Ψ++

Архив

Квантовая коллективизация



"Граница" между физикой и наукой об информационных процессах "пролегает в тех местах", где для описания окружающей действительности приходится применять представления о зависимости физических явлений от чисто информационных характеристик объектов. Внешне это выглядит так, будто "участники" некоторого физического явления "знают, как себя вести", "осведомлены" обо всех условиях осуществления опыта. Особенно изящно все это выглядит, когда в опыте участвуют единичные частицы материи - кванты.

Вспомним три классических эксперимента квантовой оптики (отмечу сразу, что результаты опытов с точностью до условий проведения справедливы для всех микрочастиц, а не только для фотонов).

Опыт первый. "Одновременное" прохождение частицы через несколько отверстий (рис. 1).

Между источником света и экраном (фотопластинкой) имеется ширма с двумя или большим числом отверстий. Добьемся, чтобы при прохождении света через эти отверстия на экране образовалась характерная интерференционная картина. Теперь будем снижать интенсивность источника света (допустим, при помощи все более плотных светофильтров) до тех пор, пока не получим последовательность одиночных летящих в сторону экрана частиц. Что значит "одиночных"? А то, что интервал между появлением отдельных фотонов многократно превышает время их пролета через установку. Практически в каждый момент времени в объеме установки присутствует не более чем один фотон. Повлияет ли это на результат опыта? Ни капельки! На фотопластинке будут все те же интерференционные узоры, только потребное время экспозиции сильно возрастет.

Вывод: если интерференция в этих условиях по-прежнему имеет место, это означает, что фотон действительно обладает способностью, двигаясь к экрану, проходить одновременно через два и более отверстий, а в самом общем случае - движется к нему одновременно всеми возможными путями. Уже один этот опыт ясно показывает, что ни фотон, ни любую другую микрочастицу нельзя представлять в виде шарика, мячика или чего-то подобного. Гораздо правильнее считать его чем-то большим, протяженным в пространстве и лишь проявляющим себя через взаимодействие (с молекулой фотоэмульсии, к примеру) в очень маленьком, "точечном" объеме.

Опыт второй. Продольная "размазка" частицы (рис. 2).

Изменим конфигурацию установки, поместив ширму с отверстиями под углом к источнику света. Теперь получится, что летящий к экрану фотон либо проходит сквозь ближайшее отверстие, уже не имея возможности пройти сквозь дальнее, либо сквозь дальнее, заведомо не пройдя через ближнее. В любом случае, интерференции вроде бы не должно быть, поскольку, хотя мы и убедились, что фотон способен одновременно проходить через два отверстия, но не может же он, пройдя одно отверстие, затем "вернуться" и пройти через другое, - это уж было бы слишком! В этом варианте опыта интерференция, конечно же, невозможна!

А вот и нет! Интерференция по-прежнему имеет место. Какой же напрашивается вывод? Довольно неожиданный: фотон следует считать не только чем-то большим, протяженным "поперек пути следования", но и распределенным, "размазанным", занимающим определенный объем "вдоль своего же пути".

И, наконец, опыт третий. "Два лазера" (рис. 3).

В сущности, этот опыт является лишь более парадоксальным, что ли, вариантом предыдущего. Итак, два однотипных лазера светят на один экран. Получив на экране интерференционную картинку, поступаем как в первом опыте: ставим на пути лучей пару очень плотных фильтров, вместо экрана - фотопластинку, набираемся терпения и ждем... Что же мы увидим после проявки? Увидим все ту же знакомую нам картинку...

Первые два эксперимента очень наглядно показывают, что протяженный в пространстве фотон действительно способен пройти одновременно или порознь ряд отверстий, проинтерферировать за преградой и породить ту свою структуру, которая и будет фиксироваться фотопластинкой (точнее, фиксируется сумма проявлений всех фотонов в данном эксперименте).

Однако третий опыт дает возможность увидеть еще одну важную вещь. С "точки зрения" фотона нет существенной разницы между отверстием в ширме экспериментальной установки и источником, из которого он рождается на свет.

Дело в том, что фотон как некая распределенная сущность появляется в нашем Мире (в эксперименте - лишь в частности) не так: р-раз! - и появился. На самом деле мы лишь создаем условия для его проявления через взаимодействия - "рождения" и "гибели" (или "поглощения").

Я специально взял эти слова в кавычки, чтобы подчеркнуть, что каждый фотон в виде своей волновой функции [1] присутствует, похоже, всегда, однако в определенных условиях и в определенном месте способен проявить себя через событие типа "рождение", а в другом, - сообразно с принципами причинности нашего Мира, - через "гибель" или "поглощение". (Отмечу, что событие "рождения" относится к категории ненаблюдаемых. Почему это так - поразмышляйте. Это увлекательная логическая задачка. Похоже, мы всегда наблюдаем лишь следствия. События-причины загадочным образом от нас скрыты.) Кстати, в модели, предусматривающей постоянное присутствие в Мире волновых функций всех фотонов, скорость света имеет смысл чисто информационный - как скорость распространения возможных следствий от своего источника - причины, в качестве которой выступает событие типа "рождение".

