Глава 1. Магия запутанных состояний.

На пороге эры квантовых компьютеров.

Сейчас каждый из нас хотя бы в самых общих чертах представляет, что такое обычный компьютер. А что вы скажете насчет компьютера, информационный ресурс которого превышает число частиц во Вселенной (по оценкам специалистов, оно равно 1080), — компьютера, который по своей эффективности превосходил бы обычный ПК примерно во столько же раз, во сколько Вселенная превосходит один атом? Скажете, что это бред, что такое просто немыслимо? И будете неправы! Поскольку в настоящее время работа над такими компьютерами идет полным ходом. Их назвали квантовыми компьютерами. Для этого устройства нужно не так уж много рабочих ячеек памяти, обрабатывающих информацию*, — достаточно будет всего лишь нескольких сотен. Скажем, довольно 300 ячеек, чтобы информационный ресурс компьютера примерно на 10 порядков превысил число частиц во Вселенной (2300 = 1090)**. И весь этот гигантский массив информации будет согласованно изменяться за один рабочий такт. Столь поразительное различие между обычным и квантовым компьютерами объясняется тем, что эффективность последнего растет экспоненциально с увеличением числа его ячеек памяти.

* Для обычного компьютера это объем оперативной памяти.

** Каждая ячейка памяти может находиться в двух основных состояниях: 0 и 1 (один бит), общее число состояний для N ячеек равно 2N. Классический компьютер в каждый момент времени может реализовать лишь одну последовательность состояний из 0 и 1 для своих битов регистра памяти. Квантовый компьютер в один и тот же момент времени может реализовать все возможные варианты таких последовательностей.

…

Число различных состояний ячеек памяти у классического компьютера такое же, как у квантового. Так, классический компьютер с регистром из 300 бит может последовательно перебрать те же 2300 состояний, но в каждый момент времени он может находиться лишь в одном из них. В то время как квантовый компьютер способен находиться одновременно во всех этих состояниях (в их суперпозиции*). Если в классическом регистре изменяется один бит, то другие биты на это никак не реагируют — они не меняются. Когда же в квантовом компьютере изменяется один бит (он называется квантовым битом — кубитом), то вместе с ним согласованно меняются все остальные, и вся суперпозиция мгновенно перестраивается. За счет этого обеспечивается гигантское быстродействие, и по оценкам специалистов получается, что вычислительные ресурсы квантового компьютера будут экспоненциально велики по сравнению с классическим. Для наглядного подтверждения того, насколько значительно преимущество квантового компьютера, можно привести еще один пример. Представьте, что у вас есть квантовый компакт-диск, который, в отличие от обычного, содержит информацию в кубитах, а не в битах. В квантовом CD имеет место суперпозиционное состояние кубитов, которое содержит в себе сразу все возможные дискретные последовательности из 0 и 1. Квантовый CD — это своего рода универсальная матрица, с которой можно «отштамповать» любой классический CD с любой информацией и последовательностью битов. Единственное ограничение — это невозможность превысить объем исходного CD в битах. Таким образом, один квантовый CD содержит в себе одновременно все классические CD, которые были, есть или будут созданы, — с любой информацией, осмысленной или нет, с любой двоичной последовательностью из 0 и 1.

…

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.

 

Я полагаю, что С.И. Доронин чрезмерно эмоционально описывает квантовые процессы в природе, он увлекся образным восприятием информации в ущерб трезвой оценке той реальности, которая ему открылась. Это свойственно всем людям, которые начинают изучать тонкие миры. Я сам в свое время прошел через этот же период своего личного развития. Со временем мыслительная система обучается воспринимать непривычную информацию более трезво и взвешенно, но на первых порах образное поэтическое видение мироздания преобладает. Именно данным обстоятельством объясняется излишняя образность и эмоциональность, с которой автор "Квантовой магии" описывает квантовые процессы в мироздании. (Тимур).

 

…

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* 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.

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.

…

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).

Одна из ведущих компаний по производству квантово-криптографических систем «id Quantique»* в апреле 2005 года выпустила на рынок уже второе поколение таких устройств, которые помогают корпорациям и правительственным агентствам защищать их сети передачи данных, используя фундаментальные законы квантовой физики. Компания «id Quantique» — лидер в области детектирования единичных фотонов и связанных лазерных источников.

…

В квантово-криптографических системах основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, и их мгновенная нелокальная связь (квантовые корреляции) позволяет обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами не просто «сверхсветовая», а именно бесконечная, мгновенная, но в данном случае она используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи — при доступе к передаваемой информации «со стороны» когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается.

