О чем этот раздел сайта "Тетрадкин-град"? Трудно сказать одной фразой… Но если все-таки попробовать кратко сформулировать, то это попытка осмыслить очень важные для всех нас результаты, полученные квантовой механикой за последние годы. Важные не только в плане практической реализации невиданных технических устройств на волне грядущей «второй квантовой революции», но еще более значимые для нашего мировоззрения как шаг к качественно новому и более глубокому пониманию окружающего мира.

Видимо, требует некоторых пояснений и само название раздела. Что же подразумевается под «квантовой магией»? Основное значение термина «магия» мы определим следующим образом: это любые процессы или явления в окружающем мире, которые не имеют классического аналога. Проще говоря, это такие процессы, которые противоречат всем известным законам классической физики и выходят за рамки наших привычных представлений о реальности.

Сейчас каждый из нас хотя бы в самых общих чертах представляет, что такое обычный компьютер. А что вы скажете насчет компьютера, информационный ресурс которого превышает число частиц во Вселенной (по оценкам специалистов, оно равно 1080), — компьютера, который по своей эффективности превосходил бы обычный ПК примерно во столько же раз, во сколько Вселенная превосходит один атом? Скажете, что это бред, что такое просто немыслимо? И будете неправы! Поскольку в настоящее время работа над такими компьютерами идет полным ходом. Их назвали квантовыми компьютерами. Для этого устройства нужно не так уж много рабочих ячеек памяти, обрабатывающих информацию, — достаточно будет всего лишь нескольких сотен. Скажем, довольно 300 ячеек, чтобы информационный ресурс компьютера примерно на 10 порядков превысил число частиц во Вселенной (2300 = 1090). И весь этот гигантский массив информации будет согласованно изменяться за один рабочий такт. Столь поразительное различие между обычным и квантовым компьютерами объясняется тем, что эффективность последнего растет экспоненциально с увеличением числа его ячеек памяти.

Одним из самых дерзких вызовов, который бросила квантовая физика своей классической предшественнице, является утверждение о наличии в окружающей нас реальности особого типа состояний с удивительными, прямо-таки «сверхъестественными» свойствами и возможностями. Квантовая теория говорит о том, что в природе существует широкий класс состояний, которые не имеют никакого классического аналога, поэтому они никак не могут быть поняты и описаны в рамках классической физики. Это «магические» состояния, которые выходят за все мыслимые рамки с точки зрения наших привычных представлений о реальности. Они получили название запутанных состояний (entangled states). Учет этих состояний, осознание того факта, что они являются неотъемлемой частью реальности, — все это способно коренным образом изменить наше привычное миропонимание и вывести его на качественно новый уровень. Окружающий мир в свете этого нового физического факта оказывается намного богаче того, что преподносит нам классическая физика. В нем происходят объективные процессы, которые и «не снились» в рамках старых представлений, они выходят за пределы даже самой буйной фантазии, встречающейся в фантастических романах.

С понятием запутанного состояния неразрывно связано понятие декогеренции.

Декогеренция — процесс, при котором нарушается когерентность суперпозиционного состояния в результате взаимодействия системы с окружающей средой.

При этом уменьшается квантовая запутанность — распадается полное единство, и исчезает гармония, которая существовала в максимально запутанном состоянии. В результате подсистемы начинают обосабливаться, отделяться друг от друга, вплоть до полной независимости (сепарабельности). При этом происходит их локализация — у каждой подсистемы появляются отдельная, видимая форма и «плотное тело».

Особо подчеркну, что декогеренция — объективный физический процесс, а не просто теория. Именно он создает много сложностей при разработке квантового компьютера, поскольку нарушает когерентную согласованную работу кубитов, лишает устройство его «магических», сверхъестественных способностей. Вследствие декогеренции, вместо внутренней запутанности между кубитами, которой компьютер может управлять и которая полностью ему подвластна, возникает запутанность с окружением. Работать с ней квантовый компьютер не в состоянии.

Для начала давайте сформулируем основной вопрос, который мы хотим прояснить. Как известно, правильно поставленный вопрос — более половины ответа. Попробуем спросить:«Действительно ли окружающий нас мир состоит из обособленных твердых объектов?» Действительно ли мир ограничивается материей и различными физическими полями, которые мы можем воспринимать непосредственно или с помощью классических приборов, и кроме этого ничего не существует? Или все, что мы видим вокруг себя, — лишь незначительная часть более сложной совокупной реальности? На первый взгляд, вопрос может показаться абстрактным, «нефизичным», не имеющим однозначного ответа со стороны физики, которая бы подтверждала свои выводы экспериментами. Такие эксперименты проводились и проводятся, и мы еще будем о них говорить более подробно, и есть однозначные выводы, хотя не все готовы их принять. Но пока не будем торопиться и начнем издалека.

Вопрос об обособленности объектов окружающей реальности, который мы рассматривали в предыдущем параграфе, достаточно четко может быть сформулирован в квантовой теории, и к настоящему времени осуществлена его экспериментальная проверка. Остановимся на этом более подробно.

