Идеи Фейнмана были интересны, но в те годы они не вызвали особого резонанса в научной среде. Ситуация коренным образом изменилась в 1994 году, когда Питер Шор[5] показал, что квантовый алгоритм способен свести задачу факторизации (разложения целого числа на простые множители) к полиномиальному классу сложности, в то время как обычный алгоритм экспоненциально зависит от входных данных.
Например, обычному компьютеру, выполняющему 10
10
17
Результат, полученный П. Шором, с практической точки зрения означает, что квантовый компьютер способен за реальное время «взломать» шифры, используемые, например, в банковской сфере. Там как раз широко применяется криптосистема, основанная на невозможности разложения достаточно большого числа на простые множители за приемлемое для обычных компьютеров время. Осознав ситуацию и на наглядном примере убедившись в возможностях квантового компьютера, финансовый мир, частные фирмы и государственные учреждения многих стран мира направили огромные средства на научные исследования в области квантовых вычислений. В эту же сферу устремились и многие научные коллективы, срочно переориентировав свою тематику. Квантовым вычислениям стало посвящаться наибольшее количество научных публикаций по сравнению с другими разделами физики. В отдельные годы число напечатанных в реферируемых журналах статей на эту тему превышало количество публикаций на все другие темы из области физики вместе взятые. Все это способствовало тому, что достаточно быстро были созданы реальные прототипы квантового компьютера, а теоретические основы, необходимые для его создания, получили очень мощный импульс к развитию. Прежде всего это касается теории запутанных состояний, теории декогеренции и квантовой теории информации.
Мы не будем касаться вычислительных возможностей квантовых компьютеров. А вывод Фейнмана относительного того, что квантовые компьютеры способны моделировать реальные процессы на фундаментальном уровне, обсудим подробно, но подойдем к этому вопросу с несколько другой стороны.
Дело в том, что в процессе работы над квантовым компьютером ученым пришлось глубоко вникнуть в эти фундаментальные законы. И это вполне естественно – практическая работа квантово-когерентных устройств на фундаментальном уровне реальности предполагает более глубокое понимание законов этого уровня. Фейнман говорил об этом так: «Если предположить, что мы знаем все физические законы в совершенстве, то, конечно, нам не надо уделять никакого внимания компьютерам. И все же, если задуматься, нам есть что узнать о физических законах, и, если уж быть совсем откровенным, я признаю, что мы многого не понимаем». И действительно, при работе над квантовым компьютером удалось узнать очень много нового о фундаментальных законах, о процессах, с которыми раньше физика никогда не имела дела – таких как декогеренция и рекогеренция, о которых мы еще будем говорить подробно. В результате в науке возникли новые прикладные направления: теория запутанных состояний, теория декогеренции, квантовая теория информации и другие современные разделы квантовой теории, которые часто объединяют под общим названием «физика квантовой информации».
Сейчас довольно часто можно услышать и о других теориях, претендующих на фундаментальность, например, о теории струн, М-теории и т. д. Следует отметить, что эти теории не имеют отношения к реальным физическим процессам в окружающем нас мире. Они никогда не были привязаны к физическим экспериментам и их объяснению. Скорее это красивые математические трюки, игры ума, далекие от реальности математические абстракции. В отличие от них, теория запутанных состояний и теория декогеренции развивались непосредственно в результате практической работы в физических лабораториях как теоретические модели, позволяющие описывать эксперименты. Адекватность этих моделей реальным физическим процессам проверяется в технических устройствах, которые разрабатываются на основе этих теорий. Думаю, понятно, что если бы модели были неадекватные, то и приборы бы не работали.
Вы спросите, а при чем здесь магия и «сверхъестественное»? Все очень просто. Те состояния и физические процессы, которыми вплотную пришлось заняться при работе над квантовыми компьютерами, не имеют классического аналога. Это нелокальные состояния, и процесс их «проявления» (декогеренция) в виде локальных элементов реальности, по сути – «материализация» объекта «из ничего». А обратный процесс «растворения» локальных объектов и их перехода в нелокальное состояние (рекогеренция) похож на то, что некоторые фантасты называют переходом в гиперпространство, «нуль-проколом» и т. п. Внешне это будет выглядеть как исчезновение объекта из нашей физической реальности – наподобие того, как, по свидетельствам очевидцев, иногда «растворяются» НЛО.
С точки зрения классической физики, эти процессы в прямом значении слова «сверхъестественные». И я полагаю, что они напрямую связаны с магией, понимаемой в самом широком смысле как любые «чудеса» с точки зрения классической физики и наших привычных представлений о физической реальности.
