирить квантовую механику с гравитацией. Но это не означает, что такой способ выбрала сама природа. Законы, управляющие нашей Вселенной, возможно, логически не согласуются, но в ней существует своего рода заговор, не позволяющий нам обнаружить эту непоследовательность на практике – как физическое воплощение математической теоремы о неполноте Курта Гёделя. Тот факт, что эффекты квантовой гравитации появляются в местах, которые мы просто не способны наблюдать, уже может расцениваться как свидетельство этого заговора.

Переосмысление встречи теории относительности с квантовой физикой

Одни правила работают в масштабах атомов, другие – космоса. Физики уже смогли слить воедино квантовую теорию и специальную теорию относительности, и теперь они надеются создать теорию всего, которая сможет продемонстрировать, как устроена вся Вселенная на фундаментальном уровне.

Пока что внимание было сосредоточено на происходящем в условиях высоких энергий, существовавших в первые моменты Большого взрыва, где обе теории должны предлагать ответы. Проблема заключается в том, что экспериментировать с подобными теориями невероятно сложно. Для этого необходимо построить ускоритель размером с Солнечную систему, говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета.

Но вполне вероятно, что квантовый мир имеет больше общего с теорией относительности, чем мы думаем. Согласно Пенроузу, мы десятилетиями проводили эксперименты, объединяющие квантовую теорию и гравитацию, а с небольшими доработками они смогут предложить другой путь к открытиям, к которым мы стремимся.

До сих пор взаимное влияние некоторых странностей физики друг на друга в основном игнорировалось. Возьмем хотя бы тот факт, что атомы и маленькие молекулы могут существовать в двух местах одновременно и находиться в состоянии, известном как суперпозиция (см. главу 2). Общая теория относительности утверждает, что масса искажает пространство и время. Получается, что в состоянии суперпозиции масса атома создает два отдельных искажения в пространстве-времени, действуя таким образом на себя силой тяжести (см. рис. 8.2)? В более фундаментальном плане это вызывает сомнения, что теория относительности в принципе допускает появление суперпозиции. Причина, по которой квантовая реальность так отличается от нашего повседневного опыта, может быть прямо у нас под носом.

Возможно, новое поколение экспериментов сможет ответить на эти вопросы, исследуя воздействие гравитации на хрупкие квантовые состояния. Классический способ увидеть эффект суперпозиции – запустить атом по экрану с двумя щелями. Результатом станет интерференционная картина, образующаяся на детекторе, расположенном за щелями: набор четко выраженных полос, где атомы, судя по всему, ударяют по детектору, чередуется с пустыми местами, куда, видимо, не попал ни один из атомов. Единственное объяснение такой картины состоит в том, что атом проходит через две щели и две части его волновой функции интерферируют перед тем, как он достигнет детектора. Если вы затем добавите еще один детектор, чтобы измерить, через какую щель прошел атом, он разрушит интерференционную картину.

Рис. 8.2. Важная дилемма: все объекты оставляют свой след в пространстве-времени, но как частица, способная быть в нескольких местах одновременно, воздействует на саму себя?

Имеется много идей на счет того, почему так происходит. Большинство из них связано с потерей информации: считывание траектории атома заставляет его выбрать один путь или другой и не позволяет ему выбрать оба. Эксперименты показали, что там даже не нужен детектор: нагрева атома, вследствие которого он излучает фотоны, которые можно использовать для определения его положения, кажется, достаточно для ослабления интерференционной картины.

Для объектов побольше суперпозиция намного более труднодостижима. Мы создали интерференционные картины с помощью молекул, составленных из сотен атомов, но чем массивней они становятся, тем короче жизнь суперпозиции. Это может быть связано с потерей информации, но некоторые исследователи подозревают, что тут работает другое воздействие. Они предполагают, что гравитация является реальной причиной того, почему массивные скопления атомов, включая нас самих, не ведут себя как квантовые частицы.

Роль гравитации

Однако проверить это предположение будет далеко не просто, потому что суперпозиции атомов – очень хрупкая вещь. Но наши методы защиты их от тепла, вибраций и других возмущений постоянно совершенствуются, а это значит, что скоро мы сможем вплотную подойти к проблеме понимания роли гравитации.

Например, Сиско Гудинг, защитивший докторскую диссертацию в Университете Британской Колумбии в Ванкувере (Канада), и его бывший научный руководитель Билл Унру изучают, как атом в суперпозиции подвергается действию времени, пока он пролетает по разным путям и накладывается на самого себя, давая интерференционную картину. Атом в данном случае можно представить как крохотный осциллятор, немного похожий на маятник часов. Отправьте его по двум разным пространственно-временным путям – и он станет двумя часами, тикающими по-разному; когда они снова объединятся, данные этих часов не обязательно будут согласованы, говорит Гудинг. Этого должно хватить, чтобы ухудшить интерференционную картину предсказуемыми и обнаружимыми способами.

У Игоря Пиковского из Гарвардского университета есть другой план, основанный на временных аномалиях. Во время работы с группой Часлава Брукнера в Венском университете у него появилось предположение, что можно привести часы в суперпозицию двух разных высот над землей. Это означало бы, что две части суперпозиции существуют в разных частях гравитационного поля Земли. Согласно общей теории относительности, часы идут быстрее в более слабых гравитационных полях. За свою жизнь ваша голова постареет на 300 наносекунд больше, чем ваши ступни.

Это создает проблему для одноатомных часов, находящихся в суперпозиции. Тот факт, что атом записывает разное время в разных местах, выдает информацию о его положении, и это разрушает когерентность. Когда эти два времени расходятся, атом вынужден вернуться на одну из высот. Другими словами, растяжение времени вследствие гравитации может объяснить, почему мы не видим квантовые суперпозиции в нашем повседневном мире. Это может быть проверено с использованием методики «атомного фонтана», по которой атомы выталкиваются вверх сквозь поля микроволнового излучения, за счет чего создаются ультраточные интерферометры.

Других экспериментаторов привлекает иной тип суперпозиции. Дирк Баумейстер из КУСБ и Маркус Аспельмейер из Венского университета независимо изготавливают конструкции, зеркально симметричные друг другу. Эти структуры похожи скорее на трамплины для прыжков в воду, существующие в двух конфигурациях одновременно. Когда фотон, находящийся в суперпозиции, ударяет по зеркалу, он может привести конструкцию в суперпозицию, в которой она и дрожит (как если бы ныряльщик только что прыгнул с трамплина), и находится в спокойном состоянии. Впервые это было достигнуто несколько лет назад, а сейчас Пенроуз предположил, что каждая часть суперпозиции вышки, должно быть, создает столько гравитации для другой, что они коллапсируют в одну.

Перед группами Баумейстера и Аспельмейера была поставлена следующая задача – заставить суперпозицию длиться достаточно долго, чтобы исследовать этот эффект. Одна из проблем этих «трамплинов для прыжков в воду» состоит в том, что их трудно отсоединить от их окружения. Это приводит к коллапсу суперпозиции из-за вибраций, прошедших через установку, а не из-за гравитации.

Считая атомы

Создание и изучение суперпозиций больших объектов (больших с квантовой точки зрения) в любом случае представляет собой новую территорию для исследователей. Неудивительно, что есть и другие идеи насчет того, почему реальность прекращает быть квантовой на больших масштабах.

