Структура реальности. Наука параллельных вселенных

Еще один показатель неявного присутствия квантовой физики в классический вычислениях – то, что все варианты практической реализации компьютеров типа Тьюринга зависят от таких вещей, как твердое вещество или намагниченные материалы, которые не могли бы существовать в отсутствие квантово-механических эффектов. Например, любое твердое тело состоит из совокупности атомов, которые, в свою очередь, состоят из электрически заряженных частиц (электронов, а также протонов в ядре). Но из-за классического хаоса ни одна совокупность заряженных частиц не могла бы оставаться устойчивой при классических законах движения. Положительно и отрицательно заряженные частицы просто сорвались бы со своих мест и столкнулись друг с другом, и вся конструкция разрушилась бы. Только сильная квантовая интерференция между различными траекториями движения заряженных частиц в параллельных вселенных предотвращает такие катастрофы и делает возможным существование твердого вещества.

Создание универсального квантового компьютера выходит далеко за рамки современной технологии. Как я уже сказал, чтобы обнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответствующее взаимодействие всех переменных, которые различались во вселенных, вносящих вклад в интерференцию. Чем больше взаимодействующих частиц участвует, тем сложнее организовать взаимодействие, которое продемонстрировало бы интерференцию, то есть результат вычисления. Среди множества технических сложностей работы на уровне одного атома или электрона одна из важнейших состоит в ограждении среды от воздействия различных интерферирующих субвычислений. Дело в том, что если группа атомов участвует в явлении интерференции и эти атомы по-разному воздействуют на другие атомы окружающей среды, то интерференцию уже невозможно обнаружить по измерениям только исходной группы, и эта группа уже не выполняет какого бы то ни было полезного квантового вычисления. Это называется декогеренцией. Следует добавить, что эту проблему часто представляют в ложном свете: нам говорят, что квантовая интерференция – очень чувствительный процесс, и его следует ограждать от любых внешних воздействий. Но это не так. Внешние воздействия способны вызвать небольшие погрешности, но именно воздействие квантового вычисления на внешний мир вызывает декогеренцию.

Таким образом, ставка делается на создание субмикроскопических систем, в которых несущие информацию переменные взаимодействуют друг с другом, но как можно меньше влияют на свою среду. Еще одно новое упрощение, уникальное для квантовой теории вычисления, частично компенсирует сложности, вызываемые декогеренцией. Оказывается, что, в отличие от классического вычисления, где необходимо конструировать особые классические логические элементы, такие как И, ИЛИ и НЕ, в квантовом случае конкретная форма взаимодействий вряд ли имеет значение. В сущности, почти любую систему взаимодействующих битов атомного масштаба, если она не декогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовых вычислений.

Известны интерференционные явления, включающие огромное число частиц, например, сверхпроводимость или сверхтекучесть, но кажется, что ни одно из них невозможно использовать для выполнения каких-либо интересных вычислений. Во время написания этой книги в лаборатории можно было легко выполнить только однобитовые квантовые вычисления. Однако экспериментаторы уверены, что в течение нескольких последующих лет будут созданы двух– и более битовые квантовые логические элементы (квантовые эквиваленты классических логических элементов). Это основные составляющие квантовых компьютеров. Некоторые физики, особенно Рольф Ландауэр[41] из IBM Research, настроены пессимистично относительно перспектив дальнейшего продвижения после этого. Они полагают, что декогеренция никогда не будет сведена до того уровня, при котором можно выполнить более нескольких последовательных шагов квантового вычисления. Большинство исследователей в этой области настроены гораздо оптимистичнее (хотя, возможно, это связано с тем, что над квантовыми вычислениями решаются работать только очень большие оптимисты!). Уже были построены некоторые специализированные квантовые компьютеры (речь о них пойдет дальше), и лично я думаю, что появление более сложных квантовых компьютеров – скорее дело нескольких лет, чем десятилетий. Что касается универсального квантового компьютера, то я считаю, что его создание – это тоже лишь дело времени, хотя мне не хотелось бы предсказывать, сколько времени это займет: десятилетия или века.