Глава 9. Квантовые компьютеры. - Структура Реальности - Дэвид Дойч

Для любого, кто не знаком с этим предметом, квантовое вы­числение звучит как название новой технологии, возможно, самой последней в знаменитом ряду, включающем механическое вычисле­ние, транзисторно-электронное вычисление, вычисление на кремние­вых кристаллах и т. д. Но истина в том, что даже существующие компьютерные технологии зависят от микроскопических квантово-механических процессов. (Конечно, все физические процессы являют­ся квантово-механическими, но здесь я имею в виду только те, для которых классическая — т. е. неквантовая — физика дает очень не­точные предсказания). Если существует тенденция к получению даже более быстрых компьютеров с более компактным аппаратным обеспе­чением, технология должна стать в этом смысле даже более «квантовомеханической» просто потому, что квантово-механические эффекты до­минируют во всех достаточно маленьких системах. Но если бы дело было только в этом, квантовое вычисление вряд ли смогло бы фигури­ровать в любом фундаментальном объяснении структуры реальности, Поскольку в нем не было бы ничего фундаментально нового. Все совре­менные компьютеры, какие бы квантово-механические процессы они не использовали, - всего лишь различные технологические исполне­ния одной и той же классической идеи универсальной машины Тью­ринга. Именно поэтому все существующие компьютеры имеют в сущ­ности один и тот же репертуар вычислений: отличие состоит только в скорости, емкости памяти и устройствах ввода-вывода. Это все рав­но, что сказать, что даже самый непритязательный современный до­машний компьютер можно запрограммировать для решения любой задачи или передачи любой среды, которую могут передать наши самые Мощные компьютеры, при условии установки на него дополнительной памяти, достаточно долгом времени обработки и наличии аппаратного Обеспечения, подходящего для демонстрации результатов работы.

Квантовое вычисление — это нечто большее, чем просто более быстрая и миниатюрная технология реализации машин Тьюринга. Квантовый компьютер — это машина, использующая уникаль­ные квантово-механические эффекты, в особенности, интерференцию. для выполнения совершенно новых видов вычислений, которые, даже в принципе, невозможно выполнить ни на одной машине Тьюринга, а следовательно, ни на каком классическом компьютере. Таким обра­зом, квантовое вычисление — это ни что иное, как принципиально но­вый способ использования природы.

Позвольте мне конкретизировать это заявление. Самыми первыми изобретениями для использования природы были инструменты, управ­ляемые силой человеческих мускулов. Они вывели наших предков на новый этап развития, но страдали от ограничения, которое заключалось в том, что они требовали постоянного внимания и усилий человека во время их использования. Дальнейшее развитие технологии позволило преодолеть это ограничение: люди сумели приручить некоторых жи­вотных и растения, изменив биологическую адаптацию этих организ­мов, приблизив их к человеку. Таким образом, урожай рос, а стороже­вые собаки охраняли дом, пока их владельцы спали. Еще один новый вид технологии появился, когда люди начали не просто использовать существующие адаптации (и существующие небиологические явления, например, огонь), а создали совершенно новые для мира адаптации в ви­де кирпичей, колес, гончарных и металлических изделий и машин. Что­бы сделать это, они должны были поразмыслить и понять законы приро­ды, управляющие вселенной, включая, как я уже объяснил, не только ее поверхностные аспекты, но и лежащую в основе структуру реальности. Последовали тысячи лет развития этого вида техники — использование некоторых материалов, сил и энергий физики. В двадцатом веке, когда изобретение компьютеров позволило осуществить обработку сложной информации вне человеческого мозга, к этому списку добавилась инфор­мация. Квантовое вычисление, которое сейчас находится в зачаточном состоянии, — качественно новый этап этого движения. Это будет пер­вая технология, которая позволит выполнять полезные задачи при учас­тии параллельных вселенных. Квантовый компьютер сможет распреде­лить составляющие сложной задачи между множеством параллельных вселенных, а затем поделиться результатами.

Я уже говорил о важности универсальности вычислений — о том, что один физически возможный компьютер может, при наличии до­статочного времени и памяти, выполнить любое вычисление, которое может выполнить любой другой физически возможный компьютер. За­коны физики, как мы понимаем их сейчас, допускают универсальность вычисления. Однако, настоящего определения универсальности недо­статочно, чтобы считать ее полезной или важной в общей схеме все­го. Она просто означает, что, в конечном итоге, универсальный ком­пьютер сможет делать то, что может делать любой другой компьютер. Другими словами, он универсален при наличии достаточного времени. А что делать, если времени недостаточно? Представьте универсальный компьютер, который мог бы выполнить только одно вычислительное действие за всю жизнь вселенной. Его универсальность по-прежнему оставалась бы глубоким свойством реальности? Вероятно, нет. Говоря в общем, можно критиковать это узкое понятие универсальности, пото­му что оно относит любую задачу к разряду находящихся в репертуаре компьютера, не принимая во внимание физические ресурсы, которые придется израсходовать компьютеру на выполнение этой задачи. Так, например, мы рассмотрели пользователя виртуальной реальности, ко­торый готов отправиться в виртуальную реальность с остановкой мозга на миллиарды лет и повторным его запуском: в течение этого времени компьютер вычислит, что показывать дальше. Такое отношение вполне уместно при обсуждении верхних пределов виртуальной реальности. Но при рассмотрении ее полезности, или, что даже более важно, фун­даментальной роли, которую она играет в структуре реальности, нам следует быть более разборчивыми. Эволюция никогда бы не произошла, если бы задача передачи определенных свойств самых первых, простей­ших сред обитания не была легко обрабатываемой (т. е. вычислимой в течение разумного периода времени) при использовании в качестве компьютеров легко доступных молекул. Точно так же никогда не нача­лось бы развитие науки и техники, если бы для создания инструмента из камня понадобились тысячи лет размышлений. Более того, то, что было истиной в самом начале, осталось абсолютным условием прогрес­са на каждом этапе. Универсальность вычислений была бы бесполезна для генов, независимо от количества содержащегося в них знания, если бы передача их организма не была легко обрабатываемой задачей — скажем, если бы один репродуктивный цикл занимал миллиарды лет.

Таким образом, факт существования сложных организмов и непре­рывного ряда постепенно совершенствующихся изобретений и научных теорий (таких, как механика Галилея, механика Ньютона, механика Эйнштейна, квантовая механика, ...) говорит о том, универсальность вычислений какого рода существует в реальности. Он говорит нам, что действительные законы физики, по крайней мере, до сих пор, поддают­ся последовательной аппроксимации с помощью теорий, дающих луч­шие объяснения и предсказания, и что задача открытия каждой теории при наличии предыдущей легко решалась с помощью вычислений при наличии уже известных законов и уже имеющейся технологии. Струк­тура реальности должна быть многоуровневой (какой она и была) для более легкого доступа к самой себе. Подобным образом, если рассматри­вать саму эволюцию как вычисление, она говорит нам, что существо­вало достаточно много жизнеспособных организмов, закодированных ДНК, что позволило вычислить (т.е. эволюционировать) организмы с более высокой степенью адаптации, используя ресурсы, предостав­ленные их предками с низкой степенью адаптации. Таким образом, мы можем сделать вывод, что законы физики, кроме того, что удостове­ряют свою собственную постижимость через принцип Тьюринга, га­рантируют, что соответствующие эволюционные процессы, такие, как жизнь и мышление, не являются трудоемкими и требуют не слишком много дополнительных ресурсов, чтобы произойти в реальности.