В разрабатываемых квантовых компьютерах запутанность также является основным рабочим ресурсом. В отличие от обычного компьютера, ячейки памяти которого могут принимать лишь два возможных значения (например, нуль и единица) и содержат классический бит информации, квантовый компьютер использует квантовые биты — кубиты (quantum bits, qubits). За счет суперпозиции состояний кубитов, наличия комплексных амплитуд и фазовых множителей возможности квантовых компьютеров существенно (экспоненциально) превышают возможности обычных. Запутанность между кубитами — это необходимое условие для работы квантового компьютера, это ключевой фактор, отвечающий за квантовый параллелизм и определяющий преимущество квантового компьютера над обычным.

Еще раз подчеркну, что квантовая запутанность — это не теоретическая абстракция, которую ввели физики-теоретики, а объективный факт окружающей реальности. Это то, что существует в природе независимо от наших представлений, собственно, поэтому она и может быть использована на практике.

…

В чем же заключаются удивительные особенности запутанных состояний? Почему они привлекают такое пристальное внимание исследователей? Суть в том, что они в прямом смысле являются запредельными, потусторонними, трансцендентными, как сказали бы философы, по отношению к материальному миру. Их свойства и возможности просто фантастические с точки зрения классической физики и наших привычных представлений о реальности. Поговорим об этом более подробно.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (или взаимодействовавших ранее, а затем разделенных), и представляет собой суперпозицию макроскопически различимых состояний. В таких системах флуктуации отдельных частей взаимосвязаны, но не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных, например, скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях (даже если они разделены в пространстве, вплоть до бесконечно больших расстояний). И это не просто теория. Как уже говорилось, «магические» свойства запутанных состояний подтверждены многочисленными физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы квантового компьютера, когда все кубиты благодаря квантовой запутанности могут согласованно и мгновенно изменять свое состояние, даже если мы изменим состояние одного кубита.

Таким образом, запутанность — это особый тип взаимосвязи между составными частями системы, у которой нет аналога в классической физике. Эта связь противоестественна, немыслима с точки зрения классических представлений о реальности и выглядит магической в прямом смысле этого слова.

Квантовая запутанность — состояние неразрывной целостности, единства. Обычно дают такое определение: запутанное состояние — это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым). Запутанность и несепарабельность — тождественные понятия.

Когда квантовая теория обогатилась пониманием того, что квантовая запутанность — это обычная физическая величина, и с ней можно работать, как с другими физическими величинами, такими как энергия, масса и т. д., то возникла необходимость в ее количественном описании. Запутанные состояния нужно было охарактеризовать по величине (степени) запутанности. Одним из первых такую количественную характеристику, то есть меру запутанности, ввел в 1996 году Чарльз Беннетт (с соавторами).

…

Любой объект, который взаимодействует со своим окружением, находится с ним в запутанном состоянии. Особо подчеркну: речь идет о любых объектах, в том числе макроскопических. Например, взаимодействуя с окружением, мы связаны с ним нелокальными квантовыми корреляциями. Может возникнуть вопрос: почему же тогда мы не чувствуем эти корреляции, почему не ощущаем нашу квантовую запутанность? Но дело в том, что мы прекрасно ее ощущаем, только не выделяем своим вниманием. Более того, у нас есть возможность сознательно и целенаправленно изменять меру запутанности. А это уже настоящая магия, и в дальнейшем нам предстоит поговорить об этом подробнее. Пока лишь отмечу, что существует большое количество самых различных типов взаимодействий макросистем с окружением, много каналов квантовой запутанности с различной мерой несепарабельности. По одним степеням свободы мы, например, локальны (наши тела разделены в пространстве), а по другим (в частности, можно говорить о наших чувствах или мыслях) — нелокальны, несепарабельны.