Одной из них является мнение, что мы должны пересмотреть саму квантовую теорию. Более продуманный вариант, называемый теорией Джирарди – Римини – Вебера, включает явление, известное как спонтанная локализация, которая делает суперпозицию недоступной для объектов, число частиц которых превышает определенное количество. Эта теория предполагает, что действительно важным фактором является распределение массы – ее плотность. И мы довольно скоро сможем найти эти конкретные значения. Группа Маркуса Арндта из Венского университета повторяет двухщелевой интерферометрический эксперимент с все более крупными объектами. Арндт считает, что спонтанная локализация подействует на частицы с массами, лежащими в пределах примерно от 100 000 до 100 миллионов масс протона. Но прежде чем ссылаться на гравитацию, они должны исключить спонтанную локализацию.

Научное сообщество расходится во мнении, настолько подобная работа способствует поиску теории всего. Многие считают, что сама эта теория – перспектива столь же далекая, как и прежде. Но если мы обнаружим, что гравитация интерферирует с квантовым миром, это может стать неплохим стартом. Гудинг думает, что ответы на эти вопросы мы сможем обрести в течение следующих десяти лет. Это прогресс.

Огненная стена черной дыры: неприятности на краю

Парадоксов в физике всегда было предостаточно. Вот кот, который может быть и мертвым, и живым одновременно; путешественник во времени, убивающий своего собственного деда; близнецы, расходящиеся во мнении о возрасте после того, как один из них вернулся из путешествия на околосветовой скорости к соседней звезде. Каждый озадачивающий сценарий заставлял нас исследовать мельчайшие нюансы проблемы, продвигая наше понимание теорий, лежащих за ней.

А теперь парадоксы, скрывающие черную дыру (см. рис. 8.3), могут помочь физикам наконец построить теорию квантовой гравитации. Вернемся в 1974 год, когда Стивен Хокинг и Яаков Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) показали, что черные дыры излучают фотоны и другие квантовые частицы в мучительно медленном процессе, который в конечном итоге приведет к испарению черной дыры. Хокинг заметил противоречие, которое порождала эта картина. Кажется, что излучение настолько случайно, что, как он предполагал, оно не может нести никакой информации о веществе, упавшем в черную дыру. И так как черная дыра испаряется, любая информация, попавшая в нее, должна в конце концов исчезнуть. Но это находится в непосредственном конфликте с ключевым принципом квантовой физики, утверждающим, что информацию нельзя разрушить. Так родился информационный парадокс черной дыры.

Рис. 8.3. Черная дыра в представлении художника.

Хокинг был уверен, что черная дыра разрушает информацию, и следующий шаг должна сделать квантовая физика, чей главный принцип был опровергнут. Другие были не согласны. Идея Хокинга пришла из его попыток собрать воедино общую теорию относительности и квантовую механику – настолько трудоемкий математический подвиг, что он был вынужден использовать приблизительные значения. Джон Прескилл, американский ученый, работающий в области теоретической физики, даже заключил с Хокингом пари, что черные дыры не разрушают информацию (см. ниже в блоке «Перелом в убеждениях Хокинга»).

Несколько аргументов указывали на то, что Хокинг был не прав. Один из самых убедительных исходит из размышлений: что происходит, когда испаряющаяся черная дыра становится все меньше и меньше? Если информация не может ни покинуть ее, ни разрушиться, то ее должно становиться все больше и больше, а объем должен все более и более сокращаться. Но если это так, квантовая теория утверждает, что очень легко сделать крохотную черную дыру при столкновении частиц, – и мы бы увидели их формирование в Большом адронном коллайдере, как утверждает, например, Дон Марольф – физик-теоретик из КУСБ.

А что если информация, наоборот, освобождается из черной дыры, возможно, тогда излучение Хокинга не такое однообразное? В упрощенной картине излучения Хокинга пространственно-временной вакуум постоянно производит пары виртуальных частиц, которые внезапно появляются на свет и быстро исчезают. Эта ситуация меняется рядом с горизонтом событий черной дыры, который рассматривается как место невозврата всего, что за него падает. Изредка одна из частиц пары затягивается в черную дыру, тогда как другая уходит как излучение Хокинга.

Тепло и квантовая информация

Если излучение Хокинга все же несет квантовую информацию, то это создает проблему. Информация и тепло связаны – это означает, что частицы, находящиеся прямо за границей горизонта событий, становятся колоссально энергичными, поскольку информация передается их партнерам снаружи, формируя огненную стену, достаточно горячую, чтобы сжечь что угодно и кого угодно, падающего в черную дыру.

Идея огненных стен кажется настолько нелепой, что физики начали искать другие способы передачи информации из черной дыры. Одна идея была выдвинута Стивом Гиддингсом, также из КУСБ, предположившим, что если квантовая теория ломается в окрестностях горизонта событий, то становится возможно передать информацию изнутри черной дыры к удаленным областям снаружи нее и тем самым предотвратить создание огненной стены. Но чтобы это работало, Гиддингс должен был спокойно допустить передачу информации со сверхсветовыми скоростями, запрещенную теорией относительности.

Следующим стал Джо Польчински из КУСБ. Он посчитал, что сможет решить проблему объединением модели Гиддингса с более ранней работой, проведенной Леонардом Сусскиндом из Стэнфордского университета. Сусскинд выдвинул три постулата. Первый всего лишь утверждал, что информация не теряется. Остальные два привлекают двух наблюдателей, которых зовут Алиса и Боб, приближающихся к черной дыре (чтобы узнать больше об Алисе и Бобе в другом контексте, см. главу 2). Отважная Алиса пересекает горизонт событий. Осторожный Боб остается снаружи. Сусскинд предполагает, что Боб не наблюдает ничего необычного, поскольку он сидит снаружи, и что Алиса не замечает ничего неладного, поскольку пересекает горизонт событий. Так происходит потому, что горизонт событий не является физической границей; это всего лишь обычный участок вакуума на обычном плавно искривляющемся участке пространства-времени.

Статья Польчински, Марольфа и других, опубликованная в 2012 году, доказала, что не могут быть верными одновременно все эти постулаты. Если информация не теряется, огненная стена все равно существует и Алиса оказывается поджаренной до хруста. Вот как создается стена. Скажем, частица A излучения Хокинга уходит в начале жизни черной дыры. Квантовая теория говорит, что частица A полностью запутана с другой частицей B излучения Хокинга, которая появляется позже при жизни черной дыры.

Теперь частица B – одна из пары частиц B и C, созданных у горизонта, а C упала в черную дыру. Предполагается, что пространство-время на горизонте событий не представляет из себя ничего особенного, как диктует общая теория относительности: просто щадящая гравитация и небольшая кривизна без огненной стены. Это требуется, чтобы виртуальные частицы, созданные у горизонта, были запутанными друг с другом. Так что B должна быть запутанной с C. Но поскольку раннее и позднее излучения Хокинга тоже должны быть запутанными, частица B также запутана с частицей A.

Моногамия запутанности

К сожалению, это нарушает незыблемый принцип квантовой механики, известный как принцип моногамии. Говоря простым языком, он утверждает, что частица B может быть запутана либо с частицей A, либо с частицей C, но не с обеими одновременно. Так что какая-то должна уступить. Огненная стена, наверно, сожжет общую теорию относительности. Или, может быть, квантовая механика не верна и информация не сохраняется.

