Квант. Путеводитель для запутавшихся

Примером такой молекулы служит молекула хлороформа, состоящая из пяти атомов (один углерод, три хлора и один водород). Вместо того чтобы использовать обычный изотоп углерода, углерод-12, ядро которого обладает нулевым совокупным спином, мы используем редкий изотоп углерод-13. Его ядро обладает спином из-за содержащегося в нем лишнего нейтрона. Это ядро, как и протон (ядро атома водорода), может обладать двумя различными направлениями спина (они характеризуются полуцелым спином, поэтому их спин может быть ориентирован «вверх» или «вниз»). Воздействуя на протон радиочастотным импульсом, мы вводим его в суперпозицию вращения в обе стороны одновременно. Непосредственная близость двух ядер и их химическая связь внутри молекулы обеспечивают запутанность их состояний, в результате чего суперпозиция спина протона переходит на ядро углерода[79].

Первоклассный семикубитный квантовый компьютер, созданный в 2001 году учеными из Стэнфордского университета и Альмаденского исследовательского центра IBM в Калифорнии. Этой молекуле, известной как перфторбутадиенил-железо-комплекс и используемой в ЯМР-системе, первой удалось успешно применить алгоритм Шора для факторизации числа, пускай им и было всего лишь число 15!

Наконец, я кратко упомяну еще одну из нескольких других сегодняшних идей создания квантового компьютера. Эта идея, до сих пор находящаяся в зачаточном состоянии, основывается на двух применениях квантовой механики, которые я подробно описывал в прошлой главе: лазере и микрочипе. Облако атомов, при помощи лазера охлажденных до одной тысячной градуса над абсолютным нулем, можно заставить проплыть над полупроводниковым чипом посредством магнитных полей, генерируемых крошечными электрическими токами, текущими по интегральным микросхемам чипа. Высоту и скорость движения атомов можно контролировать при их направлении по границам магнитного поля. Таким образом можно точно контролировать запутанность квантовых состояний этих атомов.

Препятствием для создания любого типа квантового компьютера в настоящее время является вопрос изоляции деликатных суперпозиций от окружающей среды. Чем больше кубитов оказываются в запутанном состоянии, тем быстрее происходит декогеренция. Однако прогресс сегодня наблюдается на всех фронтах. Например, в процессоре с ионной ловушкой способ взаимодействия ионов с окружающей средой можно контролировать при условии осмотрительного выбора условий окружающей среды.

Квантовый мозг

Осталась лишь одна интерпретация квантовой механики, которую мы пока не обсудили. Она заслуживает упоминания по двум причинам. Во-первых, ее автором выступил один из самых уважаемых специалистов в сфере математической физики своего поколения – Роджер Пенроуз. Во-вторых, она может объяснить единственную область науки, которая представляется еще более загадочной, чем квантовая механика: происхождение сознания.

Согласно Пенроузу, коллапс суперпозиций различных квантовых состояний происходит не из-за проведения измерения, не из-за присутствия сознательного наблюдателя и даже не из-за взаимодействия с окружающей средой. Пенроуз полагает, что коллапс происходит даже в изолированной системе посредством физического процесса, связанного с самой природой пространства-времени. Согласно Пенроузу, «объективная редукция», или коллапс, волновой функции объясняется различной пространственно-временной геометрией каждого состояния суперпозиции. (Следовательно, если частица находится в суперпозиции пребывания в двух местах одновременно, пространство-время будет по-разному искривляться в зависимости от того, где более вероятно обнаружение массы этой частицы.) Как только разница геометрий доходит до критического уровня, как происходит, когда частица оказывается запутанной с окружающей средой, суперпозиция становится нестабильной и схлопывается до одного из возможных состояний. Само собой, ни Пенроуз, ни кто-либо еще не знает всех тонкостей этого механизма, поскольку у нас еще нет полной теории квантовой гравитации.

Пенроуз и Стюарт Хамерофф применили эту интерпретацию, чтобы объяснить, как может переключаться сознание в пределах мозга. Мне следует сперва пояснить, что они обращаются к квантовой механике, поскольку считают, что способ нашего «мышления» фундаментально отличается от метода обработки алгоритмов компьютером. Эта невычислимость сознательной мысли, по их мнению, должна требовать чего-то выходящего за пределы классической физики, а именно квантовой физики. Пенроуз и Хамерофф считают, что нашли верный биологический сосуд для защиты деликатной квантовой когерентности от воздействия окружающей среды внутри мозга.