Классическая физика описывает «проявленную» реальность. Квантовая теория обосновывает существование более глубокой и фундаментальной реальности, «непроявленной», нелокальной. Квантовая теория вплотную подошла к количественному описанию нематериальных объектов и нелокальных корреляций, я бы сказал – к описанию Духа, или к чисто-квантовой информации, и физика квантовой информации изучает законы ее «проявления» в виде локальных элементов реальности, своего рода манифестацию Духа.
Сейчас квантовой теории осталось сделать совсем небольшой шаг, причем даже не теоретический, а чисто психологический: немного изменить терминологию и более доступным языком рассказать о достигнутых результатах. В том числе о двойственной природе всех окружающих объектов – нелокальной (духовной, нетварной) и плотной (материальной, тварной). О том, что в основе классического мира лежит нелокальный квантовый источник реальности, который находится вне пространства и времени, который нематериален.
К теории запутанных состояний в какой-то мере близка голографическая теория, которая не является теорией в прямом смысле слова, так как не содержит количественного описания нелокальности, «голографичности». Это рассуждения (если утрировать) на уровне аквариума с рыбкой (известный пример Д. Бома), некие общие размышления о роли нелокальных корреляций и попытка наглядно себе представить, как они действуют. Отправной точкой рассуждений Д. Бома[6] как раз и были запутанные состояния ЭПР-пары (Эйнштейна-Подольского-Розена), когда «сцепленные» частицы ведут себя строго взаимосогласованно, так что изменение состояния одной из них приводит к мгновенному изменению другой, сколь далеко бы она ни находилась от первой. Размышляя над этой загадкой, противоречащей не только здравому смыслу, но и эйнштейновской теории относительности, налагающей жесткие ограничения на скорость распространения взаимодействий, Бом пришел к выводу, что элементарные частицы взаимодействуют на любом расстоянии не потому, что они обмениваются таинственными сигналами между собой, а потому, что их «разделенность» есть иллюзия. Иными словами, на каком-то более глубоком уровне реальности запутанные частицы – это вовсе не отдельные объекты, а продолжения чего-то более фундаментального и цельного.
Представим себе, говорит Бом, аквариум с рыбкой. Допустим, по какой-то причине мы не можем разглядывать эту систему непосредственно, а имеем лишь возможность смотреть в два телеэкрана на аквариум, снимаемый спереди и сбоку. Глядя на экраны, легко заключить, что две плавающие там рыбки – это отдельные объекты. Но, присмотревшись, можно выяснить, что между двумя рыбками на двух экранах существует какая-то отчетливая взаимосвязь. Если одна рыбка меняет положение, то одновременно приходит в движение и другая. Причем всегда оказывается, что если одну видно «анфас», то другую – непременно «в профиль». И не зная, что снимается один и тот же аквариум, внимательный наблюдатель скорее заключит, что рыбки неведомым образом мгновенно сообщаются друг с другом, нежели припишет это случайности.
Но это были всего лишь общие рассуждения. На основе такой «теории» не построишь технические устройства, работающие на нелокальных корреляциях. Голографическую парадигму можно рассматривать как один из вариантов иллюстрации теории запутанных состояний «на пальцах», но и эта иллюстрация будет неполной, поскольку в ней все равно остается много привычных представлений.
Помимо теории запутанных состояний, в настоящее время нет ни одной концепции или альтернативной теории (типа торсионной), в которой была бы введена количественная мера[7] квантовой нелокальности. К тому же теория запутанных состояний входит в стандартную, общепринятую интерпретацию квантовой механики и не является альтернативной типа «многомировой» интерпретации Эверетта.
Когда речь заходит о «сверхъестественном», то в этой связи иногда упоминают теорию торсионного поля Акимова-Шипова. Она тоже появилась как результат математических изысканий и никогда не была привязана к реальным физическим процессам. Многие понятия из теории торсионного поля могут быть выражены в терминах теории запутанных состояний. Например, то, что в теории Акимова-Шипова называется «первичным торсионным полем», в квантовой теории именуется «чистым запутанным состоянием», что, в отличие от первого термина, является общепринятым в научной среде, поэтому не вызывает лишних вопросов у оппонентов. Как и у первичного торсионного поля, в чистом запутанном состоянии составляющие подсистемы не взаимодействуют между собой в привычном понимании. Между ними есть только квантовые нелокальные корреляции, когда в каждой части системы (подсистеме) содержится информация об остальных, и все они ведут себя согласованно: изменение одной мгновенно сказывается на других.