Сусскинд по-прежнему скептически относится к огненным стенам, однако он утверждал, что они могут означать, что сингулярность, лежащая, как полагают, в центре черной дыры, вместо этого мигрирует к горизонту событий. Если огненные стены реально образуются, тогда пространство-время, каким мы его знаем, может кончаться на горизонте. Парадокс также может быть разрешен, если рядом с черной дырой есть что-то особенное в пространстве-времени, так что информация может быть перенесена быстрее света, как у Гиддингса, хотя это стало бы еще одним ударом для теории относительности.

Или, может быть, как на это указывает Прескилл, имеется четвертая возможность: «Ничто из вышеперечисленного, о чем мы еще не думали».

Перелом в убеждениях Хокинга

В 1997 году Джон Прескилл заключил знаменитое пари с Хокингом, поставив на то, что черные дыры не разрушают информацию. Работа, которая разрешила этот спор, началась в том же году, когда аргентино-американский физик Хуан Мальдацена использовал математику теории струн, чтобы показать эквивалентность теории гравитации внутри черной дыры квантовой теории, работающей на поверхности черной дыры.

Звучит эзотерически, но работа Мальдацены замечательна. Хотя мы до сих пор и не знаем, как описать черную дыру во всей ее полноте, мы все же представляем, как работать с квантовой теорией на ее поверхности. Это также означает, что квантовая механика действительна на поверхности черной дыры и что во время ее испарения черная дыра не теряет информацию. Одна оговорка связана с тем, что изученный Мальдаценой тип пространства-времени отличается от пространства-времени нашей Вселенной, но его результат настолько убедителен, что физики если и возражали ему, то неохотно, а в 2004 году он убедил Хокинга в том, что все-таки черные дыры не разрушают информацию. Он оплатил пари энциклопедией по бейсболу, которую Прескилл уподобил черной дыре, поскольку она тяжелая и требует усилий, чтобы извлечь из нее информацию.

Запутанная Вселенная: могут ли кротовые норы вместе удержать Вселенную?

Зашифрованное письмо от Хуана Мальдацены, отправленное им по электронной почте приятелю-физику Леонарду Сусскинду в 2013 году, дало ключ к решению парадоксов, вращающихся вокруг черных дыр, и, возможно, таким образом объединило квантовую теорию с общей теорией относительности. Оно содержало простое равенство: ЭР = ЭПР. Это короткое уравнение обещает наладить связь между двумя сильно различающимися частями физики, выдвинутыми Альбертом Эйнштейном.

Общая теория относительности Эйнштейна всегда проходила экспериментальные проверки, но мы знаем, что в ней чего-то не хватает. Теория описывает пространство-время как податливую, гладкую и лишенную особенностей декорацию реальности. Даже в экстремальном случае черных дыр пространство-время гладкое. Но в 70-е годы XX века физики Яаков Бекенштейн и Стивен Хокинг получили странный результат: черные дыры обладают температурой, а следовательно и свойством, называемым энтропией. Это переводит нас в область квантовой теории, где все распространяется дискретными порциями. Энтропия является мерой того, сколькими способами вы можете организовывать различные составляющие системы, например числа расположений атомов в газе. Более вероятные конфигурации означают более высокую энтропию. Но если черная дыра – это всего лишь гладкое пространство-время, она не должна иметь подструктуры и, соответственно, обладать энтропией. Для многих это является указанием на недостаток в теории Эйнштейна.

Эйнштейн аналогично относился к квантовой теории. В 1935 году статья, которую он написал вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном, выявила свойство квантового мира, в котором частицы могут мгновенно воздействовать друг на друга, даже находясь на противоположных концах Вселенной. С точки зрения Эйнштейна, это «жуткое действие на расстоянии» – квантовая запутанность, как ее стали называть, – было абсурдным. А около черных дыр, где запутанность встречается с общей теорией относительности, она создает все те парадоксы, которые мы до сих пор не способны устранить.

Поразительное озарение Мальдацены, пришедшее к нему в 1997 году, дало новую надежду на разрешение этой проблемы и понимание того, как встречаются гравитация и квантовая механика. Он предположил, что уравнения, описывающие гравитацию в некоторой области пространства-времени, были точно такими же, как квантовые уравнения системы, описывающей поверхность той области. Если вы можете решить уравнения для поверхности, вы можете получить жизнеспособную теорию, описывающую гравитацию внутри. Другие физики обнаружили, что эта «двойственность Мальдацены» работала, хотя они не знали почему.

В 2001 году Мальдацена привел интригующий пример, возвращаясь назад к статье, написанной Эйнштейном, снова вместе с Розеном, в 1935 году. Эта статья выявила еще одну особенность черных дыр. Она показала, как две черные дыры можно соединить коротким отрезком пространства-времени, известным как мост Эйнштейна – Розена, или кротовая нора. Согласно двойственности Мальдацены, кротовая нора может образоваться, только если поверхности двух черных дыр квантово запутаны. В 2009 году физик-теоретик Марк ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии думал над тем, что произошло бы при медленном уменьшении величины запутанности между черными дырами. Ответ был очень похож на растягивание двух концов куска жевательной резинки. Кротовая нора становится тоньше, пока не разорвется, и в итоге вы получаете два изолированных куска пространства-времени (см. рис. 8.4). Если обратить процесс, повышая запутанность, то кротовая нора начнет образовываться снова.

Рис. 8.4. Ткань реальности: она может быть соткана из квантовой запутанности.

Потребовалось еще несколько лет для достижения понимания, а также до отправки Мальдаценой того возбужденного письма с уравнением ЭР = ЭПР. Часть ЭР относилась к статье Эйнштейна, написанной вместе с Розеном и вводящей концепцию кротовых нор, а ЭПР – к статье, которую он написал с Подольским и Розеном в тот же год, вводя концепцию запутанности. Что если кротовые норы и запутанность являются сторонами одной медали – той же самой физики, но в разных обличьях?

Этот принцип дает некоторое объяснение явлению, выявленному в работе ван Раамсдонка, где пространство-время в форме кротовых нор может быть создано и разрушено просто регулированием числа запутанностей. Этим предлагается радикальная идея: все пространство-время – это проявление запутанности.

Означает ли это, что когда, квантовая запутанность существует между двумя частицами, скажем фотонами в лабораторном эксперименте, они соединены микроскопической кротовой норой? Мы не знаем. До сих пор вся работа проделывалась с пространством-временем, которое не расширяется. Ван Раамсдонк и другие работают над распространением результатов на расширяющееся, ускоряющееся пространство-время, составляющее наш космос.

Не всех убедили такие радикальные нововведения, но для тех, кто причастен, это самый оптимистичный путь к теории квантовой гравитации, которая сможет объединить силы природы. Принцип ЭР = ЭПР – это то, чему теория квантовой гравитации должна подчиняться, говорят Мальдацена и Сусскинд. Последний рассуждает дальше: квантовая запутанность – это форма общей информации, так что пространство-время может быть проявлением квантовой информации.

Если учесть, что Эйнштейн разработал идеи как кротовых нор, так и запутанности, можно только гадать, что бы он еще построил из них.

Может ли квантовая механика рассказать нам, что произошло до Большого взрыва?