Итак, законы физики не только позволяют (или, как я доказал, тре­буют) существование жизни и мышления, но требуют от них эффек­тивности, в некотором уместном смысле. Для выражения этого важно­го свойства реальности современные анализы универсальности обычно постулируют компьютеры, универсальные даже в более строгом смыс­ле, чем того потребовал бы в данной ситуации принцип Тьюринга: уни­версальные генераторы виртуальной реальности не только возможны, их можно построить так, что они не потребуют нереально больших ресурсов для передачи простых аспектов реальности. С настоящего мо­мента, говоря об универсальности, я буду иметь в виду именно такую универсальность, пока не приведу другого определения.

Насколько эффективно можно передать данные аспекты реальнос­ти? Другими словами, какие вычисления можно практически выпол­нить за данное время и при данных финансовых возможностях? Это основной вопрос теории вычислительной сложности, которая, как я уже сказал, занимается изучением ресурсов, необходимых для выполнения данных вычислительных задач. Теория сложности все еще в достаточ­ной степени не объединена с физикой и потому не дает много коли­чественных ответов. Однако она достигла успеха в определении полез­ного приближенного различия между легко- и труднообрабатываемыми вычислительными задачами. Общий подход лучше всего проиллюстри­ровать на примере. Рассмотрим задачу умножения двух достаточно больших чисел, скажем. 4 220 851 и 2594209. Многие из нас помнят тот метод умножения, которому мы научились в детстве. Нужно по очере­ди перемножить каждую цифру одного числа на каждую цифру друго­го и, сложив результаты, дать окончательный ответ, в данном случае 10949769651859. Вероятно, многие не захотят признать, что эта уто­мительная процедура делает умножение «легко обрабатываемым» хоть в каком-то обыденном смысле этого слова. (В действительности, су­ществуют более эффективные методы умножения больших чисел, но этот весьма нагляден). Однако с точки зрения теории сложности, ко­торая имеет дело с массивными задачами, решаемыми компьютерами которые не подвержены скуке и почти никогда не ошибаются, этот ме­тод определенно попадает в категорию «легко обрабатываемых».

В соответствии со стандартным определением для «легкости обра­ботки» важно не действительное время, затрачиваемое на умножение конкретной пары чисел, а важен факт, что при применении того же са­мого метода даже к большим числам, время увеличивается не слишком резко. Возможно это удивит вас, но этот весьма косвенный метод опре­деления легкости обработки очень хорошо работает на практике для многих (хотя и не всех) важных классов вычислительных задач. Напри­мер, при умножении нетрудно увидеть, что стандартный метод мож­но использовать для умножения чисел, скажем, в десять раз больших, Приложив совсем незначительные дополнительные усилия. Ради дока­зательства предположим, что каждое элементарное умножение одной цифры на другую занимает у определенного компьютера одну микросе­кунду (включая время, необходимое для сложения, переходов и других операций, сопровождающих каждое элементарное умножение). При ум­ножении семизначных чисел 4220851 и 2594209 каждую из семи цифр первого числа нужно умножить на каждую из семи цифр второго числа. Таким образом, общее время, необходимое для умножения (если опе­рации выполняются последовательно), будет равно семи, умноженному на семь, или 49 микросекундам. При введении чисел, примерно в де­сять раз больших, содержащих по восемь цифр, время, необходимое для их умножения, будет равно 64 микросекундам: увеличение составляет всего 31%.

 Ясно, что числа из огромного диапазона — безусловно содержащего любые числа, которые когда-либо были измерены как численные значе­ния физических переменных — можно перемножить за крошечную долю секунды. Таким образом, умножение действительно легко поддается обработке для любых целей в пределах физики (или, по крайней мере, в пределах существующей физики). Вероятно, за пределами физики мо­гут появиться практические причины умножения гораздо больших чи­сел. Например, для шифровальщиков огромный интерес представляют произведения простых чисел, состоящих примерно из 125 цифр. Наша гипотетическая машина могла бы умножить два таких простых числа, получив произведение, состоящее из 250 цифр, примерно за одну сотую секунды. За одну секунду она могла бы перемножить два тысячезначных числа, а современные компьютеры легко могут осуществить более точный расчет этого времени. Только некоторые исследователи эзоте­рических областей чистой математики заинтересованы в выполнении таких непостижимо огромных умножений, однако, мы видим, что даже у них нет причины считать умножение трудно обрабатываемым.

Напротив, разложение на множители, по сути процесс, обрат­ный умножению, кажется гораздо сложнее. В начале вводится одно число, скажем, 10949769651859, задача заключается в том, чтобы найти два множителя, меньших числа, произведение которых равно 10949769651859. Поскольку мы только что умножили эти числа, мы знаем, что в этом случае ответ будет 4220851 и 2594209 (и поскольку оба эти числа простые, это единственно правильный ответ). Но не об­ладая таким внутренним знанием, как мы нашли бы эти множители? В поисках простого метода вы обратитесь к детским воспоминаниям, но впустую, поскольку такого метода не существует.

Самый очевидный метод разложения на множители — делить вво­димое число на все возможные множители, начиная с 2 и продолжая каждым нечетным числом, до тех пор, пока введенное число не разде­лится без остатка. По крайней мере, один из множителей (принимая, что введенное число не является простым) не может быть больше квад­ратного корня введенного числа, что позволяет оценить, сколько вре­мени может занять этот метод. В рассматриваемом нами случае наш компьютер найдет меньший из двух множителей, 2 594 209, примерно за одну секунду. Однако, если вводимое число будет в десять раз больше, а его квадратный корень примерно в три раза больше, то разложение его на множители по этому методу займет в три раза больше времени. Другими словами, увеличение вводимого числа на один разряд уже ут­роит время обработки. Увеличение его еще на один разряд снова утроит это время и т. д. Таким образом, время обработки будет увеличивать­ся в геометрической прогрессии, т.е. экспоненциально, с увеличением количества разрядов в раскладываемом на множители числе. Разложе­ние на множители числа с 25-значными множителями по этому методу заняло бы все компьютеры на Земле на несколько веков.

Этот метод можно усовершенствовать, однако всем современным методам разложения числа на множители присуще это свойство экспо­ненциального увеличения. Самое большое число, которое было «в гневе» (а это было действительно так) разложено на множители, — число, мно­жители которого тайно выбрали одни математики, чтобы бросить вы­зов другим математикам, — имело 129 разрядов. Разложение на множи­тели выполнили с помощью сети Интернет глобальными совместными усилиями, задействовав тысячи компьютеров. Дональд Кнут, специа­лист по вычислительной технике, подсчитал, что разложение на мно­жители 250-значного числа при использовании самых эффективных из известных методов, с помощью сети, состоящей из миллиона компью­теров, заняло бы более миллиона лет. Такие вещи трудно оценить, но даже если Кнут чрезмерно пессимистичен, то попробуйте хотя бы взять числа на несколько разрядов большие, и задача во много раз усложнит­ся. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что разложение на множители больших чисел с трудом поддается обработке. Все это весь­ма отличается от умножения, где как мы видели, задачу умножения пары 250-значных чисел можно элементарно решить с помощью домаш­него компьютера. Никто не может даже представить себе, как можно разложить на множители числа, состоящие из тысячи или миллиона разрядов.

