Квантовая запутанность, программирование, нобелевская премия по физике 2022 г. и наше будущее⁠⁠

В 2022 г. Нобелевскую премию по физике получила команда трех ученых: Алан Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за исследования в области квантовой запутанности, давших толчок развитию квантовой информатики. Тема эта очень интересна сама по себе и особенно интересна та мысль, которую А. Цайлингер продвигает в своих квантовых исследованиях.

Если вкратце, то Цайлингер и Ко показали, что квантовый мир принципиально невозможно описать классическими методами. Он другой. Принципиально. Это не просто наша уменьшенная реальность. Это, в некотором смысле, другая реальность, требующая и другой парадигмы мышления.

Как бы страшно это не звучало для некоторых, но по сути, Квантовая физика (КФ) - это, как говорил А.М. Семихатов, физика индетерминизма и вероятностей.

КФ носит вероятностный характер не потому что мы чисто технически не можем рассчитать всë, что нам нужно достаточно точно, а потому что квантовый объект находится в состоянии суперпозиции и мы не можем в точности знать все его параметры не потому что у нас оборудование несовершенное, а потому что самих этих параметров как бы нет до измерения, их нет до тех пор, пока в ходе измерения не произойдет редукция суперпозиции.

Квантовая запутанность - это феномен, с которого, во многом и начался почти 100 лет назад спор ученых, пытающихся еще удержаться в классической парадигме и ученых-квантистов, ученых, скажем так, "нового поколения" (не по возрасту, а именно по парадигме мышления).

Ученые нового поколения заявили: нельзя измерить импульс и координату частицы одновременно. И дело тут не в измерительных приборах, а в самой реальности.

Против этого взгляда на мир выступил А. Эйнштейн, заявивший: "Бог не играет в кости" (намекая на вероятностный характер КФ как на недостаток). Говорят, что Нильс Бор ответил на это так: "Не указывайте богу, что ему делать". А. Эйнштейна поддержали Ю.Я. Подольский и Н. Розен. Так родилась статья этих трех авторов "Можно ли считать квантовомеханическое описание реальности полным?", а вместе с ней и так называемый парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР). Ученые отстаивали мнение о том, что мы можем измерить и импульс и координату, а все препятствия в этом деле связаны либо с неизвестными параметрами, либо с техническим несовершенством аппаратуры.

Согласно ЭПР, можно изменить координату и импульс, если у нас есть две одинаковые частицы, которые разлетаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью, суммарный импульс которых равен нулю. Так, измерив импульс частицы А, мы узнаем и импульс частицы В, а измерив координату частицы В, мы узнаем и координату частицы А. Таким образом, ЭПР-парадокс заключается в том, что либо квантовомеханическое описание реальности не является полным и требует уточнений, поиска скрытых параметров, либо же частицы могут мгновенно передавать информацию друг другу, что нарушает уже известные законы физики, в частности принцип локальности, согласно которому на объект непосредственно влияет только его непосредственное окружение, а если две частицы, внешне никак не связанные, находящиеся на большом расстоянии друг от друга, мгновенно обмениваются информацией о состоянии друг друга, то они нелокальны.

В спор вмешался Э.Шредингер, заявивший, что всё не так просто, потому что если у нас есть две одинаковые частицы, которые находились в одной точке, а потом "разлепились", то с точки зрения КФ у нас уже не две разные частицы, они становятся "запутанными" (или точнее "спутанными", от нем - Verschränkung - "переплетение"). 

В классической физике, все системы и объекты локальны: ничего не воздействует на что-то телепатически и тому подобным образом. В классической физике, если у нас есть картонная коробка с двумя шариками внутри, а общий вес коробки 10 кг и нам известен вес одного шарика - 3 кг, значит вес другого шарика - 7 кг. (абстрагируемся пока от веса самой коробки). В КФ не так. Точнее, не совсем так. В КФ, условно говоря, вес шариков не задан изначально и когда мы измеряем один из них, другому передается информация от том, какой вес он должен получить в связи с нашим измерением.

А. Эйнштейн считал, что запутанные частицы - это нечто вроде пары перчаток: если мы достали из условной коробки левую перчатку, то мы автоматически понимаем, что в коробке осталась правая и поэтому, как считал А. Эйнштейн, никакой передачи информации не происходит и не нарушаются никакие понятия здравого смысла и привычные законы и принципы физики.

Однако ученые-квантисты продолжали утверждать, что запутанные частицы - это не пара перчаток, где левая и правая определены изначально и мы лишь узнаем, где какая, поочередно их доставая. Перчатки, с точки зрения КФ, не определены изначально: одна из них становится левой и передает информацию об этом другой, которая становится правой лишь в результате наблюдения. Требовался эксперимент, который наглядно покажет, кто же в итоге прав.

В течение второй половины XX века было проведено несколько экспериментов, в том числе и с участием упомянутых выше нобелевских лауреатов и все эксперименты показали однозначно: правы квантисты. Частицы взаимодействуют мгновенно, они передают информацию друг другу, они нелокальны и запутаны.

Система запутанных частиц - это всегда единое целое, независимо от расстояния. Поэтому это золотое дно для информатики. Используя квантовую криптографию можно практически мгновенно передавать сообщения, защищенные от перехвата, на большие расстояния. Отсюда уже и рукой подать до мощнейших квантовых компьютеров, которые смогут в режиме реального времени осуществлять такие вычисления, на которые обычным компьютерам понадобились бы миллионы лет, так как элементарная ячейка обычного компьютера существует сама по себе и находится либо в состоянии "1", либо в состоянии "0". Квантовый же компьютер оперирует кубитами, находящимися в суперпозиции, то есть одновременно и в состоянии "1" и "0". Запутанные частицы, работающие по этому принципу и передающие информацию друг другу мгновенно, могут позволить нам создать компьютеры невероятной мощности и защищенности благодаря квантовой криптографии.

Квантовые компьютеры - это новые возможности для науки. Это новая, качественно другая наука. А где квантовая криптография, там и квантовые криптовалюты и новая экономика, а вместе с тем и квантово-криптографическое голосование через интернет и новая демократия и новая политика в целом, а следом - и новый мир.

Для создания рабочего квантового компьютера нам нужно лишь научиться создавать устойчивые запутанности с большим количеством частиц.

Но даже не это самое главное и интересное. А самое интересное - это та, в некотором смысле, философская идея, которую продвигает А. Цайлингер. Идея эта весьма провокационная и уже не столько относится к чистой науке, сколько к философии. Поэтому об этой идее А. Цайлингера подробно и без цензуры рассказываю здесь.

Мой научно-философский проект