Общая теория относительности утверждает, что Вселенная началась с сингулярности, где все ее вещество и энергия были сжаты в точку. Она также гласит, что законы физики нарушаются на сингулярности, так что невозможно предсказать, что там случилось.

Но некоторые космологи предполагают, что там произошел «большой отскок», в котором наша Вселенная выросла из пепла раннего космоса, а он в свою очередь закончился «большим сжатием» – процессом, который должен повториться, когда нынешней Вселенной придет конец. «Большой отскок» был смоделирован с использованием петлевой квантовой гравитации, но этот подход потерпел неудачу, когда физики изучили детали.

Новая идея от Нила Турока из Института теоретической физики в Ватерлоо (Канада) и Стеффена Гилена из Имперского колледжа Лондона также дает нам толчок. Они используют принцип физики элементарных частиц: на очень высоких энергиях вещество ведет себя как свет. В частности, оно перестает зависеть от масштабов – уравнения, описывающие его поведение, те же самые, независимо от энергии света или размера Вселенной, его содержащей. Согласно Туроку, это означает, что Вселенная может сжаться до нуля и появиться снова, а свет при этом ничего не узнает.

Применяя этот принцип к полностью гладкой и одинаковой во всех направлениях Вселенной, они предсказывают космос, отскакивающий через сингулярность посредством процесса, подобного квантовому туннелированию, позволяющему электронам проходить сквозь стены или другие барьеры. Следующий шаг – отбросить некоторые из тех предположений и попытаться сделать Вселенную с квантовыми флуктуациями, приводящими к возникновению крупномасштабных структур, например галактик.

Заключение

Из математического маневра Макса Планка, совершенного в далеком 1900 году, вырос совершенно новый взгляд на мир, где наша надежная старая добрая реальность заменена на неопределенности, «раздвоенные личности» и жуткие связи, которые могут протягиваться через космос.

Вот уже более века квантовая механика правит микромиром частиц, но сейчас, благодаря новому расцвету квантовых технологий, дело идет к ее проникновению еще дальше в макромир: в форме повседневных потребительских устройств, сообщающих, где мы и сколько времени, обнаруживающих закопанные сокровища, заглядывающих за угол и с легкостью проводящих вычисления, которые когда-то были неосуществимы.

Даже сейчас, когда мы учимся использовать всю таинственность квантовой механики, среди нас нет общего согласия насчет того, что на самом деле эта теория означает. Указывает ли она на особый статус сознания или на вереницу трамплинов, ведущих частицу, или, может быть, на множественность вселенных? Ставит ли она под угрозу причинность? Есть ли более фундаментальный уровень, лежащий за квантовым? Кажется, что наши идеи находятся в своего рода квантовой суперпозиции.

Чтобы сколлапсировать эту философскую волновую функцию и найти истинную природу квантовой реальности, мы должны, как утверждают некоторые, смотреть на небеса. Ответ может быть написан в реликтовом фоновом излучении или на горизонте событий черной дыры. Или, может быть, нам просто нужна традиционная научная революция: собрать вместе новое поколение исследователей с непредвзятым мышлением, немного гениев, удачи и технологий и в результате появится какая-нибудь невероятная идея, реально имеющая смысл. Или, наверно, мы можем научиться жить с таинственностью? Просто играясь с квантовыми симуляторами и другими технологическими игрушками, использующими суперпозицию и запутанность, возможно, мы придем к тому, что будем воспринимать эти явления менее чуждыми и более интуитивными и удивляться, почему наши предки не могли выйти за пределы их классической рутины.

Если все это не получится, то, может быть, ответ ожидает появления гигантского квантового компьютера будущего и того, кто будет работать над правильным вопросом, который нужно задать ему.

100 идей

Этот раздел поможет вам изучить предмет более детально, чем просто с помощью обычного списка литературы.

9 мест для квантового туризма

1. Копенгаген, Дания. Город сыграл огромную роль в рождении и развитии квантовой теории. Начните путешествие с улицы Вед-Странден, на которой 7 октября 1885 года в доме 14 родился Нильс Бор. Это был дом его бабушки и дедушки; памятная табличка на здании отмечает знаменитого жителя. Затем пройдите на улицу Бредгаде (или Броуд-стрит) к дому 62, где Бор жил до защиты докторской диссертации в 1911 году. Сейчас там Медицинский музей. Также посетите Институт Нильса Бора, который был местом встречи гениальных молодых физиков, работавших над квантовой теорией и улучшивших ее в 20-е и 30-е годы XX века. Лекционный зал института и личный кабинет Бора сохранены в прежнем виде и открыты для посетителей.

Сайт Института Нильса Бора: http://www.nbi.ku.dk/english/news/news13/niels-bohr-institute-named-historic-site/

2. Пивоваренная компанияCarlsberg, Копенгаген. Нильс Бор получал гранты от Фонда Carlsberg с 1911 года. После того, как он был удостоен Нобелевской премии, представители компании подарили ему дом рядом с заводом – Почетную резиденцию Carlsberg. Он переехал туда в 1931 году, и там у него было много дискуссий с Эйнштейном, Гейзенбергом и другими единомышленниками. Музей Carlsberg и выставочный центр открыты для посетителей и позволяют заглянуть в дом, где Бор жил до своей смерти в 1962 году.

Сайт компании: http://www.visitcarlsberg.com/

3. Вестминстерское Аббатство в Лондоне (Великобритания). Здесь заложена плита в память Поля Дирака, на которой высечено его знаменитое уравнение, описывающее квантовое поведение электрона.

4. Белфаст (север Ирландии). Джон Стюарт Белл, чья математическая работа в 60-е годы XX века открыла путь экспериментальным проверкам квантовой таинственности, пожалуй, величайший из ученых родом с севера Ирландии. В Белфасте, его родном городе, одну из улиц в 2015 году переименовали в «Полумесяц теоремы Белла» (Bell’s Theorem Crescent), чтобы обойти правило, запрещающее называть улицы в честь людей.

5. ЦЕРН в Женеве. Там не только работал теоретик Джон Белл (см. выше), но и было сделано большинство прорывных экспериментальных открытий, доказавших, что наша модель, основанная на квантовой теории, верна.

6. Остров Гельголанд у северного побережья Германии. Именно там в 1925 году Вернер Гейзенберг разработал математическую модель квантовых частиц. Памятная табличка в честь этого прорыва была открыта в 2000 году.

7. Отель «Метрополь» в Брюсселе. Здесь была сделана знаменитая фотография пионеров квантовой механики (см. рис. 1.5). На ней есть Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Шрёдингер и другие ведущие ученые того времени. Их сфотографировали в 1927 году во время Сольвеевского конгресса, на котором обсуждалась новая область квантовой механики.

8. Город Ульм (Германия) – место рождения Альберта Эйнштейна. Дом, где родился Эйнштейн, находился рядом с железнодорожным вокзалом, также в этом городе на юге Германии есть другие памятники, посвященные этому великому человеку.

9. Параллельные вселенные. В настоящее время нет известного способа посетить параллельные миры (в предположении, что они существуют), даже если вы могли бы нарушить законы физики. Однако путешествие между вселенными может быть реальным, если вы готовы ждать (очень-очень) долго. Физик Митио Каку из Городского университета Нью-Йорка считает, что триллионы лет спустя люди разработают технологии путешествий в другие вселенные, чтобы избавиться от смерти в нашей.

