Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки - Сет Ллойд

Теперь вы знаете, как разговаривать с атомами. Облучая атом лазером, можно управлять его состоянием. Можно непрерывно проводить атом через последовательность состояний суперпозиции; можно возбудить его, заставляя поглотить фотон, и вернуть обратно из возбужденного состояния, заставляя испустить фотон. Мы также знаем, как заставить атом нам отвечать. Управляя циклическими переходами, можно спросить атом, содержит ли он 0 или 1, и получить ответ. Все это значит, что теперь мы получили возможность создавать новые биты.

Возьмем атом и подействуем на него лазером, чтобы перевести в суперпозицию |0> + |1>. Теперь запустим циклический переход, чтобы увидеть, находится ли атом в состоянии 0 или в состоянии 1. Если состояние атома 0, он будет флуоресцировать; если его состояние 1, он останется темным. Мы подбросили квантовую монетку и создали совершенно новый бит.

Разговор с атомом посредством циклического перехода измеряет состояние атома и создает информацию. Конечно, как и в предыдущей главе, то, что происходит во время измерения, открыто для интерпретации. Если рассматривать измерения как коллапс волновой функции, волновая функция атома, взятого вместе с фотонами, коллапсирует либо до состояния |0, есть флуоресценция>, либо до состояния |1, нет флуоресценции>.

В интерпретации декогерентных историй состояние атома вместе с фотонами находится в суперпозиции |0, есть флуоресценция> + |1, нет флуоресценции>. Каждое из состояний в этой суперпозиции соответствует декогерентной истории. В нашем случае истории чрезвычайно декогерентны. Чтобы сделать их когерентными, нужно было бы собрать все фотоны, испущенные атомом, отразить их назад и заставить атом повторно их поглотить. Для этого нужен своего рода демон Лошмидта, способный изменять последовательность событий во времени. Но обратить фотоны, рассеянные по всей Вселенной, трудно (если вы сомневаетесь – валяйте, обратите их!). Из-за того что два состояния в суперпозиции декогерентны, атом и фотон ведут себя так, как будто они находятся или в одном состоянии, или в другом, и мы действительно создаем совершенно новый бит, никогда не существовавший прежде.

Квантовые вычисления

Если облучить атом светом, фотоны которого обладают подходящей энергией, можно заставить атом изменить состояние из |0> в |1> и обратно. Так мы инвертируем бит атома. Другими словами, мы выполняем логическую операцию «не». В статье «Потенциально реализуемый квантовый компьютер» (A Potentially Realizable Quantum Computer), опубликованной в 1993 г. в журнале Science, я показал, что немного более сложный набор последовательностей лазерных импульсов, чем используемый для операции «не», позволяет атомам выполнять логические операции «и», «или» и «копировать» – точно так же, как в обычных цифровых вычислениях. Каждый атом хранит один бит, и набор атомов может вычислять все, что может вычислять обычный PC или Mac.

Но атомы могут сделать намного больше, чем обычный PC или Mac. Атомы могут хранить нечто большее, чем биты; они могут хранить кубиты. В отличие от классических битов, кубиты могут находиться в квантовых суперпозициях |0> и |1>, то есть они могут быть в состоянии 0 и 1 в одно и то же время. Можно ли каким-то образом использовать эти квантовые суперпозиции для вычислений, которые не могут делать классические компьютеры? Этот вопрос впервые поднял Дэвид Дойч в середине 1980-х гг., но ответ на него был найден только в начале 1990-х. И этот ответ – да.

Чтобы увидеть, почему квантовые компьютеры и квантовые биты могут сделать больше, чем классические компьютеры и классические биты, давайте вспомним, что делают биты в компьютере. Некоторые из них, например биты на жестком диске компьютера или в его памяти, просто хранят информацию. Например, биты в памяти моего компьютера получают и хранят этот текст, по мере того как я его печатаю. Другие биты, например биты компьютерных программ, являются инструкциями или командами. Они велят компьютеру делать то или другое. Функционирует ли бит как бит памяти или как бит команды, зависит от контекста, в котором он используется.

Рассмотрим бит, который компьютер интерпретирует как команду: 0 означает «Делай это!», а 1 означает «Делай то!» «Это» может быть, скажем, «прибавь 2 к 2», а «то» может быть «прибавь 3 к 1». Или «это» может означать «отправь электронное письмо», а «то» – «открой веб-браузер».