По крайней мере, этого никто не мог представить до недавнего Времени.

В 1982 году физик Ричард Фейнман занимался компьютерным мо­делированием квантово-механических объектов. Его отправной точкой было нечто, что уже было известно в течение некоторого времени, одна­ко важность чего не оценили, а именно, что задача предсказания пове­дения квантово-механических систем (или, как мы можем это описать, Передача квантово-механических сред в виртуальной реальности), в об­щем случае, с трудом поддается обработке. Одна из причин того, что важность этого не оценили, в том, что никто и не ожидал, что предска­зание интересных физических явлений с помощью компьютера будет особо легким. Возьмите, например, прогноз погоды или землетрясения. Несмотря на то, что известны нужные уравнения, сложность их применения для реальных ситуаций общеизвестна. Все это недавно вынесли на всеобщее обозрение в популярных книгах и статьях по хаосу и «эф­фекту бабочки». Эти эффекты не ответственны за трудность обработки о которой говорил Фейнман, по простой причине, что они имеют место только в классической физике — т. е. не в реальности, поскольку реаль­ность квантово-механическая. Тем не менее, я хочу сделать несколько замечаний относительно классических «хаотических» движений, толь­ко чтобы подчеркнуть достаточно различный характер невозможности получения классических и квантовых предсказаний.

Теория хаоса касается ограничений получения предсказаний в клас­сической физике, проистекающих из факта внутренней неустойчивости всех классических систем. «Неустойчивость», о которой идет речь, не имеет ничего общего с какой-либо тенденцией буйного поведения или распада. Она связана с чрезмерной чувствительностью к начальным условиям. Допустим, что нам известно настоящее состояние какой-то физической системы, например, комплекта бильярдных шаров, катаю­щихся по столу. Если бы система подчинялась законам классической физики, что она и делает в хорошем приближении, то мы смогли бы определить ее будущее поведение (скажем, попадет ли определенный шар в лузу) из соответствующих законов движения точно так же, как мы можем предсказать солнечное затмение или парад планет, исходя из этих же законов. Но на практике мы никогда не можем абсолютно точно определить начальные положения и скорости. Таким образом, возника­ет вопрос: если мы знаем их с некоторой разумной степенью точности, можем ли мы предсказать их будущее поведение с разумной степенью точности? Обычный ответ: не можем. Разница между реальной траек­торией и предсказанной траекторией, вычисленной из слегка неточных данных, стремится расти экспоненциально и нерегулярно («хаотичес­ки») во времени, так что через некоторое время первоначальное состоя­ние, содержащее небольшую погрешность, уже не сможет быть ключом к поведению системы. Компьютерное предсказание говорит о том, что движение планет, классическая предсказуемость в миниатюре, — нети­пичная классическая система. Чтобы предсказать поведение типичной классической системы всего лишь через небольшой промежуток време­ни, необходимо определить начальное состояние этой системы с невоз­можно высокой точностью. Поэтому говорят, что, в принципе, бабочка, находящаяся в одном полушарии, взмахом своих крылышек может вы­звать ураган в другом полушарии. Неспособность дать прогноз погоды и тому подобное приписывают невозможности учесть каждую бабочку на планете.

Однако реальные ураганы и реальные бабочки подчиняются не классической механике, а квантовой теории. Неустойчивость, быст­ро увеличивающая небольшие неточности определения классическо­го начального состояния, просто не является признаком квантово-механических систем. В квантовой механике небольшие отклонения от точно определенного начального состояния стремятся вызвать всего лишь небольшие отклонения от предсказанного конечного состояния. А точное предсказание сделать сложно из-за совсем другого эффекта.

Законы квантовой механики требуют, чтобы объект, который первоначально находится в данном положении (во всех вселенных), «рас­пространялся» в смысле мультиверса. Например, фотон и его двойники из других вселенных отправляются из одной и той же точки светящей­ся нити накала, но затем движутся в миллиардах различных направлений. Когда мы позднее проводим измерение того, что произошло, мы тоже становимся отличными друг от друга, так как каждая наша копия видит то, что произошло в ее конкретной вселенной. Если рассматрива­емым объектом является атмосфера Земли, то ураган мог произойти, Скажем, в 30% вселенных и не произойти в остальных 70%. Субъек­тивно мы воспринимаем это как единственный непредсказуемый или «случайный» результат, хотя если принять во внимание существование мультиверса, все результаты действительно имели место. Это многооб­разие параллельных вселенных — настоящая причина непредсказуемос­ти погоды. Наша неспособность точно измерить начальные состояния тут абсолютно ни при чем. Даже знай мы начальные состояния точ­но, многообразие, а следовательно, и непредсказуемость движения, все равно имели бы место. С другой стороны, в отличие от классического случая, поведение воображаемого мультиверса с немного отличными начальными состояниями не слишком отличалось бы от поведения ре­ального мультиверса: он мог пострадать от урагана в 30,000001% своих вселенных и не пострадать в оставшихся 69,999999%.

  В действительности взмах крылышек бабочки не вызывает урага­ны, потому что классическое явление хаоса зависит от совершенного Детерминизма, который не присутствует ни в одной вселенной. Рас­смотрим группу идентичных вселенных в тот момент, когда в каждой из них конкретная бабочка взмахнула крылышками вверх. Рассмотрим вторую группу вселенных, которая в этот же самый момент идентична первой за исключением того, что в ней крылышки бабочки опуще­ны вниз. Подождем несколько часов. Квантовая механика предсказыва­ет, что если не возникнут исключительные обстоятельства (например, кто-нибудь, наблюдающий за бабочкой, нажмет кнопку, чтобы взорвать ядерную бомбу при взмахе ее крылышек), две группы вселенных, прак­тически идентичные друг Другу в начале, останутся практически иден­тичными. Но каждая группа внутри самой себя значительно видоизме­нилась. Каждая группа включает вселенные с ураганами, вселенные без ураганов и даже очень маленькое количество вселенных, в которых вид бабочки спонтанно изменился из-за случайной перестановки всех ее атомов, или Солнце взорвалось из-за того, что все его атомы слу­чайно вступили в ядерную реакцию в самом его центре. Даже в этом случае эти группы все еще очень похожи друг на друга. Во вселенных, где бабочка взмахнула крылышками вверх и произошли ураганы, эти ураганы действительно были непредсказуемы; но они произошли не из-за бабочки, поскольку почти идентичные ураганы произошли в других вселенных, где все было тем же самым, кроме того, что крылышки бабочки были опущены вниз.

Возможно, стоит подчеркнуть различие между непредсказуемос­тью и трудностью обработки. Непредсказуемость не имеет ничего об­щего с имеющимися вычислительными ресурсами. Классические сис­темы непредсказуемы (или были бы таковыми, если бы существовали) из-за их чувствительности к начальным условиям. Квантовые системы не обладают такой чувствительностью, но они непредсказуемы, потому что в различных вселенных ведут себя по-разному, и поэтому в боль­шинстве вселенных кажутся случайными. Ни в первом, ни во втором случае никакой объем вычислений не уменьшит непредсказуемость. Трудность обработки, напротив, — проблема вычислительных ресур­сов. Она относится к ситуации, когда мы с легкостью могли бы сделать предсказание, если бы только могли выполнить необходимые вычисле­ния, но мы не можем их выполнить, потому что требуются нереаль­но большие ресурсы. Чтобы отделить проблемы непредсказуемости от проблем трудности обработки в квантовой механике, мы должны при­нять, что квантовые системы, в принципе, предсказуемы.