13 анекдотов

1. Нильс Бор был вратарем уважаемого датского футбольного клуба (его брат Гарольд играл в национальной команде).

2. Французский пионер квантовой физики Луи де Бройль сначала получил историческое образование и всю Первую мировую войну служил радиоинженером на Эйфелевой башне.

3. В доме Нильса Бора из крана текло бесплатное пиво.

4. Эрвин Шрёдингер представил своего кота не для иллюстрации квантовой таинственности, а в качестве доказательства приведением к абсурду того, что квантовая теория, должно быть, неверна.

5. На вопрос, был ли на самом деле у Шрёдингера кот, ответа так и нет. Но говорят, что, когда он пребывал в Оксфордском университете, у него был кот по кличке Мильтон. Судьба Мильтона неизвестна.

6. Вольфганг Паули, выведший принцип запрета, названный в честь него, был озабочен числом 137 и, по легенде, умер в палате № 137 Больницы Красного Креста в Цюрихе в декабре 1958 года.

7. Паули был также печально известен за свою способность заставлять эксперименты и оборудование исчезать, ломаться или не срабатывать, просто находясь поблизости. Она была даже названа эффектом Паули.

8. У Шрёдингера было множество романов, которые, как предполагается, вдохновляли его на прозрения. Когда во время Второй мировой войны он был отправлен в Дублин, оказалось, что у него были две «жены» и что он был отцом двоих девочек от разных женщин.

9. Шрёдингер, часто носящий бабочку, будучи студентом, был отличником по восточным религиям, а также писал стихи.

10. Макс Планк, основатель квантовой теории, был глубоко религиозным человеком и в 1937 году написал: «И религия, и естествознание нуждаются в вере в Бога».

11. Этторе Майорана был теоретиком в области физики частиц, чья жизнь имела отголоски квантовой теории. Он пропал без вести во время рейса на пароходе из Палермо в Неаполь в 1938 году. Его тело так и не нашли, но и его никогда больше не видели, поэтому он жил в состоянии кота Шрёдингера, будучи одновременно живым и мертвым (хотя прокуратура Рима в 2015 году заключила, что по крайней мере между 1955 и 1959 годами он проживал в Венесуэле).

12. Люди постоянно останавливали Альберта Эйнштейна на улице, и он придумал уловку. С очень сильным акцентом он говорил: «Простите меня, извините. Меня все путают с Эйнштейном».

13. Легендарно молчаливый Поль Дирак имел странное увлечение Микки Маусом, а в свои последние годы питал сильную симпатию к певице Шер.

10 цитат

Неверно, что пионеры квантовой механики не имели никаких проблем с квантовой таинственностью, обнаруженной ими.

1. «На самом деле я не так много думал об этом», – Макс Планк о своем открытии того, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами.

2. «Spukhafte Fernwirkung», – эта фраза Альберта Эйнштейна по-немецки означает «жуткое действие на расстоянии», ее он использовал для высмеивания концепции запутанности.

3. «Бог не играет в кости с миром», – Эйнштейн много раз использовал эту фразу в разных вариантах, и она по-прежнему наиболее цитируема каждым, кто выражает свое недоумение по поводу того, как наш внешне твердый мир классической реальности может появиться из расплывчатых неопределенностей сферы квантового.

4. «Всякий, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее», – Нильс Бор.

5. «Мы все согласны, что ваша теория безумна. Вопрос, который разделяет нас, состоит в том, является ли она достаточно безумной, чтобы обладать шансом быть правильной», – сказал Бор Вольфгангу Паули в 1958 году.

6. «Вселенная не только более странная, чем мы думаем, она более странная, чем мы можем думать», – объяснял Вернер Гейзенберг тот факт, почему мы не можем полностью принять следствия квантовой теории.

7. «Мне она не нравится, и я сожалею, что когда-либо имел дело с ней», – мнение Эрвина Шрёдингера о его интерпретации квантовой механики.

8. «Я сделал ужасную вещь, я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить», – Вольфганг Паули после предположения о существовании нейтрино.

9. «Этот ад… обречен с самого начала», – поездка Хью Эверетта в Копенгаген в 1959 году с целью объяснения своей многомировой гипотезы Нильсу Бору не прошла успешно.

10. «Заткнись и считай!» – эта печально известная характеристика того, как многие квантовые физики, особенно придерживающиеся доминирующей Копенгагенской интерпретации, обходятся с философскими головоломками, загаданными предметом их исследования, часто приписывается Ричарду Фейнману, у которого всегда был под рукой афоризм или даже два. На самом деле, по-видимому, первым ее использовал физик Дэвид Мермин в 1989 году, через год после смерти Фейнмана, хотя в подлинном духе квантовой теории даже в случае Мермина не ясно, что это был именно он.

7 квантовых шуток

1. Полицейский останавливает Гейзенберга и Шрёдингера за превышение скорости. Он спрашивает Гейзенберга: «Вы знаете, насколько быстро ехали?»

Гейзенберг отвечает: «Но мы точно знаем, где находимся».

Полицейский сердится и требует, чтобы Гейзенберг открыл багажник.

«Эй, вы знаете, что там кот и он мертвый?!» – кричит полицейский.

Шрёдингер гневно отвечает: «Ну, теперь он точно мертвый».

2. – Что говорит один фотон другому?

– Мне надоела ваша интерференция.

3. Граффити на стене: «Вероятно, здесь был Гейзенберг».

4. Если бы «Титаник» столкнулся с Гейзенбергом, плавал ли бы он снова?

5. – Почему от квантовых физиков нет никакого толка в постели?

– Потому что когда они находят позу, они не могут предаться возбуждению, а когда они возбуждаются, то не могут найти позу.

6. – Почему квантовая частица не переходит через дорогу?

– Потому что она уже на обеих сторонах.

7. – В чем разница между автомехаником и квантовым механиком?

– Квантовый механик может завезти машину в гараж, не открывая ворота.

2 квантовых шуточных стихотворения

1. «Эйнштейн, Подольский и Розен» (Дэвид Холлидей):

Два фотона, близкие вначале,

Разошлись на несколько парсек,

Один сказал другому: «Что б все это означало,

Что из-за вас нет выбора и прежде, и навек?»

2. «Размытые электроны» (Дэвид Морин, Эрик Заслов, Элизабет Хэйли, Джон Гольден и Натан Салвен):

Угодить электрону в самом деле трудно,

Когда он рассеян, способен встать, занудный,

То от больших просторов, то от стен страдает,

А когда его зажали, он внезапно убегает.

5 фамилий, которыми обозначают…

1. У Нильса Бора есть химический элемент борий и кратер на Луне, названный в честь него.

2. У Альберта Эйнштейна помимо всего прочего есть химический элемент эйнштейний, конденсат Бозе – Эйнштейна (состояние вещества) и кратер на Луне, названный в честь него.

3. У Макса Планка, немецкого физика и отца-основателя квантовой механики, также есть кратер на обратной стороне Луны, названный в честь него, как и космическая обсерватория «Планк», создавшая карту реликтового излучения с самым высоким разрешением за всю историю.