…

Но запутанность — это не просто наложение различных состояний друг на друга и такое их переплетение, когда нет возможности «найти концы» и отделить одно от другого. Прежде всего, это наличие «потусторонней» связи между подсистемами, которая необъяснима с точки зрения известных физических полей и взаимодействий. Квантовые корреляции — это не просто взаимодействия, а скорее «телепатия», когда один объект непосредственно «ощущает» свое единство с другими телами, когда все внешние изменения мгновенно отзываются в нем самом, и, наоборот, изменения в объекте тут же сказываются на окружении. Здесь вся «игра» идет в пределах того, что принадлежит отдельным подсистемам в равной мере, в той составляющей, которая является общей для них, и эта общая часть изменяется как одно целое одновременно в различных объектах. Мера этого единства и степени взаимопроникновения одного тела в другое может быть разная, и она как раз характеризуется мерой квантовой запутанности. На первый взгляд, отдельные предметы, окружающие нас, могут выглядеть полностью самостоятельными и независимыми друг от друга. Но если они когда-то взаимодействовали (не только при прямом контакте, но и посредством физических полей), то мера квантовой запутанности между ними уже не будет равна нулю, и, пусть в самой незначительной своей части, эти объекты будут связаны квантовыми корреляциями.

…

Кто-то из читателей может возразить, что все рассуждения о квантовой запутанности относятся исключительно к микрочастицам, и их нельзя распространять на макрообъекты, что все это не имеет отношения к окружающей нас реальности и никак в ней не проявляется. Однако сразу обращает на себя внимание тот факт, что удивительные свойства квантовой запутанности по своим проявлениям очень хорошо перекликаются с теми «сверхъестественными» возможностями человека, которые развивают в себе и широко практикуют представители различных эзотерических школ. В свете квантовой запутанности и процессов декогеренции/рекогеренции уже по-иному воспринимаются многочисленные свидетельства различных чудес и невероятных событий, о которых упоминается в мистической и религиозной литературе.

…

Может возникнуть вопрос: а как же законы сохранения массы, энергии и т. д., которые все мы изучали в школе? Как известно, законы сохранения справедливы для замкнутых систем. А в квантовой теории замкнутая система — это чистая квантовая информация. Поэтому все, о чем мы говорим, сводится к сохранению такой первичной информации. По сути дела, все, чем занимается физика квантовой информации, — это изучение законов, по которым квантовая информация проявляется в локальных дискретных формах тварного мира (декогеренция), и обратного процесса растворения локальных форм, их перехода в нелокальное суперпозиционное состояние (рекогеренция). Квантовая теория, по сравнению с классической физикой, рассматривает более широкий круг явлений и процессов в окружающей реальности на самом фундаментальном уровне. Материальный мир с его законами сохранения — лишь небольшая часть совокупной Квантовой Реальности, и, соответственно, сфера применения законов сохранения материи, с точки зрения квантовой теории, ограничена классической реальностью.

Декогеренция

С понятием запутанного состояния неразрывно связано понятие декогеренции.

Декогеренция — процесс, при котором нарушается когерентность суперпозиционного состояния в результате взаимодействия системы с окружающей средой.

При этом уменьшается квантовая запутанность — распадается полное единство, и исчезает гармония, которая существовала в максимально запутанном состоянии. В результате подсистемы начинают обосабливаться, отделяться друг от друга, вплоть до полной независимости (сепарабельности). При этом происходит их локализация — у каждой подсистемы появляются отдельная, видимая форма и «плотное тело».

Особо подчеркну, что декогеренция — объективный физический процесс, а не просто теория. Именно он создает много сложностей при разработке квантового компьютера, поскольку нарушает когерентную согласованную работу кубитов, лишает устройство его «магических», сверхъестественных способностей. Вследствие декогеренции, вместо внутренней запутанности между кубитами, которой компьютер может управлять и которая полностью ему подвластна, возникает запутанность с окружением. Работать с ней квантовый компьютер не в состоянии.

…

Примером двухсоставной замкнутой системы являются человек и окружающая его Вселенная. Такая система уже не является смесью и пребывает в суперпозиционном состоянии, то есть каждый из нас находится в запутанном состоянии со всем окружающим миром. В этом состоянии, наряду с классическими корреляциями (ответственными за формирование предметного мира), существуют квантовые корреляции (ответственные за «чудеса» в предметном мире), и возникает принципиальная, теоретически обоснованная возможность дистиллировать запутанность с помощью упомянутого выше процесса очищения (рекогеренции).

…

Возникает также вопрос: почему же люди (по крайней мере, довольно значительная их часть), предпочитают видеть только классические корреляции и не пользуются «сверхъестественными» возможностями запутанных состояний? Ответить на этот вопрос несложно.

Во-первых, классические взаимодействия проще наблюдать — они самые сильные и «заглушают» квантовые корреляции. Они соответствуют информации, «записываемой» в нашем физическом теле, и сознание человека автоматически, с самого детства, начинает анализировать, прежде всего, эту «информацию тела». Мы сильнее реагируем на боль, голод и другие физиологические потребности организма, чем, скажем, на тонкие энергетические процессы, сопровождающие эмоциональный контакт с окружающими людьми.