Квантовую теорию часто представляют как теорию, которая дела­ет только вероятностные предсказания. Например, в эксперименте по интерференции со светонепроницаемой перегородкой со щелями, опи­санном в главе 2, можно видеть, что фотон попадает в любое место на «светлом» участке картины теней. Однако важно понимать, что для множества других экспериментов квантовая теория предсказыва­ет единственный определенный результат. Другими словами, она пред­сказывает, что все вселенные окончатся с одним и тем же результа­том, даже если на промежуточных стадиях эксперимента эти вселен­ные отличались друг от друга, и она предсказывает, каким будет этот результат. В таких случаях мы наблюдаем неслучайное явление интер­ференции. Такие явления может продемонстрировать интерферометр. Это оптический инструмент, состоящий главным образом из зеркал, как обычных (рисунок 9.1), так и полупрозрачных (какими пользуются фокусники и полицейские) (рисунок 9.2). Если фотон ударяется о по­лупрозрачное зеркало, то в половине вселенных он отскакивает от него точно так же, как отскочил бы от обычного зеркала. Однако в другой половине вселенных он проходит сквозь это зеркало, словно его нет.

Один фотон входит в интерферометр сверху слева, как показано на рисунке 9.3. Во всех вселенных, где проводят эксперимент, фотон и его двойники движутся к интерферометру по одной и той же траектории. Следовательно, эти вселенные идентичны. Но как только фотон уда­ряется о полупрозрачное зеркало, первоначально идентичные вселен­ные становятся различными. В половине из них фотон проходит через это зеркало и перемещается вдоль верхней стороны интерферометра. В остальных вселенных фотон отскакивает от зеркала и перемещает­ся вдоль левой стороны интерферометра. Затем разновидности фотона в этих группах вселенных ударяются об обычные зеркала справа сверху и слева снизу соответственно и отскакивают от них. Таким образом, в конце они одновременно попадают на полупрозрачное зеркало справа снизу и интерферируют друг с другом. Не забывайте, что мы пускали в аппарат только один фотон, и в каждой вселенной по-прежнему нахо­дится только один фотон. Во всех вселенных этот фотон теперь ударил­ся о правое нижнее зеркало. В половине вселенных он ударился об это зеркало слева, в другой половине — сверху. Между разновидностями фотона из этих двух групп вселенных произошла сильная интерференция. Суммарный эффект зависит от точной геометрии ситуации, но на рисунке 9.3 изображен тот случай, когда во всех вселенных фотон в конце движется вправо сквозь зеркало, и ни в одной вселенной он не передается или не отражается вниз. Таким образом, в конце экспери­мента все вселенные так же идентичны, как и в начале. Они отличались и взаимодействовали друг с другом всего лишь долю минуты в проме­жуточном состоянии.

Это замечательное явление неслучайной интерференции — почти такое же неизбежное свидетельство существования мультиверса, как Я явление теней. Поскольку результат, описанный мной, несовместим ни с одной из двух возможных траекторий движения частицы в од­ной вселенной. Если мы, например, направим фотон вправо вдоль ниж­ней стороны интерферометра, он, как и фотон из эксперимента, может пройти сквозь полупрозрачное зеркало. Но может и не пройти — иног­да он отклоняется вниз. Точно так же фотон, направленный вниз, вдоль правой стороны интерферометра, может отклониться вправо, как в экс­перименте с интерференцией, или просто двигаться прямо вниз. Таким образом, на какую бы траекторию вы не направили один фотон внутри аппарата, он будет появляться случайно. Результат можно предсказать только в том случае, когда между двумя траекториями произойдет интерференция. Следовательно, непосредственно перед окончанием экспе­римента с интерференцией в аппарате присутствует нечто, что не мо­жет быть одним фотоном с одной траекторией: например, это не может выть просто фотон, который перемещается вдоль нижней стороны ин­терферометра. Там должно быть что-то еще, что мешает ему отскочить вниз. Там не может быть и просто фотон, который перемещается вдоль правой стороны интерферометра; там, опять, должно быть что-то еще, что мешает ему переместиться прямо вниз, как это могло бы произойти в некоторых случаях, если бы он был там один. Как и в случае с тенями, мы можем придумать дальнейшие эксперименты, чтобы показать, что это «что-то еще» обладает всеми свойствами фотона, который пере­мещается вдоль.  Другой траектории и интерферирует с видимым нами фотоном, но ни с чем другим в нашей вселенной.

Поскольку в этом опыте присутствуют только два различных вида вселенных, вычисление того, что произойдет, займет только всего в два раза больше времени, чем заняло бы, если бы частица подчиня­лась классическим законам — скажем, если бы мы вычисляли траекторию движения бильярдного шара. Вряд ли коэффициент два сделает такие вычисления трудно обрабатываемыми. Однако, мы уже видели, что довольно легко достичь и гораздо более высокой степени многообра­зия. В экспериментах с тенями один фотон проходит через перегородку с несколькими маленькими отверстиями и попадает на экран. Пред­положим, что в перегородке тысяча отверстий. На экране есть места, куда может попасть фотон (и попадает в некоторых вселенных), и мес­та, куда он попасть не может. Чтобы вычислить, может ли конкретная точка экрана принять фотон, мы должны вычислить эффекты взаим­ной интерференции разновидностей фотона из тысячи параллельных вселенных. В частности, мы должны вычислить тысячу траекторий движения фотона от перегородки до данной точки экрана, затем вы­числить влияния этих фотонов друг на друга так, чтобы определить, всем ли им мешают достигнуть этой точки. Таким образом, мы долж­ны выполнить примерно в тысячу раз больше вычислений, чем нам пришлось бы, если бы мы определяли, попадет ли в конкретную точку классическая частица.

Сложность такого рода вычислений показывает нам, что в квантово-механической среде происходит гораздо больше, чем (буквально) ви­дит глаз. Я доказал, выражая критерий реальности доктора Джон­сона на языке вычислительной сложности, что эта сложность — ос­новная причина того, почему бессмысленно отрицать существование оставшейся части мультиверса. Но возможны гораздо более высо­кие степени многообразия, когда в интерференцию вовлекаются две или более взаимодействующих частицы. Допустим, что для каждой из двух взаимодействующих частиц открыта (скажем) тысяча тра­екторий. Тогда эта пара на промежуточном этапе эксперимента мо­жет оказаться в миллионе различных состояний, так что может быть до миллиона вселенных, которые будут отличаться тем, что делает эта пара частиц. Если бы взаимодействовали три частицы, то ко­личество различных вселенных могло бы увеличиться до миллиар­да; для четырех частиц — до триллиона и т.д. Таким образом, ко­личество различных историй, которые нам пришлось бы вычислить, если бы мы захотели предсказать то, что произойдет в таких слу­чаях, увеличивается экспоненциально с ростом числа взаимодейству­ющих частиц. Именно поэтому задача вычисления поведения типичной квантовой системы труднообрабатываема в полном смысле этого слова.