4. У Энрико Ферми, итальянского физика, создавшего первый ядерный реактор, есть химический элемент фермий, названный в честь него, как и элементарные частицы, названные фермионами.

5. У Поля Дирака есть особый тип фермиона, названный в честь него (строго говоря, это любой фермион, который не является для себя же античастицей). Конденсат Ферми – Дирака, состояние вещества получило свое название и от него, и от Ферми.

5 значимых (или нет) переписок

1. Письма, написанные Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом об их знаменитой встрече в Копенгагене в сентябре 1941 года, являются предметом большого исторического интереса. Отправился ли Гейзенберг в Копенгаген для обсуждения моральных сторон работы над немецкой атомной бомбой? Не факт.

2. У Вольфганга Паули и психоаналитика Карла Юнга была длительная переписка, в которой они в том числе обсуждали их общую зацикленность на числе 137. Многие из этих писем опубликованы в книге «Атом и архетип».

3. Паули был близким другом Бора и Гейзенберга, с ними он обменивался большим количеством писем, обсуждая свои идеи. Полученные им письма сейчас находятся в архиве ЦЕРНа.

4. В 1932 году Альберт Эйнштейн написал психоаналитику Зигмунду Фрейду вопрос, возможно ли пресечь тенденции человечества к жестокости? В своем ответе Фрейд был достаточно пессимистичен.

5. В выпуске журнала Physical Review от 15 мая 1935 года Эйнштейн вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал знаменитую статью под названием «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», излагавшую их ныне известный ЭПР-парадокс. Ответ Бора был опубликован через пять месяцев в том же журнале, причем под тем же заголовком. Спор между Бором и Эйнштейном по этому вопросу сегодня считается легендарным.

5 примеров «сумасшествия»

В колонке обратной связи журнала New Scientist, содержащей странные истории, сомнительные рекламные объявления и запутанные инструкции, предполагается, что подобное «сумасшествие» легче всего обнаружить по неуместному использованию слова «квантовый». Вот несколько простых примеров.

1. Квантовые прыжки. Эта методика предлагает «Вселенную бесконечных возможностей». Она дает вам шанс исправить то, что когда-то пошло не так в вашей жизни, и использование накопленной мудрости многих ваших альтернативных копий, живущих в мультивселенной.

2. Квантовая цветовая терапия. «В сущности мы все состоим из цвета и частоты. В результате, какие бы нарушения равновесия на каком бы уровне мы ни могли бы испытывать, будь то физический, ситуативный или эмоциональный, они могут быть переведены в дисбаланс цвета / частот света, излучаемого или пропускаемого нашим полем квантовой энергии». Есть ли что-то, возвращающее нас к равновесию? Да, конечно, есть – мы можем принять дозу квантовой цветовой терапии, купив кристалл квантового равновесия.

3. Квантовые подвесы. Они, похоже, способны переводить определенный неживой материал в условие, имитирующее квантовое состояние нашего ощущения жизни. (Нет, мы тоже понятия не имеем, что это такое.)

4. Технология квантовых ресурсов. Утверждается, что эта полезная инновация сделает ваш дом чище и комфортнее, нейтрализуя «фоновый беспорядок», вызванный «случайными движениями электронов».

5. Квантовые подвески для домашних животных. В них используется специальный «биоэнергетический» процесс, объединяющий квантовую физику, принципы гомеопатии и усовершенствованное программное обеспечение и работающий с особой энергией ваших животных для укрепления их иммунной системы и создания частотного барьера, отталкивающего и борющегося с блохами, клещами и комарами.

5 информационных указателей с инструкциями для тех, кто демонстрирует квантовое поведение

1. «Занимайте обе стороны».

2. «Парковаться на обеих сторонах дороги строго запрещено».

3. «Для выхода из поезда воспользуйтесь всеми дверьми».

4. «Пожалуйста, заказывайте ваш обед на всех кассах».

5. «При входе в лифт убедитесь, пожалуйста, что ОБЕ двери ЗАКРЫТЫ».

6 способов вникнуть глубже в квантовые вычисления

1. Попробуйте свои силы в программировании на квантовом компьютере с помощью онлайн-доступа к старому квантовому компьютеру компании IBM (http://www.research.ibm.com/quantum/) и компьютеру Бристольского университета (https://cnotmz.appspot.com/).

2. Если у вас есть лишних хотя бы 10 миллионов долларов, вы можете приобрести себе персональный квантовый компьютер компании D-Wave Systems. Один есть у Google (хотя идут активные споры насчет того, является ли он полностью квантовым). D-Wave Systems также выпустила собственное открытое квантовое программное обеспечение Qbsolv, предназначенное для ускорения развития рождающейся сферы программирования на квантовых компьютерах (https://github.com/dwavesystems/qbsolv), но при условии, что доступ к системе D-Wave Systems установлен отдельно.

3. Вы можете предварительно разобраться в теории, на которой основана работа этих машин, прочитав книгу Дэвида Дойча «Структура реальности. Наука параллельных вселенных» (1997).

4. «Квантовые вычисления и квантовая информация», Майкл Нильсен и Исаак Чуан (2000).

5. «Программируя Вселенную», Сет Ллойд (2006).

6. «Расшифровывая реальность», Влатко Ведрал (2010).

10 отсылок к квантовой механике и ее создателям в музыке, кино, литературе и театре

1. Кот Шрёдингера регулярно появляется в литературе. Он был в названии рассказа Урсулы К. Ле Гуин, а идея этого кота исследовалась такими писателями, как Терри Пратчетт, Нил Гейман и Дуглас Адамс. А еще есть летучая мышь Шрёдингера в заголовке научной книги, которую читала Лиза в «Симпсонах».

2. Удостоенная наград пьеса Майкла Фрейна «Копенгаген» и впервые поставленная в 1998 году, основана на знаменитой встрече 1941 года Нильса Бора и Вернера Гейзенберга в датской столице.

3. Пьеса Тома Стоппарда «Хэпгуд», впервые поставленная в 1988 году, использует квантовую неопределенность или суперпозицию как элемент ее структуры.

4. Марк Эверетт, сын Хью Эверетта – создателя многомировой интерпретации квантовой механики, упомянул своего отца в песне 2005 года «Вещи, которые должны знать внуки» (Things the Grandchildren Should Know):

Я никогда не понимал,

Кто на самом деле может

Быть на него похожим,

Живя внутри его души,

Я чувствую, что он всю жизнь

Здесь со мною рядом,

Как будто б он не умирал…

5. Фильм 2008 года «Квант милосердия» с Джеймсом Бондом не имеет никакого отношения к квантовой механике. Название связано с одноименным коротким рассказом Яна Флеминга, где термин «квант» используется в значении «минимум». Фильм, однако, посвящен миссии Бонда по уничтожению подозрительной организации «Квант».

6. В телевизионной драме «Во все тяжкие» главный герой Уолтер Уайт использует фамилию Гейзенберг как кличку.

7. Любимого пса Дока Брауна из фильма «Назад в будущее» называли Эйнштейн.

8. Британская фанк-джаз-рок-группа 70-х годов XX века называлась «Квантовый скачок» и больше всего была известна за свой хит 1979 года «Одинокий спасатель».

9. В более поздние времена, в 2016 году, берлинская певица Симона Джонс под вдохновением от квантовой физики выпустила свой альбом, в котором есть песня «Жуткое действие».