В отличие от классического бита, квантовый бит может содержать 0 и 1 в одно и то же время. Что делает квантовый компьютер, когда он пытается интерпретировать такой кубит как команду? Часть суперпозиции, обозначаемая нулем, говорит квантовому компьютеру: «Делай это», а часть суперпозиции, соответствующая единице, говорит: «Делай то». Как же квантовый компьютер решает, что ему делать? А никак! Он делает «то» и «это» одновременно! Как квантовый бит может хранить два значения сразу, так и квантовый компьютер может выполнять два вычисления одновременно.

Дэвид Дойч назвал эту парадоксальную способность квантового компьютера делать две вещи сразу «квантовым параллелизмом». Квантовый параллелизм очень отличается от обычных классических параллельных вычислений. Классический параллельный компьютер состоит из нескольких процессоров, соединенных вместе. При классическом параллельном вычислении один процессор выполняет одну задачу, а другие процессоры выполняют другие задачи. В случае квантового параллелизма один квантовый процессор выполняет несколько задач сразу.

Эта способность делать две вещи сразу присуща именно квантовой механике. В двухщелевом эксперименте фотон может пройти через обе щели сразу; кубит может хранить 0 и 1 в одно и то же время; квантовый компьютер может выполнять две разных задачи одновременно. Способность делать две вещи сразу является результатом волновой природы квантовой механики. Каждое возможное состояние квантовой системы соответствует волне, а волны могут накладываться друг на друга.

Мы все знакомы с ситуациями, где наложение волн приводит к качественно новым и более богатым явлениям. Рассмотрим звуковые волны. Волна, колеблющаяся вверх и вниз на определенной частоте, соответствует чистому тону. Звуковая волна, колеблющаяся вверх и вниз 440 раз в секунду, соответствует звуку ноты «ля» первой октавы. Звуковая волна, колеблющаяся вверх и вниз 330 раз в секунду, дает звук ноты «ми» первой октавы. Суперпозиция этих двух волн соответствует аккорду, который обладает качественно иным, более богатым звуком, чем звук любого чистого тона, взятого отдельно. Богатство звука возникает благодаря интерференции, наложению этих двух чистых тонов.

Классическое вычисление похоже на сольную партию – отдельные строки чистых тонов, следующие друг за другом. Квантовое вычисление похоже на симфонию, состоящую из множества строк тонов, интерферирующих друг с другом. Именно это явление интерференции придает квантовому вычислению его особые качества и дополнительную мощь.

Квантовые вычисления не ограничиваются всего двумя «партиями». Как и симфония, квантовое вычисление становится богаче и сильнее, создавая сложные последовательности аккордов. Например, предположим, что на вход компьютера подается «кутрит» с тремя возможными состояниями: 0, 1 и 2. Состояние 0 инструктирует квантовый компьютер «делать это», состояние 1 инструктирует его «делать то», а состояние 2 инструктирует его «делать что-то еще». Если «это» означает «прибавить 2 к 2», а «то» означает «прибавить 3 к 1», то «что-то другое» может означать «прибавить 4 к 0». Когда квантовому компьютеру на вход подают суперпозицию всех трех инструкций, он начинает делать «это», «то» и «что-то другое» сразу. В нашем примере компьютер одновременно исследует все возможные способы получить 4 как сумму неотрицательных целых чисел. Такое квантовое вычисление похоже на трио, где три волны интерферируют, накладываются друг на друга, а три вычисляющих «голоса» сотрудничают над разложением числа 4 на слагаемые и делают это быстрее, чем мог бы сделать один вычисляющий «голос».

Количество вещей, которые одновременно может делать квантовый компьютер – число голосов в симфонии квантового вычисления – быстро растет с увеличением числа входных битов. Даже небольшое количество кубитов может создать чрезвычайно богатую фактуру интерферирующих волн в ходе вычисления. Квантовый компьютер, получивший на входе 10 кубитов, может делать 1024 (210) вещей сразу. Квантовый компьютер, получивший 20 кубитов, может сделать 1 048 576 (220) вещей сразу. При 300 кубитах на входе он может одновременно сделать больше вещей, чем элементарных частиц во всей Вселенной. Квантовый параллелизм позволяет даже относительно маленькому квантовому компьютеру, содержащему всего несколько сотен кубитов, одновременно исследовать огромное количество возможностей.

И снова проблема измерения