Чем так неприятно жуткое дальнодействие

В стандартной квантовой физике – в копенгагенской интерпретации – имеется жуткое дальнодействие. И что? Никакие предсказания, сделанные этой теорией для экспериментов, не нарушают принципов относительности. Так кого это волнует? С одной стороны, это волнует меня. Лишь немного утешает то, что мгновенный коллапс невозможно использовать для сверхсветовой передачи сигналов. И многие другие физики со мной согласны. Вот почему они продолжают посещать конференции по «основам физики». Они подозревают: что-то не так, и давно не так. Ради потенциально великого открытия они даже готовы рискнуть «сойти с ума».

На одной из недавних таких конференций было предложено проголосовать за ту интерпретацию квантовой физики, которая им лично больше нравится. Примечательно, что за копенгагенскую интерпретацию проголосовали ни много ни мало 42 %[218]. Следующей по числу поддержавших оказалась информационная интерпретация, за которую отдали свой голос 24 %. Одобрение интригующей идеи, известной как многомировая интерпретация, снизилось до 18 %. Еще менее популярной оказалась тема, упомянутая в главе 18, – объективный коллапс Пенроуза, где Вселенная непрерывно измеряет сама себя; ее приняли всего 9 % участников. (Именно эта идея получила бы мой голос.)

Поразительно, что даже на конференции, где собираются ученые, наиболее глубоко размышляющие над этими вопросами, копенгагенская интерпретация оказалась вне конкуренции. Несмотря на свой жуткий характер, она пока выдерживает испытание экспериментами.

В самом деле, некоторые из альтернативных интерпретаций выглядят не менее жутко. Немало внимания привлекает многомировая интерпретация (несмотря на ее скромное положение в опросе) – возможно, потому, что имеет значительно более яркое название, чем все остальные. Она утверждает просто, что волновые функции никогда не схлопываются; в парадоксе с котом Шрёдингера существуют оба варианта будущего. На рисунке показаны два мира, но «на самом деле» их бесконечное число, поскольку пленка расщепляется постоянно с интервалом в одну неизвестно какую, но очень-очень-очень маленькую долю секунды.

Мне этот сценарий кажется не менее жутким, чем бесконечно быстрый коллапс волновой функции. В каком из множества миров и бесконечного числа Вселенных я живу? Каким-то образом моя душа выбирает всего один из невероятного множества вариантов. Но кто-то другой, возможно, движется по совершенно иной траектории – и в той Вселенной я тоже есть. А я скорее готов принять дальнодействие, чем согласиться с тем, что одновременно существую в бесконечном числе Вселенных.

Или мне просто отказывает воображение? Может быть. Но единственная потенциальная ценность этой многомировой картинки – немного задобрить мое воображение; сама теория абсолютно непроверяема. Она не позволяет сделать каких бы то ни было предсказаний, отличающих ее от копенгагенской интерпретации. Тем не менее некоторые из ее сторонников, в первую очередь Шон Кэррол, говорят, что она самоочевидна. Ее приверженцы убеждены, что она просто отражает уравнения и избавляет от необходимости разбираться со смыслом измерения. Делая это, она вводит совершенно новую концепцию: то, что каждый из нас существует во множестве миров, но воспринимает только один. Не знаю, покажется ли вам такой вариант жутким. Мне лично кажется[219].

Вычисления с призраками

В прошлом, когда работали Фридман и Клаузер, область квантовых измерений физики в основном игнорировали. Но в последнее время эта сфера стала вызывать горячий интерес и получать финансирование не только от Национального фонда развития науки и Министерства энергетики, но и от Министерства обороны, ЦРУ и Агентства национальной безопасности. Причина – в фантастическом потенциале квантовых вычислений.

Суть квантовых вычислений в том, что можно хранить информацию и манипулировать ею в волновых функциях. Отказ от использования обычных бит с их жестким ограничением – нуль или единица – и переход к использованию вместо них кубитов, каждый из которых представляет собой квантовую амплитуду, дает громадные преимущества. Кубитом можно манипулировать, его можно использовать в расчетах. В каком-то смысле он содержит намного больше информации, чем обычный бит[220]. Рассмотрим, к примеру, квантовую волновую функцию в эксперименте Фридмана−Клаузера. Отношение двух амплитуд поляризации аналогично классическому углу поляризации, который может принимать любое значение от 0 до 90 градусов. Это намного больше информации, чем хранение простого бита – 0 или 1. Этот кубит – суперпозиция двух состояний, и информация кроется в их отношении. Загвоздка в том, что число это извлечь невозможно. Можно только получить вероятность того, что поляризация ориентирована в направлении верх-низ или право-лево.

Волновую функцию невозможно измерить, а можно только «взять ее пробу» (и вызвать тем самым ее коллапс), но это не означает, что с ее помощью невозможно проводить вычисления. Волновые функции испытывают на себе действие внешних сил и взаимодействий, поэтому ими можно манипулировать и ничего не измеряя. К примеру, хотя поляризацию можно измерить лишь с некоторой вероятностью, волновую функцию поляризации можно вращать со сколь угодной точностью. Фокус в квантовых вычислениях состоит в том, чтобы проводить все манипуляции с невидимой волновой функцией, хранимой в кубитах, и только потом, когда вычисление завершено, измерить. Полученный при этом конечный ответ, вполне возможно, удастся представить в виде всего нескольких кубитов, даже если само вычисление достаточно объемно.

Представьте, что у вас имеется очень большое число – пусть в нем будет, скажем, 2048 знаков, – и вы хотите разложить его на простые множители. (Разложение на простые множители [факторизация] – ключ к взлому некоторых весьма продвинутых систем шифрования [например, RSA[221]].) Вас не интересуют все те попытки разложения, которые не дают результата; все, что вам на самом деле нужно, это два числа, примерно по 1024 знака каждое, которые, собственно, и станут делителями вашего числа. Это надежда квантовых вычислений; именно по этой (отчасти) причине разведывательные агентства выделяют деньги на исследования и развитие. Квантовые вычисления потенциально помогают проводить невероятно сложные расчеты параллельно. Кроме того, их в принципе можно выполнять без выделения тепла. В обычном компьютере всякий раз при перекидывании бита с места на место выделяется некоторое минимальное количество теплоты[222]. Но при квантовых вычислениях ваша машина генерирует тепло только в момент финального измерения кубита.

Будут ли квантовые вычисления иметь успех? Я в этом смысле настроен пессимистично. Кое-какие простые расчеты (разложение 6 как 2 × 3, разложение 15 как 3 × 5) уже удалось провести, но организовать таким образом сложные вычисления намного труднее. Мало того, пессимистично настроен не только я; многие из тех, кто усердно трудится в этой области, в глубине души тоже настроены скептически. Тогда почему они этим занимаются? Думаю, причина в том, что их буквально завораживают вопросы квантовых измерений. Благодаря этому у них наконец появились деньги на исследования того, что происходит при манипулировании квантовыми системами и при их измерении. Уже появились чудесные новые постулаты, такие как теорема о невозможности передачи информации с помощью запутанных квантовых частиц; ее можно было доказать еще в 1940-е годы. И если их работа приведет к прорыву в наших представлениях о квантовом измерении, результатом всего этого может стать очередная революция в физике.

Глава 20