10. В американском комедийном сериале «Теория Большого взрыва» Говард и Леонард разрабатывают квантовый гироскоп для навигации, но затем приходят в ужас, когда их изобретение привлекает внимание военных.

19 книг, рекомендуемых для чтения

1. Жизнь первопроходца в мультивселенную Хью Эверетта была удивительной и трагичной. «Множественность миров Хью Эверетта III» Питера Бирна (2010) предоставляет подробную информацию.

2. Отличное описание в комиксах смотрите в «Квантовой теории в комиксах» Дж. П. Макэвоя (2020).

3. Чтобы узнать о бурно развивающейся области квантовой биологии, попробуйте «Жизнь на грани: ваша первая книга о квантовой биологии» Джима Аль-Халили и Джонджо Макфаддена (2017).

4. «Танцуя с мастерами Ву Ли» Гэри Зукава было самым продаваемым в 2001 году введением в квантовую физику.

5. «Как хиппи спасли физику: наука, контркультура и квантовое разоблачение» Дэвида Кейзера (2012) – это сообщение об эксцентричной группе физиков из Беркли (Калифорния), которые в 70-е годы XX века помогли задать физике новое направление.

6. Чтобы завершить своеобразную подборку книг для чтения, попробуйте «Дао физики» Фритьофа Капра (1992).

7. «Привидение в атоме: обсуждение тайн квантовой физики» П. К. В. Дэвиса (2010) является отличным справочником по конкурирующим интерпретациям квантовой механики.

8. «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» Ральфа Лейтона (1992) является биографией Фейнмана, излагающей квантовую физику на простом уровне, но богатой на барабаны бонго и другое веселье.

9. Рассмотрите подробно сложную жизнь Эрвина Шрёдингера в книге Джона Гриббина «В поисках кота Шрёдингера. Квантовая физика и реальность» (2016).

10. «Эйнштейн – его жизнь и Вселенная» Уолтера Айзексона (2015) – это прекрасный рассказ о великом человеке.

11. А если вы хотите, чтобы ваш питомец узнал о квантовом мире, попробуйте «Как обучить вашу собаку квантовой физике» Чада Орзела (2010).

12. Другое хорошее введение в тему – «Квантовая физика не может вас обидеть» Маркуса Чауна (2014).

13. Для изучения наиболее эксцентричного персонажа квантового мира прочитайте книгу Грэма Фармело «Самый странный человек. Тайная жизнь Поля Дирака и загадка атома» (2010).

14. Чтобы узнать побольше о Вернере Гейзенберге, попробуйте прочитать «Неопределенность: жизнь и исследования Вернера Гейзенберга» (1992).

15. Ход спора между Эйнштейном и Бором изложен в книге «Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности» Манжита Кумара (2013).

16. Другая книга, посвященная этому спору, – «Эйнштейн, Бор и квантовая дилемма» Эндрю Вайтекера (1996).

17. Для более углубленного изучения попробуйте прочитать книгу «Квантовая механика и опыт» Дэвида Алберта (1994).

18. «Квантовая теория: понятия и методы» Ашера Переса (1995) также содержит объяснение значения квантовой теории и используемых ею методов.

19. «Квантовая механика. Теоретический минимум» Леонарда Сасскинда (2014) тоже дает хорошее введение в предмет.

4 других способа копнуть глубже

1. Фейнмановские лекции по физике: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/

2. Архив материалов, освещающих жизнь и работу Нильса Бора: http://www.nbarchive.dk/

3. «Эйнштейн онлайн» – интернет-портал немецкого Института гравитационной физики Общества Макса Планка (также называемого Институтом Альберта Эйнштейна) дает большой объем информации о теориях великого человека и их приложениях: https://www.einstein-online.info

4. Архив документов и аудиозаписей, связанных с работой Хью Эверетта, можно найти здесь: http://ucispace.lib.uci.edu/handle/10575/1060

Глоссарий

Двухщелевой эксперимент — знаменитый эксперимент, показавший, что квантовое вещество может вести себя как частицы или как волна в зависимости от того, наблюдают ли за ним. В ходе этого эксперимента фотоны света запускаются по одному на экран с двумя щелями. Если за фотонами наблюдают, каждый из них пройдет через одну щель и они оставят отдельные следы на экране. Если же за ними не смотрят, вместо этого образуется интерференционная картина, означающая, что свет ведет себя как волна и интерферирует сам с собой, проходя одновременно через обе щели.

Декогеренция — процесс, в ходе которого как только что-то увеличивается в размерах, он теряет свои квантовые свойства.

Запутанность — идея, согласно которой объекты в квантовом мире могут стать связанными, или запутанными, таким образом, что изменение одного из них неизбежно подействует на другого, независимо от того, насколько они далеки друг от друга.

Измерение — в квантовом смысле оно необязательно является преднамеренным действием, а является всем тем, что выдает свойства квантовой частицы (и тем самым приводит к тому, что она перестает находиться в суперпозиции, то есть принимает определенное состояние, а не существует в комбинации состояний).

Квантовые вычисления — вычисления быстрее обычных, основанные на квантовых принципах, делающих возможным запуск множества вычислительных процессов одновременно.

Квантовая гравитация — физики ищут теорию квантовой гравитации, которая объединит квантовую физику, описывающую очень маленькие системы, и общую теорию относительности, описывающую гравитацию и крупномасштабные механизмы Вселенной. В настоящее время две теории не согласуются относительно таких явлений, как, например, происходящие на краю черной дыры.

Квантовая криптография — использует законы квантовой механики для защиты информации, так что ее невозможно перехватить и считать.

Квантовая механика — теория, основанная на законах, объясняющих поведение объектов на атомном и субатомном уровне, где частицы распространяются как волны, могут быть в нескольких состояниях одновременно, а также обладать общими состояниями, соединяющими их во времени и в пространстве.

Квантовая телепортация — явление, в котором квантовое состояние одной частицы может быть передано другой удаленной частице без какого-либо физического распространения между ними.

Квантовая теория информации — квантовый вариант классической теории информации, касающейся способов хранения и обработки информации в различных системах.

Квантовое туннелирование — явление, в котором частица может проходить через непроницаемый, на первый взгляд, барьер, используя свои волновые свойства.

Классическая физика — физика, предшествующая квантовой механике и теории относительности. В ней, например, есть законы движения Ньютона.

Коллапс волновой функции — явление, в котором частица, находящаяся в комбинации состояний, переходит во всего лишь одно из них. Это часто происходит, когда мы проводим измерения над квантовой системой.

Копенгагенская интерпретация – хотя квантовая механика проходила все экспериментальные проверки, физики так и не решили, какое значение она имеет для природы реальности. Эта интерпретация говорит, что частицы не обладают определенными свойствами до того, как вы их измерите.

Корпускулярно-волновой дуализм — крохотные порции вещества, подобно фотонам света, могут вести себя либо как частицы, либо как волны в зависимости от того, как вы их измеряете.

Кот Шрёдингера — знаменитый мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шрёдингером. Кота помещают в закрытый ящик, где смертельно опасный для него процесс может быть запущен непредсказуемым явлением, например распадом радиоактивной частицы. Согласно некоторым интерпретациям квантовой механики, кот и жив, и мертв одновременно, пока вы не откроете ящик, чтобы выяснить, жив он или мертв.