По моему мнению, торсионную теорию можно рассматривать как своеобразную интерпретацию отдельных положений теории запутанных состояний. В любом случае теории торсионного поля явно недостаточно для того, чтобы управлять нелокальными квантовыми корреляциями в системе (торсионными полями). В ней не формализовано описание динамических процессов перехода между классическими и квантовыми корреляциями, нет количественных характеристик для оценки квантовой запутанности в системе (степени близости к первичному торсионному полю) и т. д. В этом отношении у современной квантовой теории есть ряд очевидных преимуществ – она объясняет физическую природу нелокальных взаимодействий, имеет развитый теоретический аппарат для количественного описания нелокальных явлений, в том числе и информационных процессов в терминах квантовой информации.
Можно еще упомянуть о «теории эфира» и ее современных модификациях. Все рассуждения об эфире как о некой «пустоте», состоящей из «электрически нейтральной материи», на мой взгляд, являются упрощенными представлениями о нелокальных состояниях. Если представления квантовой теории о когерентных суперпозиционных состояниях попытаться выразить языком классической физики, то получатся фразы типа «тончайшая субстанция, без трения проникающая в физические тела». В некоторых современных концепциях теории эфира предполагается, что, воздействуя на него, можно добиться различной его концентрации. Управление эфиром, как я полагаю, это то же самое, что управление мерой квантовой запутанности (процессами декогеренции/рекогеренции). Более того, квантовая теория открывает возможность воздействовать на «абсолютную пустоту» в прямом смысле этого слова. На пустоту, в которой нет ни материи, ни вещества, ни поля – ничего с точки зрения классической физики.
Теории эфира, по моему мнению, не смогут ничего объяснить, если не сумеют выйти за рамки классического описания и не введут в рассмотрение суперпозиционные состояния. В лучшем случае они будут давать классическое приближение квантового описания реальности. Все теории эфира – это попытка описать в терминах классической физики отдельные стороны и особенности когерентных суперпозиционных состояний. Какие-то частные моменты в них схвачены, но до цельной, логичной картины реальности, которую дает квантовая теория, им очень далеко.
Подобная ситуация сложилась и с понятием физического вакуума, о котором в современных научных публикациях тоже все чаще говорят в терминах нелокальных суперпозиционных состояний.
1.2. Запутанные состояния
Одним из самых дерзких вызовов, который бросила квантовая физика своей классической предшественнице, является утверждение о наличии в окружающей нас реальности особого типа состояний с удивительными, прямо-таки «сверхъестественными» свойствами и возможностями. Квантовая теория говорит о том, что в природе существует широкий класс состояний, которые не имеют никакого классического аналога, поэтому они никак не могут быть поняты и описаны в рамках классической физики. Это «магические» состояния, которые выходят за все мыслимые рамки с точки зрения наших привычных представлений о реальности. Они получили название запутанных состояний (entangled states). Учет этих состояний, осознание того факта, что они являются неотъемлемой частью реальности, – все это способно коренным образом изменить наше привычное миропонимание и вывести его на качественно новый уровень. Окружающий мир в свете этого нового физического факта оказывается намного богаче того, что преподносит нам классическая физика. В нем происходят объективные процессы, которые и «не снились» в рамках старых представлений, они выходят за пределы даже самой буйной фантазии, встречающейся в фантастических романах.
И это не просто теоретический вывод – эти «фантастические» возможности квантовая теория научилась использовать на практике в технических устройствах. Некоторые из них уже вышли из физических лабораторий и находятся на стадии коммерческого производства, например, квантово-криптографические устройства[8].
В частности, фирма «MagiQ» (http://www.magiqtech.com/) реализует квантово-криптографические системы, которые обеспечивают основанную на квантовой запутанности абсолютную защиту связи от подслушивания. Символично название этой фирмы – «MagiQ» образовано от слов «Magic» (магия) и первой буквы выражения «Quantum information processing» (обработка квантовой информации). Существуют уже небольшие сети из этих устройств. Так, полностью функциональная 12-мильная квантово-криптографическая сеть из 10 узлов была развернута в Бостоне в июне 2004 года совместными усилиями Бостонского университета, Гарварда и некоторых коммерческих компаний. В Вене установлена квантово-криптографическая система, связывающая Венский муниципалитет и штаб-квартиру Австрийского банка (на расстоянии 1,45 км).