Вообще-то, квантовые модели оптических процессов здорово напоминают описания работы алгоритмов трассировки печатных плат или кристаллов СБИС (во всяком случае, становится понятно, отчего y-функции сами по себе лишены физического смысла. Да просто оттого, что они - суть компоненты информационных процессов, лежащих вне или, вернее, до физической реализации. И никакой мистики!).

Впрочем, мы отвлеклись. Описанные только что эксперименты позволяют ясно увидеть, что в пространственной структуре одной-единственной частицы (или, более строго, - в структуре ее y-функции) можно записать очень много информации и даже создать условия, в которых информация будет обрабатываться заданным образом, однако в результате всех этих действий "на выходе" будет получена y-функция, хотя и содержащая всю необходимую нам информацию, но способная проявить себя - увы! - лишь в одном-единственном взаимодействии.

Припомните наш первый опыт: структура волновой функции каждого фотона в области за ширмой несет в себе информацию обо всех отверстиях в ширме, об их конфигурации и форме, оптической плотности и т. п. Однако же каждый фотон из "участвовавших" в эксперименте "отметился" на экране лишь в одной точке. (Голография, кстати, - тоже одночастичный квантовый процесс, в котором y-функция каждого фотона содержит информацию обо всей записываемой сцене или объекте. Но, чтобы получить голограмму, необходимо участие множества одинаковых, когерентных фотонов.)

Здесь мы приходим к пониманию важной истины: квантовый процессор можно построить с использованием даже одной-единственной микрочастицы, и он будет работать и давать результаты, которыми, однако, воспользоваться не удастся (по одной точке или даже букве текста трудно понять, о чем идет речь в книге!).

Чтобы все же добиться результата, понадобится раз за разом воспроизводить исходное состояние квантовой частицы и выполнять все преобразования - получая на выходе все новые и новые точки (или, в общем случае, реализации процессов измерения) и накапливая статистику, которая позволит сделать достоверный вывод о содержании выходного сообщения нашего процессора.

Налицо противоречие: либо мгновенный ответ, но с бесконечно большой вероятностью неверно его понять, либо - абсолютно понятный, но за бесконечно долгий срок.

На практике, конечно, ситуация проще: всегда есть допустимые уровни ошибок или помех, - но все равно остается некая неудовлетворенность, словно бы интуитивное предчувствие каких-то иных возможностей.

Такие возможности действительно существуют. Они связаны с технологиями создания систем практически идентичных y-функций, одновременно участвующих в экспериментальной ситуации. Такие системы одинаковых, совпадающих, как бы совмещенных в пространстве волновых функций образуют то, что называется когерентными квантовыми объектами. Примеры: луч лазера, сверхтекучий гелий, твердые квантовые кристаллы гелия, ток сверхпроводимости, коллективные состояния в некоторых активных оптических средах.

В каком-то смысле квантовый объект - это одна большая квантовая частица, макрочастица, но обладающая способностью одновременно проявлять себя во множестве взаимодействий, число которых в пределе равно количеству элементарных компонентов (y-функций), из которых объект построен.

Таким образом, за счет огромного числа идентичных компонентов единого квантового объекта обеспечивается очень быстрый набор статистики реализаций, то есть (в случае квантового процессора) почти мгновенное получение пригодного для использования результата. Пример: при использовании в интерференционных опытах интенсивных пучков лазерного света (содержащих большое число когерентных фотонов), результат на экране становится доступным для восприятия мгновенно (вообще говоря, не мгновенно, но в темпе накопления статистики по громадному числу реализаций. Все равно чрезвычайно быстро!).

Подведем первый промежуточный итог сказанному. Макроскопические квантовые объекты - вот чем, скорее всего, будут являться квантовые процессоры будущего. Макроскопические квантовые объекты... Самое время познакомиться с ними поближе.

Заграница



Определимся с терминологией. Некоторый предмет, находящийся в определенном месте, вдруг исчезает и появляется в другом. При этом атомы, первоначально составлявшие это тело, и атомы, из которых состоит возникший предмет, - не одни и те же. Буквально: нечто в точке А рассыпалось на атомы, а в точке В из атомов, имеющихся на месте, было воссоздано в прежнем виде и абсолютно точно. Назовем ли мы этот процесс телепортацией? Несомненно!

Так вот, телепортация в этом смысле наблюдалась в 1980 году в опытах, проводившихся в Институте физических проблем АН СССР [2].

Суть явления вкратце. Жидкий гелий. Очень холодно. Температура 0,9-1,2 .К. В камере, наполненной жидким гелием, растет гелиевый кристалл. Растет при такой температуре, когда никакие механические движения невозможны - нет требуемой для этого энергии. В таких условиях он должен бы намертво примерзнуть к стенке, на которой вырос. Ан нет!