Кротовая нора — кратчайший путь между двумя точками пространства-времени. Некоторые теории говорят, что пары черных дыр могут быть соединены кротовыми норами благодаря квантовой запутанности.

Кубит — сокращение для термина «квантовый бит». При вычислениях обычный бит может принимать значение либо 0, либо 1. Квантовый бит может принимать оба значения одновременно.

Многомировая интерпретация — другой взгляд на следствия квантовой механики (см. Копенгагенская интерпретация). Многомировая интерпретация говорит, что каждый раз, когда вы осуществляете измерение, Вселенная расщепляется, создавая новые реальности. Каждый возможный результат измерений существует в одной из этих реальностей.

Мультивселенная – наша Вселенная может быть всего лишь одной из множества вселенных. Есть много типов мультивселенных. Инфляционная мультивселенная, например, возникает в результате экспоненциального расширения пространства-времени: это означает, что далеко за краем наблюдаемой Вселенной имеются бесчисленные вселенные, раздувающиеся как пузыри и недоступные нам. Многомировая интерпретация квантовой механики также включает существование бесчисленных вселенных, параллельных по отношению к нашей, взаимодействие между которыми приводит к возникновению квантовых явлений.

Наблюдатель – человек или предмет, проводящий измерение.

Нелокальность — способ, с помощью которого, как кажется, квантовые частицы способны мгновенно влиять друг на друга на огромных расстояниях.

Неравенства Белла – были получены физиком Джоном Беллом, чтобы проверить, могут ли таинственные квантовые воздействия на вроде бы невероятных расстояниях быть вызваны некоторым другим эффектом вроде неизвестной силы или свойства.

Общая теория относительности – теория Эйнштейна о том, как массивные объекты искривляют пространство и время вокруг них, вызывая гравитационные эффекты.

Принцип неопределенности Гейзенберга – утверждает, что в квантовом мире импульс и положение объекта не являются отдельными свойствами. Они обладают смесью этих двух свойств, которые нельзя полностью разделить.

Гейзенберг показал, что если мы точно знаем положение частицы, то не можем уверенно сказать о ее скорости, и наоборот, – всегда есть неопределенность в одной из величин. Это также верно для других пар свойств.

Скрытые параметры — величины, относящиеся к так и не обнаруженным силам или свойствам, которые, как считают некоторые физики, могут объяснить квантовую таинственность.

Специальная теория относительности — теория Эйнштейна, постулирующая, что скорость света всегда и везде одинакова, независимо от движения человека, измеряющего ее, а также что пространство и время тесно взаимосвязаны.

Спин (в квантовом смысле) — квантовое свойство, которым обладают многие виды частиц, включая электроны. Вы его можете представить как вращение частицы вокруг своей оси, хотя, строго говоря, это не совсем так.

Стандартная модель физики частиц — охватывает три из четырех взаимодействий в природе. Она описывает взаимодействие частиц-бозонов, переносящих взаимодействия, с частицами-фермионами, составляющими вещество согласно математике квантовой теории поля.

Суперпозиция — явление, в котором частица существует в нескольких состояниях одновременно подобно нахождению в двух местах одновременно.

Уравнение Дирака – полученное Полем Дираком, оно примирило квантовую механику и специальную теорию относительности, чтобы описать электрон, распространяющийся со скоростью, близкой к скорости света.

Уравнение Шрёдингера — уравнение, описывающее изменения квантовой системы со временем.

Фотоны – отдельные частицы света.

Черная дыра – точка, где пространство-время обладает бесконечной кривизной, вокруг которой обычные законы физики нарушаются, а квантовая физика и теория относительности Эйнштейна не согласуются друг с другом. Она безжалостно затягивает вещество, и даже свет не может выйти.

Примечания

1

Лат. «год чудес». – Прим. пер.

2

Термин anyon не имеет никакого отношения к отрицательно заряженным ионам, которые тоже называются анионами (anion). – Прим. пер.

Content

Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания
Под редакцией Элисон Джордж

Над книгой работали

Введение

1. Добро пожаловать в мир таинственного

Как был обнаружен квантовый мир

Главные действующие лица

Краткая история квантовой революции

2. Путешествие по квантовому миру

Корпускулярно-волновой дуализм

Запутанность

Суперпозиция

Квантование

Вероятность

Спин

Неопределенность

Окончательное доказательство квантовой таинственности

Испытайте это

Запутанные алмазы

Где эта свободная от лазеек проверка оставляет нас?

3. Что все это означает?

Введение в мультивселенную

Чудесный Копенгаген

Много миров

Скрытые параметры

Проверяя мультивселенную

Должен ли я заботиться о моих других «я»?

Космическая точка зрения

Тяжелые следствия

Множество исходов

Создает ли сознание реальность?

4. Практическая магия

Транзисторы: история «дырок»

Открытие транзисторов

Отсутствие электронов

Роящиеся дырки

Лазеры

5. Квантовая информация и вычисления

Что делает квантовые компьютеры такими уникальными?

Кубит

Суперпозиция

Запутанность

Что делает кубит хорошим?

Решение числовых задач

Компьютерная аппаратура

Сверхпроводящие кубиты

Спиновые кубиты

Квантовые вычисления на ионных ловушках

Квантовые вычисления на фотонах

Холодные атомы

Атомно-световые гибриды

Топологические квантовые вычисления

Дополнительные выгоды

Начало квантовой обработки информации

Не хотите один прямо сейчас?

Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров

Супернадежное шифрование

Квантовые симуляции

Метрология

Квантовые коммуникации

Шум – ключ к квантовым технологиям?

Тратя дискорд

6. Квантовая биология

Использовала ли жизнь мощь квантовой механики?

Да будет свет: фотосинтез

Квантовый компас: магниторецепция

Осуществление: энзимы

Что-то пахучее: обоняние

Записано в коде: мутации ДНК

Где мы окажемся?

В поисках квантового мозга

Одновременные ответы

Эволюция

Дело в спине

Сознание

7. В поисках реальности

Щупая таинственность

Квантовые машины

Тайна вещества становится глубже

Оба пути

Оттенки серого

Конец неопределенности

Мысленный эксперимент

Проверка реальностью

Причинные законы

Таинственная непредсказуемость

Путь к просветлению

Квантовое VS классическое

8. Квантовый космос

Вопрос квантовой гравитации

Черные дыры

Парадокс Хокинга

Переосмысление встречи теории относительности с квантовой физикой

Роль гравитации

Считая атомы

Огненная стена черной дыры: неприятности на краю

Тепло и квантовая информация

Моногамия запутанности

Запутанная Вселенная: могут ли кротовые норы вместе удержать Вселенную?

Заключение

100 идей

9 мест для квантового туризма

13 анекдотов

10 цитат

7 квантовых шуток

2 квантовых шуточных стихотворения

5 фамилий, которыми обозначают…

5 значимых (или нет) переписок

5 примеров «сумасшествия»

5 информационных указателей с инструкциями для тех, кто демонстрирует квантовое поведение

6 способов вникнуть глубже в квантовые вычисления

10 отсылок к квантовой механике и ее создателям в музыке, кино, литературе и театре

19 книг, рекомендуемых для чтения

4 других способа копнуть глубже

Глоссарий

Примечания