Это именно та трудность обработки, которая волновала Фейнмана. Мы видим, что она не имеет ничего общего с непредсказуемостью: напротив, наиболее ясно она проявляется в квантовых явлениях с вы­сокой степенью предсказуемости. Так происходит потому, что в та­ких явлениях один и тот же определенный результат имеет место во всех вселенных, однако этот результат — итог интерференции между огромным количеством вселенных, которые отличались друг от дру­га во время эксперимента. Все это в принципе можно предсказать из квантовой теории, да оно и не страдает излишней чувствительностью к начальным условиям. Но предсказать, что в таких экспериментах результат всегда будет одним и тем же, трудно потому, что для этого необходимо выполнить чрезмерно большой объем вычислений.

Трудность обработки, в принципе, является гораздо большим пре­пятствием для универсальности, чем им когда-либо могла стать не­предсказуемость. Я уже сказал, что абсолютно точная передача рулет­ки не нуждается (а на самом деле, и не должна нуждаться) в после­довательности чисел, совпадающей с реальной. Подобным образом, мы не можем заранее подготовить передачу завтрашней погоды в вирту­альной реальности. Но мы можем (или однажды сможем) осуществить передачу погоды, которая хотя и не будет такой же, как реальная по­года, имевшая место в какой-то исторический день, но тем не менее, будет вести себя столь реалистично, что ни один пользователь, каким бы экспертом он ни был, не сможет отличить ее от настоящей погоды. То же самое касается и любой среды, которая не показывает эффекты квантовой интерференции (что означает большинство сред). Передача такой среды в виртуальной реальности — легкообрабатываемая вычислительная задача. Однако оказалось, что невозможно практически пе­редать те среды, которые показывают эффекты квантовой интерферен­ции. Не выполняя экспоненциально большие объемы вычислений, как мы можем быть уверены, что в этих случаях переданная нами среда никогда не сделает того, что из-за некоторого явления интерференции никогда не делает реальная среда?

Может показаться естественным вывод, что реальность все-таки не показывает настоящей универсальности вычислений, поскольку не­возможно полезно передать явления интерференции. Однако, Фейнман сделал противоположный вывод и был совершенно прав! Вместо того, чтобы считать трудность обработки задачи передачи квантовых яв­лений препятствием, Фейнман счел ее благоприятной возможностью. Если, чтобы узнать исход эксперимента с интерференцией, необходи­мо выполнить так много вычислений, то сам факт проведения тако­го эксперимента и измерения его результатов равносилен выполнению сложного вычисления. Таким образом, рассуждал Фейнман, наверное все-таки можно было бы эффективно передать квантовые среды при условии, что компьютеру позволят проводить эксперименты над реаль­ным квантово-механичееким объектом. Компьютер выбрал бы, какие измерения сделать на вспомогательной составляющей квантового ап­паратного обеспечения во время проведения эксперимента, и включил бы результаты измерений в свои вычисления.

В действительности вспомогательное квантовое аппаратное обес­печение тоже было бы компьютером. Например, интерферометр мог бы действовать, как подобный прибор, и. как любой другой физичес­кий объект, его можно было бы считать компьютером. Сегодня мы на­звали бы его специализированным квантовым компьютером. Мы «про­граммируем» его, устанавливая зеркала так, чтобы создать определен­ную геометрию, и затем направляем один фотон на первое зеркало. В эксперименте с неслучайной интерференцией фотон всегда будет по­являться в одном конкретном направлении, определяемом установкой зеркал, и мы можем интерпретировать это направление как указываю­щее результат вычисления. В более сложном эксперименте с нескольки­ми взаимодействующими частицами такое вычисление запросто могло бы, как я уже объяснил, стать «труднообрабатываемым». Но посколь­ку мы смогли получить его результаты, просто проведя эксперимент, значит, его все-таки нельзя назвать действительно труднообрабатыва­емым. Нам теперь следует быть более осторожными в вопросах тер­минологии. Очевидно, что существуют вычислительные задачи, кото­рые «с трудом поддаются обработке», если мы пытаемся решить их с помощью любого существующего компьютера, но которые перешли бы в разряд легко обрабатываемых, если бы в качестве специализиро­ванных компьютеров мы использовали квантово-механические объек­ты. (Обратите внимание, что возможность использования квантовых явлений для выполнения вычислений с помощью такого метода обу­словлена тем, что эти явления не подвержены хаосу. Если бы резуль­тат вычислений был функцией, чрезмерно чувствительной к начально­му состоянию, «запрограммировать» такое устройство, установив его в подходящее начальное состояние, было бы непосильно сложной зада­чей).

Использование вспомогательного квантового устройства таким об­разом можно было бы посчитать надувательством, так как очевидно, что любую среду гораздо проще передать, имея доступ к ее запасной копии для проведения измерений во время передачи! Однако Фейнман выдвинул гипотезу, что нет необходимости в использовании точной ко­пии передаваемой среды: что можно найти вспомогательное устройство с гораздо более простой конструкцией, но интерференционные свойства которого, тем не менее, будут аналогичны свойствам передаваемой сре­ды. Оставшуюся часть передачи способен осуществить обычный ком­пьютер, работающий аналогичным образом между вспомогательным устройством и передаваемой средой. Фейнман ожидал, что эта зада­ча будет легкообрабатываемой. Более того, он предполагал, как ока­залось, правильно, что все квантово-механические свойства любой пе­редаваемой среды можно смоделировать с помощью вспомогательных устройств конкретного вида, который он точно определил (а именно, совокупности вращающихся атомов, каждый из которых взаимодейст­вует со своими соседями). Он назвал весь класс таких устройств уни­версальным квантовым имитатором.

   Однако этот имитатор не был отдельной машиной, какой он должен был бы быть, чтобы называться универсальным компьютером. Взаимодействия, которым пришлось бы подвергнуться атомам имитатора, нельзя было установить однажды и навсегда, как в универсальном ком­пьютере, их нужно было переустанавливать для каждой передаваемой среды. Однако смысл универсальности в том, что должно быть возмож­ным запрограммировать отдельную машину, точно определенную раз и навсегда, для выполнения любого возможного вычисления или пере­дачи любой возможной среды. В 1985 году я доказал, что в квантовой физике существует универсальный квантовый компьютер. Это доказа­тельство было абсолютно прямым. Все, что мне пришлось сделать, это скопировать устройства Тьюринга, но для определения лежащей в их основе физики воспользоваться не классической механикой, которую Неявно принимал Тьюринг, а квантовой теорией. Универсальный кван­товый компьютер может выполнить любое вычисление, которое может выполнить любой другой квантовый компьютер (или любой компьютер типа машины Тьюринга), а также он может передать любую конечную физически возможную среду в виртуальной реальности. Более того, С тех пор было показано, что время и остальные ресурсы, которые ему понадобятся для осуществления всего этого, не будут увеличиваться экспоненциально с ростом размеров или числа деталей передаваемой среды, так что важные вычисления будут легкообрабатываемы в соот­ветствии с нормами теории сложности.

