Квантовые вычисления со времен Демокрита - Скотт Ааронсон

Даже если мы не знаем всех подробностей, существует ли непременно некая «истина» о том, что произошло в истории, о том, по какой траектории двигался мир к своему нынешнему состоянию? Или прошлое «существует» лишь постольку, поскольку отражается в настоящем в виде воспоминаний и записей?

Безусловно, последняя точка зрения более естественна в квантовой механике. Но, как указывал Джон Белл[88], если мы воспримем ее серьезно, то всякая научная деятельность покажется сложной, если не невозможной! Ибо что можно будет назвать словами сделать предсказание, если нет никакой логической связи между прошлым и будущим состояниями, — если к тому моменту, когда вы закончите читать это предложение, вы, возможно, окажетесь в дождевом лесу на Амазонке, и в памяти у вас появятся все нужные воспоминания о путешествии туда, а все воспоминания о чтении книги про квантовые вычисления, понятное дело, исчезнут?

Эй, вы все еще здесь? Отлично!

Смотрите: все мы смеемся над креационистами, уверенными, что мир возник 3 октября 4004 г. до н. э. в 9 часов утра (вероятно, по вавилонскому времени), сразу с готовыми окаменелостями в горных породах, со светом далеких звезд на полпути к нам и т. п. Но если безоговорочно принять обычную картину квантовой механики, то ситуация, в определенном смысле, окажется много хуже: получится, что мир (такой, каким мы его воспринимаем) вполне мог не существовать 10–43 секунд назад!

История 1. Декогеренция

Стандартным ответом на подобные сложности является апелляция к мощной идее под названием декогенерция. Декогеренция пытается объяснить, почему мы не замечаем «квантовых странностей» в повседневной жизни, почему мир нашего чувственного опыта более или менее соответствует классическим законам. С точки зрения декогеренции мы, конечно, можем не иметь объективных данных о том, через которую из двух щелей просочился электрон, зато у нас имеются объективный факт о том, то мы ели на завтрак сегодня утром, — оказывается, это две большие разницы!

Основная идея здесь в том, что, как только информация, зашифрованная в квантовом состоянии, «просачивается» во внешний мир, это состояние локально начинает выглядеть как классическое. Иными словами, с точки зрения локального наблюдателя не существует разницы между классическим битом и кубитом, который безнадежно запутан с остальной Вселенной.

Итак, к примеру, пусть у нас есть кубит в состоянии

Предположим, что этот кубит запутывается со вторым кубитом, чтобы образовать следующее общее состояние:

Если мы теперь забудем про второй кубит и будем смотреть только на первый, то первый кубит будет находиться в том, что физики называют максимально смешанным состоянием:

(Некоторые другие просто называют его классическим случайным битом.) Иными словами, какое бы измерение вы ни проводили над первым кубитом, вы получите просто случайный результат. Вы никогда не увидите интерференции между «ветвями» волновой функции, описываемыми членами |00〉 и |11〉. Почему? Потому что, согласно квантовой механике, две ветви будут интерферировать только в том случае, если станут идентичными во всех отношениях. Но способа сделать |00〉 идентичным |11〉 путем изменения одного только первого кубита просто не существует. Второй кубит всегда будет напоминать о разном происхождении наших потенциальных возлюбленных.

Чтобы увидеть рисунок интерференции, вам необходимо произвести совместное измерение этих двух кубитов. Но что, если второй кубит — это случайный фотон, пролетевший через вашу лабораторию по пути к галактике Андромеды? В самом деле, если подумать обо всем том мусоре, который может впутаться в ваш тонкий эксперимент, — эти молекулы воздуха, и космические лучи, и геотермальное излучение… ну, все что угодно, я не экспериментатор — это как если бы вся остальная Вселенная постоянно пыталась «измерить» ваше квантовое состояние и тем самым превратить его в классическое! Конечно, даже если ваше квантовое состояние и правда схлопнется (то есть спутается с остальным миром), вы, в принципе, сможете его вернуть, — если соберете по Вселенной все те частицы, с которыми спуталось ваше состояние, а затем обратите всё, что произошло с момента схлопывания. Это как если бы Памела Андерсон попыталась вновь отвоевать себе право на частную жизнь, отследив на Земле каждый компьютер, в котором могут оказаться ее фотографии!

Если мы примем эту картину, то получим объяснение двух вещей:

1. Самым очевидным образом это объясняет, почему в повседневной жизни мы, как правило, не видим, как объекты квантово интерферируют со своими двойниками из параллельных вселенных. (Если, конечно, мы не живем в темной комнате с двумя щелями в стене…) По существу, это та же причина, по которой мы не видим, как взбитые яйца восстанавливают свою целостность.

2. И в качестве обратной стороны монеты: эта картина объясняет также, почему так трудно построить квантовый компьютер: потому что при этом мы должны не только не допустить просачивания ошибок в компьютер, мы должны не дать компьютеру просочиться в окружающий мир! Мы сражаемся с декогеренцией — одним из самых вездесущих процессов во Вселенной. В самом деле, именно потому, что декогеренция так могущественна, многие физики воспринимают теорему о квантовой устойчивости к ошибкам[89] как настоящий шок. (Теорема об устойчивости к ошибкам говорит примерно следующее: если скорость декогеренции на кубит на квантовый вентиль ниже некоторого постоянного порога, то в принципе можно корректировать ошибки быстрее, чем они возникают, и таким образом производить сколь угодно длинные квантовые вычисления.)

Как же обстоит дело с упоминавшимся уже мысленным экспериментом — тем самым, где мы помещаем ваш мозг в когерентную суперпозицию наблюдения синей точки и красной точки, а затем спрашиваем о вероятности того, что вы увидите, как точка меняет цвет? С точки зрения декогеренции можно сделать вывод, что такой мысленный эксперимент совершенно нелеп, поскольку мозг — это большая, громоздкая штука, непрерывно испускающая электрические сигналы, и потому любая квантовая суперпозиция двух схем срабатывания нейронов непременно схлопнется (то есть спутается с остальной Вселенной) за какие-то наносекунды.

Прекрасно, мог бы возразить скептик. Но что, если в далеком будущем появилась бы возможность загрузить мозг целиком в квантовый компьютер, а затем поместить этот квантовый компьютер в суперпозицию наблюдения красной точки и синей точки? А? Какой тогда будет вероятность, что «вы» (то есть тот самый квантовый компьютер) увидите, как точка меняет цвет?

Когда много лет назад я задал этот вопрос Джону Прескиллу, он ответил, что сама декогеренция — иными словами, приблизительно классическая вселенная — представляется ему важным компонентом субъективного опыта, как мы его понимаем. И потому, если искусственно устранить декогеренцию, то, может, вовсе не будет