Во-вторых, очищение запутанности — сложный процесс, требующий определенных навыков. Лишь немногие получают эту способность при случайной или целенаправленной инициации*, для большинства же из нас овладение этим процессом в полном объеме связано со значительными усилиями (хотя начальные навыки даются довольно легко практически каждому).

* От лат. initio — начинать, вводить (в курс дела), допускать (к чему-либо), посвящать (в тайну). Здесь: быстрое приобретение указанных навыков в результате стороннего воздействия. Классический пример — инициация Иисусом своих учеников. «И призвав двенадцать учеников Своих, Он дал им власть над нечистыми духами, чтобы изгонять их и врачевать всякую болезнь и всякую немощь». [Мф 10, 1]. Инициация адептов (часто многоуровневая) используется практически во всех эзотерических школах.

Измененные состояния сознания нужны для того, чтобы выделить эти суперпозиционные состояния среди «шума» других более сильных взаимодействий, которые их заглушают. В случае успеха у сознания появляется возможность напрямую управлять корреляциями на тонких уровнях реальности — в этом и есть суть магии. Задача не простая — по уровню сложности она сопоставима с сооружением сложных физических установок, которые сейчас используются для экспериментального изучения нелокальных квантовых корреляций, то есть для выделения отдельных взаимодействий и целенаправленного манипулирования квантовой запутанностью. У макросистем существует большое число самых различных взаимодействий с окружением, много каналов декогеренции и квантовой запутанности. Сложные экспериментальные установки для того и нужны, чтобы суметь выделить и отследить отдельные каналы этих взаимодействий, причем нужно не просто управлять каким-то отдельным каналом, но и суметь теоретически описать выделенные взаимодействия и квантовые корреляции, которые являются их следствием.

…

В физических экспериментах можно изучать различные типы взаимодействий непосредственно в аспекте декогеренции. Это, например, делалось в экспериментах А. Цайлингера [Nature 427, 711–714 (2004)], где исследовался процесс декогеренции по одному из каналов взаимодействия с окружением — за счет теплового излучения. Еще раз подчеркну, что эти процессы фундаментальные, и характерны они не только для микрочастиц, как иногда ошибочно считают, а для любых объектов, в том числе и для макроскопических тел. В подтверждение приведу цитату из этой статьи: «Декогеренция тепловым излучением — общий механизм, который относится ко всем макроскопическим телам» (Выделено мной. — С. Д.).

По большому счету, все взаимодействия являются «эффектом декогеренции». Более того, согласно теории декогеренции, весь классический мир — это «эффект декогеренции». Данный момент подчеркивается, например, в самом названии книги по теории декогеренции: E. Joos, H. D. Zeh, C. Kiefer, D. Giulini, J. Kupsch, and I. O. Stamatescu «Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory» (Springer, Heidelberg, 2003). Ссылка на эту работу идет первой в списке литературы статьи в Nature, о которой упоминалось выше. Это серьезный источник, и авторы — известные ученые.

…

Процессы декогеренции, наличие квантовой запутанности, возможность целенаправленно ее изменять — все это факты, которые сегодня нельзя игнорировать. Все это уже работает в технических устройствах.

Таким образом, во многом благодаря практическим нуждам, важнейшие фундаментальные физические процессы, происходящие в реальности, которые наука раньше не рассматривала, вошли в сферу внимания научного сообщества и стали объектом тщательного (как теоретического, так и экспериментального) исследования. Пришло понимание того, что мера квантовой запутанности системы, ее динамика и физические процессы, ведущие к усилению или уменьшению квантовой запутанности, — это основополагающие характеристики системы. А фундаментальность новых (для науки) физических процессов обусловлена тем, что они являются неотъемлемым свойством любого элемента реальности.

Ориентируясь на потребности общества в новых перспективных технологиях, наука была вынуждена сделать психологически трудный для нее шаг. Ей пришлось перейти от привычной полуклассической копенгагенской интерпретации квантовой механики, подразумевающей обязательное наличие классического наблюдателя (измерительного прибора), к чисто квантовому подходу, в котором уже не осталось места классическому «пережитку». И это был поистине революционный шаг.

…

Таким образом, от теоретических основ квантового компьютера мы постепенно подошли к фундаментальным вопросам естествознания, к тем существенным изменениям в научной картине мира, которые следуют из последних достижений современной теоретической физики.