Классическая теория вычисления, которая в течение полувека оставалась неоспоримым основанием вычисления, сейчас устарела, пре­вратившись разве что, как и остальная классическая физика, в схему аппроксимации. Сейчас такой теорией вычисления является квантовая теория вычисления. Я сказал, что Тьюринг в своем устройстве неявно использовал «классическую механику». Но, оценив прошедшие события, сейчас мы можем увидеть, что даже классическая теория вычисления не полностью соответствовала классической физике и содержала серь­езные предзнаменования квантовой теории. Совсем не совпадение, что слово бит, означающее наименьшее возможное количество информа­ции, которым способен управлять компьютер, в сущности значит то же самое, что и квант, дискретный компонент. Дискретные перемен­ные (переменные, которые не могут принимать непрерывный диапа­зон значений) чужды классической физике. Например, если переменная имеет только два возможных значения, скажем, 0 и 1, как она вообще попадает из 0 в 1? (Я задавал этот вопрос в главе 2). В классической физике ей пришлось бы переместиться из одного значения в другое с пе­рерывом, что несовместимо с работой сил и движений в классической механике. В квантовой физике нет необходимости в прерывном измене­нии — даже несмотря на то, что все измеримые величины дискретны. Это происходит следующим образом.

Для начала давайте представим несколько параллельных вселен­ных, сложенных подобно колоде карт, причем вся колода представля­ет собой совокупность вселенных. (Такая модель, в которой вселен­ные располагаются последовательно, весьма преуменьшает сложность мультиверса, но она вполне достаточна, чтобы проиллюстрировать то, о чем я говорю). Теперь давайте изменим эту модель, чтобы учесть тот факт, что мультиверс — это не дискретный набор вселенных, а конти­нуум, и то, что не все вселенные различны. В действительности, для каждой вселенной, которая там присутствует, также существует конти­нуум идентичных вселенных, содержащий определенную крошечную, но отличную от нуля долю мультиверса. В нашей модели эту долю можно представить через толщину карты, причем каждая карта те­перь представляет все вселенные данного типа. Однако, в отличие от толщины карты, доля каждого типа вселенных изменяется со време­нем по квантово-механическим законам движения. Следовательно, доля вселенных, обладающих данным свойством, тоже изменяется и изменя­ется непрерывно. В случае с дискретной переменной, которая изменя­ется от 0 до 1, допустим, что эта переменная принимает значение 0 во всех вселенных до начала изменения, а после изменения она принима­ет значение 1 во всех вселенных. Во время изменения доля вселенных, в которых значение равно 0, равномерно уменьшается от 100% до нуля, а доля вселенных, в которых это значение равно 1, соответственно рас­тет от нуля до 100%. На рисунке 9.4 показана точка зрения мультиверса на подобное изменение.

Из рисунка 9.4 может показаться, что хотя переход от 0 к 1 объек­тивно непрерывен с перспективы мультиверса, он остается субъектив­но прерывным с перспективы любой отдельной вселенной — представ­ленной, скажем, горизонтальной линией, доходящей до середины рисун­ка 9.4. Однако это всего лишь ограничение диаграммы, а не реальная характеристика того, что происходит на самом деле. Хотя диаграмма выглядит так, словно в каждое мгновение существует конкретная все­ленная, которая «только что изменилась» от 0 до 1, потому что она только что «пересекла границу», на самом деле это не так. Так быть не может, потому что такая вселенная строго идентична любой другой вселенной, в которой бит в данный момент имеет значение 1. Поэто­му, если бы жители одной из них испытывали прерывное изменение, То жители всех других испытывали бы то же самое. Значит, ни одна из них не может иметь такой опыт. Обратите также внимание, что, как я объясню в главе 11, идея о чем-то, что движется через диаграм­му, подобную рисунку 9.4, на которой уже представлено время, просто ошибочна. В каждое мгновение бит имеет значение 1 в определенной доле вселенных и 0 — в другой. Все эти вселенные в каждый момент времени уже показаны на рисунке 9.4. Они никуда не движутся!

Еще один показатель неявного присутствия квантовой физики в классическом вычислении — это зависимость всех вариантов прак­тической реализации компьютеров типа машины Тьюринга от таких вещей как твердая материя или намагниченные материалы, которые не могли бы существовать в отсутствие квантово-механических эффек­тов. Например, любое твердое тело состоит из совокупности атомов, состоящих из электрически заряженных частиц (электроны и прото­ны 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 вылетали бы со своего места, сталкиваясь друг с другом, и конструкция распалась бы. Только сильная квантовая интерферен­ция между различными траекториями движения заряженных частиц в параллельных вселенных предотвращает такие катастрофы и делает возможным существование твердой материи.

Создание универсального квантового компьютера действительно выходит за рамки современной технологии. Как я уже сказал, что­бы обнаружить явление интерференции, нужно вызвать соответству­ющее взаимодействие всех переменных, которые были отличными во вселенных, вступивших в интерференцию. Чем больше взаимодейст­вующих частиц, тем сложнее спровоцировать 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. Поскольку, когда группа атомов подвергается явлению интерфе­ренции, причем эти атомы дифференцированно воздействуют на дру­гие атомы этой среды, то интерференцию уже невозможно обнару­жить с помощью измерений только исходной группы, и эта группа уже не выполняет какое бы то ни было полезное квантовое вычис­ление. Это называется декогерентностью. 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 малейшие несовершенства, но именно эффект квантового вычисления внешнего мира вызывает декогерентность.

Таким образом, ставка делается на создание субмикроскопических систем, в которых переменные, несущие информацию, взаимодейству­ют друг с другом, но оказывают на свою среду возможно меньшее вли­яние. Другое новое упрощение, уникальное для квантовой теории вы­числения, частично компенсирует сложности, вызываемые декогерент­ностью. Оказывается, что в отличие от классического вычисления, где необходимо разрабатывать точно определенные классические логичес­кие элементы, как-то И, или и НЕ, при квантовом вычислении точная форма взаимодействий вряд ли имеет значение. В сущности, любую систему взаимодействующих битов атомного масштаба, если она не декогерирует, можно приспособить для выполнения полезных квантовых вычислений.

Известны интерференционные явления, включающие огромные ко­личества частиц, например, суперпроводимость или супертекучесть, но кажется, что ни одно из них невозможно использовать для выпол­нения хоть сколь-нибудь интересных вычислений. Во время написания книги в лаборатории можно было без труда 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 Ландауер из Исследовательского Центра IBM, настроены пессимистично отно­сительно перспектив будущих достижений. Они полагают, что декогерентность никогда не будет сведена до того уровня, где можно будет выполнить больше, чем несколько последовательных этапов квантового вычисления. Большинство исследователей из этой области настроены гораздо более оптимистично (хотя возможно, это связано с тем, что над квантовым вычислением решаются работать только очень большие оп­тимисты!). Уже были построены некоторые специализированные кван­товые компьютеры (смотри ниже), 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 только дело времени, хотя мне не хотелось бы предсказывать, сколько времени на это уйдет: десятилетия или века.

Тот факт, что репертуар универсального квантового компьюте­ра содержит среды, передача которых является труднообрабатываемой для классического вычисления, говорит о том, что новые классы чис­то математических вычислений тоже должны стать легкообрабатыва­емыми на этом компьютере. Как сказал Галилео, законы физики выра­жаются на языке математики, а передача среды эквивалентна оценке определенных математических функций. Действительно, в настоящее время обнаружено множество математических задач, которые можно было бы эффективно решить с помощью квантового вычисления, так как для всех известных классических методов они являются трудно­обрабатываемыми. Наиболее эффектной из этих задач является задача разложения на множители больших чисел. В 1994 году Питер Шор, ра­ботающий в Bell Laboratories, открыл метод, известный как алгоритм Шора. (Пока эта книга корректировалась, были открыты другие эф­фектные квантовые алгоритмы, включая алгоритм Гровера для очень быстрого поиска длинных списков).