Кристалл, который ни при каких условиях не должен, не может, не имеет "физического права" двигаться, тем не менее медленно "ползет" по стенке сосуда! Исследования показали, что кристалл движется, оставаясь неподвижным. Что это значит? Спереди, по ходу движения, на него "намерзают" атомы гелия, а сзади совершенно синхронно атомы уходят в жидкость. Кристаллическая решетка при этом остается неподвижной. Само "ползание" вызвано поиском места с минимумом энергии, включая потенциальную в поле тяготения.

Но самое интересное происходит, когда ползущий по стенке кристалл натыкается на неровность. В этом случае происходит "сброс", мгновенное перемещение кристалла на дно сосуда, при этом даже ориентация граней не меняется.

Остановимся здесь. Вдумайтесь: кристалл отрывается от стенки и... исчезает. Практически одновременно он появляется на дне контейнера сразу в том месте, где его потенциальная энергия будет минимальной. Оторваться и упасть для него недопустимо. Вспомните: при такой температуре никаких механических движений быть не может.

Если назвать вещи своими именами, мы здесь видим процесс телепортации кристалла гелия, объекта, имеющего размеры, массу, форму...

Такая телепортация очень напоминает перемещение светящейся литеры по экрану монитора. Программу можно написать так, чтобы буква в одном месте погасла и тут же зажглась в другом. Естественно, пикселы, из которых ее изображение состояло вначале, и пикселы, из которых оно сложится на новом месте, не одни и те же. - В одном месте "светилось" изображение кристалла. Его "выключили" и "включили" в другом, более подходящем. Только в случае с гелием включалось и выключалось не изображение, а сам кристалл. Такие дела...

Искусственно изготовленные y-функции, способные проявлять себя большим числом частиц (или, для любителей более привычных взглядов и терминов, - ансамбли частиц в квантово-неразличимом, когерентном состоянии), внешне будут выглядеть как обычные предметы, но свойства могут иметь поистине магические. Описанный выше кристалл гелия, наверное, первая такая макроскопическая y-функция, полученная человеком. Лиха беда начало!

Кстати, и в основе эффекта мгновенной, "телепатической" связи, известном как парадокс Эйнштейна - Розена - Подольского лежит сформулированный только что принцип. А именно: создается y-функция, способная проявляться в виде как минимум двух частиц. При этом, с учетом вышесказанного, любые изменения параметров этой y-функции, вносимые в одном месте, естественно и мгновенно "передаются" в любую другую точку, где y-функция имеет возможность себя проявлять. Никакой связи в привычном для нас виде "послал - получил" тут не происходит. Ничто не посылается и не принимается. В точках "приема" и "передачи" мы наблюдаем один и тот же объект. Опять же никакой мистики!

Материалистический идеализм



Размышляя над вышеописанными явлениями, я вдруг отчетливо понял, что квантовый процессор - штука, лежащая на стыке на столько физики и теории информационных процессов, сколько на границе Великих и Непримиримых Теоретических Песочниц - Материализма и Идеализма.

Не вещь, но флаг перемирия. Знак конца войны.

Практическая работа над созданием квантовых вычислителей неминуемо приведет материалистов к пониманию того, что материя нашего Мира не есть совокупность "частиц-кирпичиков Мироздания", но представляет собой нечто более общее, доступное наблюдению лишь косвенно - через те или иные ее проявления, которыми, в частности, являются микрочастицы и их совокупности - предметы.

Идеалистам придется смириться с тем, что в Мире все же ничего нематериального нет. И информация - последний оплот и надежда мистиков - есть только свойство материи, пусть даже такой необычной, как та, что стоит за привычными микро- и макрочастицами.

Однако по-настоящему захватывающие перспективы откроются не столько "физикам и лирикам", сколько программистам квантовых процессоров. В самом деле, перенесение процессов обработки данных на уровень y-функций означает отмену ограничений на скорость обработки и объем хранимой информации, ограничений, которые накладываются на количество физических элементов, способных пребывать в фиксированных состояниях. Но главное даже не в этом.

Программирование структур y-функций станет исторически первой попыткой Человека загрузить утилитарными задачами более глубокий уровень "Вселенского компьютера", чем тот, на котором "идет задача" реализации физической реальности. А ведь где-то глубже, за y-функциями, вероятно, лежат структуры, ответственные за Законы нашего Мироздания, еще глубже кроются целевые установки - что-то вроде Плана Бытия.

Неужто доберемся?

---

1 (обратно к тексту) - Волновая функция, или y-функция, описывает поведение частицы.

2 (обратно к тексту) - Кешишев К. О., Паршин А. Я., Бабкин А. В. - ЖЭТФ, 1981, т. 80, с. 716.
Паршин А. Я. Когерентная кристаллизация и кристаллизационные волны. - "Природа", 1982, .5.