Алгоритм Шора чрезвычайно прост и довольствуется гораздо более скромным аппаратным обеспечением, чем то, которое понадобилось бы для универсального квантового компьютера. А потому вероятно, что квантовое устройство для разложения на множители будет построено задолго до того, как весь диапазон квантовых вычислений станет техно­логически осуществимым. Эта перспектива имеет грандиозное значе­ние для криптографии (науки, которая занимается секретной передачей информации и установлением ее подлинности). Реальные сети связи могут быть глобальными и иметь огромные, постоянно изменяющиеся наборы участников с непредсказуемыми схемами связи. Непрактич­но требовать, чтобы каждая пара участников заранее физически об­менивалась секретными шифровальными ключами, которые позволили бы им позднее общаться, не боясь, что их подслушают. Криптография с открытым ключом — это любой метод отправки секретной информа­ции, при котором ни отправитель, ни получатель не делятся секретной информацией. Самый надежный из известных методов криптографии с открытым ключом основан на трудности обработки задачи разложе­ния на множители больших чисел. Этот метод известен как криптосис­тема RSA, которая получила свое название в честь Рональда Ривеста (Rivest), Ади Шамира (Shamir) и Леонарда Адельмана (Adelman), кото­рые впервые предложили ее в 1978 году. Этот метод обусловлен мате­матической процедурой, посредством которой сообщение можно зако­дировать, используя в качестве ключа огромное (скажем, 250-значное) число. Получатель может свободно обнародовать этот ключ, потому что любое сообщение, зашифрованное с его помощью, можно расшиф­ровать, только зная множители этого числа. Таким образом, я могу выбрать два 125-значных простых числа и хранить их в секрете, но перемножив, сообщить всем их 250-значное произведение. Кто угодно может послать мне сообщение, использовав это число как код, но толь­ко я смогу прочитать эти сообщения, потому что только мне известны секретные множители.

Как я уже сказал, не существует практической возможности раз­ложения на множители 250-значного числа с использованием класси­ческих средств. Но квантовое устройство разложения на множители, работающее по алгоритму Шора, могло бы это сделать, выполнив все­го несколько тысяч арифметических операций, что, возможно, было бы минутным делом. Таким образом, любой человек, имеющий доступ к такой машине, смог бы легко прочитать любое перехваченное сооб­щение, зашифрованное с помощью криптосистемы RSA.

Шифровальщикам не помогло бы даже использование больших чи­сел в качестве ключей, потому что ресурсы, необходимые для рабо­ты алгоритма Шора, очень медленно увеличиваются с увеличением раскладываемого на множители числа. В квантовой теории вычисле­ния разложение на множители — очень легко обрабатываемая задача. Считается, что при данном уровне декогерентности снова появится практическое ограничение величины числа, которое можно разложить на множители, но неизвестен нижний предел технологически дости­жимой степени декогерентности. Поэтому, мы должны сделать вы­вод, что однажды в будущем, во время, которое сейчас невозможно предсказать, криптосистема RSA с любой данной длиной ключа может стать несекретной. В определенном смысле это делает ее несе­кретной даже сегодня. Любой человек или организация, которые сей­час записывают сообщения, закодированные в системе RSA, и ждут того времени, когда смогут купить квантовое устройство разложения на множители с достаточно низкой декогерентностью, смогут расшиф­ровать эти сообщения. Возможно, это произойдет только через века, возможно всего через несколько десятилетий, а может, и еще рань­ше — кто знает? Но вероятность, что это произойдет еще не скоро, — это все, что теперь осталось от бывшей абсолютной секретности систе­мы RSA.

Когда квантовое устройство разложения на множители расклады­вает на множители 250-значное число, количество интерферирующих вселенных будет порядка 10500, т.е. десять в степени 500. Это ошелом­ляюще огромное число — причина того, почему алгоритм Шора делает разложение на множители легкообрабатываемым. Я сказал, что этот алгоритм требует выполнения всего нескольких тысяч арифметичес­ких операций. Безусловно, я имел в виду несколько тысяч операций в каждой вселенной, которая вносит вклад в ответ. Все эти вычисления выполняются в различных параллельных вселенных и делятся своими результатами через интерференцию.

Возможно, вам интересно, как мы сможем убедить своих двойни­ков из 10000 вселенных начать работать над нашей задачей разложения на множители. Разве у них нет своих собственных задач, чтобы за­действовать компьютеры? Нам не нужно их убеждать. Алгоритм Шо­ра изначально действует только в наборе вселенных, идентичных друг другу, и вызывает в них отличия только в пределах устройства разло­жения на множители. Поэтому мы, точно определившие число, которое нужно разложить на множители, и ждущие ответа, идентичны во всех интерферирующих вселенных. Несомненно, существует много других вселенных, в которых мы запрограммировали другое число или вообще не построили устройство разложения на множители. Но эти вселенные отличаются от нашей слишком большим количеством переменных — или точнее, переменными, которые программирование алгоритма Шо­ра не привело к нужному взаимодействию, — и потому они не интер­ферируют с нашей вселенной.

Доказательство, приведенное в главе 2, применительно к любо­му явлению интерференции, разрушает классическую идею существо­вания только одной вселенной. Логически возможность комплексных квантовых вычислений ничего не дает в том случае, на который уже нельзя ответить. Но эта возможность оказывает психологическое вли­яние. Алгоритм Шора расширяет это доказательство. Для тех, кто все еще склонен считать, что существует только одна вселенная, я предла­гаю следующую задачу: объясните принцип действия алгоритма Шора. Я не имею в виду, предскажите, что он будет работать, поскольку для этого достаточно решить несколько непротиворечивых уравнений. Я прошу вас дать объяснение. Когда алгоритм Шора разложил на мно­жители число, задействовав примерно 10500 вычислительных ресурсов, которые можно увидеть, где это число раскладывалось на множители?

Во всей видимой вселенной существует всего около 1080 атомов, число ничтожно малое по сравнению с 10500. Таким образом, если бы видимая вселенная была мерой физической реальности, физическая реальность даже отдаленно не содержала бы ресурсов, достаточных для разложе­ния на множители такого большого числа. Кто же тогда разложил его т множители? Как и где выполнялось вычисление?

Я говорил о традиционных типах математических задач, которые квантовые компьютеры смогли бы выполнить быстрее существующих. Но для квантовых компьютеров открыт и дополнительный класс новых задач, которые не способен решить ни один классический компьютер. По странному совпадению, одной из первых таких задач обнаружили задачу, также связанную с криптографией с открытым ключом. На этот раз дело не в разрушении существующей системы, а в реализации новой абсолютно секретной системы квантовой криптографии. В 1989 году в Нью-Йорке, в Исследовательском Центре IBM, в офисе теоретика Чарльза Беннетта был построен первый рабочий квантовый компью­тер. Это был специализированный квантовый компьютер, состоящий из двух квантовых криптографических устройств, спроектированных Беннеттом и Жилем Брассаром из Монреальского Университета. Этот компьютер стал первой машиной, выполнившей небанальные вычисле­ния, которые не смогла бы выполнить ни одна машина Тьюринга.  

В квантовой криптосистеме Беннета и Брассара послания кодиру­ются состояниями отдельных фотонов, испускаемых лазером. Несмот­ря на то, что для передачи сообщения необходимо много фотонов (один фотон на бит, плюс те фотоны, которые тратятся на всевозможные не­эффективности), такие машины можно построить, используя сущест­вующую технологию, потому что для выполнения своих квантовых вычислений им необходим один фотон на раз. Секретность системы Основана не на трудности обработки, как классической, так и квантовой, а непосредственно на свойствах квантовой интерференции: именно она дает этой системе абсолютную секретность, которую невозможно обеспечить с помощью классических методов. Никакой объем будущих вычислений ни на каком компьютере через миллионы или триллионы лет не поможет тому, кто хотел бы подслушать послания, закодиро­ванные квантовым методом: поскольку, если кто-либо общается через среду, демонстрирующую интерференцию, то он сможет обнаружить подслушивающих его людей. В соответствии с классической физикой нет ничего, что может помешать подслушивающему, который имеет физический доступ к среде связи, например, к телефонной линии, пу­тем установки пассивного подслушивающего устройства. Но как я уже объяснил, если кто-либо осуществляет какое-либо измерение кванто­вой системы, он изменяет ее последующие интерференционные свойст­ва. От этого эффекта зависит протокол связи. Связывающиеся стороны эффективно ставят повторяющиеся эксперименты по интерференции, согласуя их через общественный канал связи. Только когда интерфе­ренция пройдет проверку на отсутствие подслушивающих, они перехо­дят к следующей стадии протокола, состоящей в том, чтобы использо­вать некоторую часть переданной информации в качестве криптогра­фического ключа. В худшем случае упорный подслушивающий может помешать связи состояться (хотя, безусловно, этого проще достичь, пе­ререзав телефонную линию). Но что касается чтения сообщения, это может сделать только получатель, для которого оно предназначено, это гарантируют законы физики.

Поскольку квантовая криптография зависит от манипулирования отдельными фотонами, она страдает от значительного ограничения. Каждый фотон, переносящий один бит информации и получаемый по­следовательно, должен быть каким-то образом передан невредимым от отправителя получателю. Но любой метод передачи содержит потери, и если они слишком большие, послание никогда не достигнет своего адресата. Установка ретрансляционных станций (мера для устранения этой проблемы в существующих системах связи) подвергла бы рис­ку секретность, потому что подслушивающий мог бы наблюдать за тем, что происходит внутри ретрансляционной станции, не будучи об­наруженным. Лучшие из существующих квантово-криптографических систем используют волокнооптические кабели и имеют диапазон око­ло десяти километров. Этого было бы достаточно, чтобы обеспечить, скажем, экономический район города абсолютно секретной внутренней связью. Возможно, не далеки и рыночные системы, но чтобы решить задачу криптографии с открытым ключом в общем случае — скажем, для глобальной связи — необходимо дальнейшее развитие квантовой криптографии.

Экспериментальные и теоретические исследования в области кван­тового вычисления набирают темп во всем мире. Предлагают даже бо­лее обещающие новые технологии реализации квантовых компьютеров и постоянно открывают и анализируют новые типы квантового вы­числения с различными преимуществами перед классическим вычис­лением. Я нахожу все эти разработки весьма захватывающими и счи­таю, что некоторые из них принесут технологические плоды. Но для этой книги данный вопрос несущественен. С фундаментальной точки зрения не имеет значения, насколько полезным оказывается кванто­вое вычисление, как не имеет значения и то, построим ли мы первый универсальный квантовый компьютер на следующей неделе, через ве­ка или не построим его никогда. В любом случае, квантовая теория вычисления должна быть неотъемлемой частью мировоззрения любого человека, ищущего фундаментального понимания реальности. То, что квантовые компьютеры говорят нам о связи законов физики, универ­сальности и, на первый взгляд, несвязанных направлений объяснения в структуре реальности, мы можем обнаружить — и уже обнаружива­ем, — изучая их теоретически.

Терминология.

Квантовое вычисление — вычисление, которое требует квантово-механических процессов, особенно интерференции. Другими словами, вычисление, которое осуществляют в сотрудничестве с параллельными вселенными.

Экспоненциальное вычисление — вычисление, требования к ресурсам которого (например, необходимому времени) увеличива­ются примерно с постоянным множителем при увеличении вводимого числа на каждый последующий разряд.

Легко/труднообрабатываемый (Правило быстрых приближен­ных расчетов) — вычислительная задача считается легкообрабатывае­мой, если ресурсы, необходимые для ее выполнения, не увеличиваются экспоненциально с ростом количества разрядов вводимого числа.

Хаос — неустойчивость движения большинства классических сис­тем. Небольшая разница между двумя начальными состояниями по­рождает экспоненциально растущие отклонения двух результирующих траекторий. Однако реальность подчиняется не классической, а кванто­вой физике. Непредсказуемость, вызванная хаосом, в общем случае пе­рекрывается квантовой неопределенностью, вызванной тем, что иден­тичные вселенные становятся различными.

Универсальный квантовый компьютер — компьютер, способ­ный выполнить любое вычисление, которое способен выполнить любой другой квантовый компьютер, и передать любую конечную физически возможную среду в виртуальной реальности.

Квантовая криптография — любая форма криптографии, кото­рую можно реализовать на квантовых компьютерах, но невозможно на классических.

Специализированный квантовый компьютер — квантовый компьютер, например, квантовое криптографическое устройство или квантовое устройство разложения на множители, который не является универсальным квантовым компьютером.

Декогерентность — когда различные отрасли квантового вычис­ления в различных вселенных по-разному воздействуют на окружаю­щую среду, интерференция уменьшается, а вычисление может не по­лучиться. Декогерентность — это главное препятствие практической реализации более мощных квантовых компьютеров.

Резюме.

Законы физики допускают существование компьютеров, способ­ных передать любую физически возможную среду, не используя не­практично больших ресурсов. Таким образом, универсальное вычис­ление не просто возможно, как этого требовал принцип Тьюринга, оно также является легкообрабатываемым. Квантовые явления могут включать огромное множество параллельных вселенных, а потому, мо­гут не поддаться эффективному моделированию в пределах одной все­ленной. Тем не менее, эта жизнестойкая форма универсальности по-прежнему остается в силе, потому что квантовые компьютеры могут эффективно передать любую физически возможную квантовую среду, даже при взаимодействии огромного множества вселенных. Квантовые компьютеры также могут эффективно решать определенные математи­ческие задачи, например, разложение на множители, которые с класси­ческих позиций являются труднообрабатываемыми, а также осуществ­лять классически невозможные разновидности криптографии. Кванто­вое вычисление — это качественно новый способ использования приро­ды.

Следующая глава, вероятно, приведет в ярость многих математи­ков. С этим ничего не поделаешь. Математика — это не то, чем они ее считают.

(Читатели, не знакомые с традиционными допущениями относи­тельно определенности математического знания, могут посчитать глав­ный вывод этой главы таковым, что наше знание математической ис­тины зависит от нашего знания физического мира, и не более надежно, чем это знание является очевидным. Возможно, эти читатели предпочтут только просмотреть эту главу и сразу же перейти к обсуждению времени в главе 11).