Такие специфические черты квантовых систем, как нелокальность и квантовая запутанность, не имеют аналога в классической физике, и их проявления кажутся сверхъестественными для тех, кто привык иметь дело с классическим описанием окружающей реальности.

Первым, кто обратил внимание на эти особенности квантовых систем, был Эйнштейн, который в 1935 году на примере запутанных состояний ЭПР-пары пытался доказать неполноту описания мира квантовой механикой. Возможность существования мгновенного действия на расстоянии ему казалась противоестественной, и в этом контексте он употреблял термин «телепатия».

Эйнштейн исходил из привычных представлений, и ему казалось правильным считать, что, если две системы и пространственно разделены, тогда при полном описании физической реальности действия, выполненные над системой А, не должны изменять свойства системы В. Этот принцип часто называют принципом локальности Эйнштейна.

Довольно часто приходится слышать, что эксперименты по проверке неравенств Белла, опровергающие локальный реализм, подтверждают наличие сверхсветовых сигналов. Это говорит о том, что информация способна мгновенно передаваться от одного объекта к другому, удаленному даже на большое расстояние. Невозможность сверхсветовой передачи информации обычно связывают с эйнштейновской локальностью. И, казалось бы, вполне логично заключить, что если локальности нет (что подтверждается экспериментами), то скорость распространения информации может превышать скорость света.

Однако здесь есть некоторые тонкости. Полагаю, что сами термины «передача сигнала» или «передача информации» в данном случае не очень удачны — ничто никуда здесь не передается и не перемещается из одного места в другое. Более правильным является представление, что система по одним степеням свободы может быть сепарабельна (например, по пространственным координатам) и разделена на части, находящиеся в разных пространственных областях, а по другим (спиновым) — нет.

В современной квантовой теории есть еще одно интересное и, я бы сказал, занимательное направление, связанное с коммуникацией и мгновенной передачей информации по квантовому каналу связи на основе квантовой запутанности. Это направление занимается играми, точнее, выигрышными стратегиями при наличии квантового канала, например, между двумя игроками, в то время как другая пара игроков связана обычным классическим каналом.

Я остановлюсь на нем чуть подробнее.

Авторы называют квантовый канал связи между двумя игроками «псевдотелепатией». В аннотации они пишут: «Псевдотелепатия — удивительное приложение квантово-информационных технологий к коммуникации. Благодаря запутанности, возможно, самой неклассической манифестации квантовой механики, два или более квантовых игроков могут выполнять распределенную задачу без потребности в связи вообще, что было бы невозможным подвигом для классических игроков».

Как осторожно замечают авторы, вспоминая при этом эзотерику: «В этом случае телепатия, казалось бы, была не хуже, чем любое другое эзотерическое „объяснение", не так ли?» И чуть далее: «Этот феномен мы называем „псевдотелепатией", потому что он показался бы столь же магическим, как „истинная" телепатия, классическому физику, но все же он имеет полностью научное объяснение — квантовую механику».

С квантовой нелокальностью и мгновенной передачей информации тесно связаны вопросы телепортаци и обращения времени. В 1993 году появилась статья, опубликованная Ч. Беннеттом с соавторами, которая имела весьма необычное название для научной публикации в солидном физическом журнале: уже в самом заголовке употреблялся непривычный для физиков термин «телепортация» — «Телепортация неизвестных квантовых состояний через двойной, классический и ЭПР-канал» («Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels»). Эта работа иногда считается отправной точкой современного прикладного этапа в развитии квантовой механики, в частности, теории запутанных состояний и квантовой теории информации.

К настоящему времени проведено очень много экспериментов по квантовой телепортации. Из последних работ в этой области можно упомянуть эксперимент группы А. Цайлингера по реализации квантовой телепортации через Дунай, то есть на довольно большом расстоянии (600 м). Его результаты опубликованы в Nature.

Как пишут авторы: «Наш результат — шаг к построению квантового повторителя, который даст возможность чистой запутанности быть разделенной между отдаленными сторонами в окружающей среде».

Основополагающим понятием квантовой теории является «состояние». Фактически, квантовая теория и есть наука о состояниях, их количественном описании. Поэтому имеет смысл ознакомиться с трактовкой этого понятия как одной из основных философских категорий.

Философами написано много работ на эту тему. Я остановлюсь на монографии А. Л. Симанова «Понятие „состояние" как философская категория» и попытаюсь сделать ее краткий обзор, уделяя особое внимание позиции философов в отношении данного понятия в квантовой теории.

Книга написана еще в советские годы и отдает положенную дань марксизму-ленинизму, но все же достаточно глубоко раскрывает тему.

Во введении автор выделяет несколько основных подходов к понятию «состояние». Он отмечает, что в некоторых из них состояние отождествляется с его характеристиками, а состояние тела — с самим телом. Он справедливо считает, что прежде чем вводить различные характеристики состояния, необходимо определить само это понятие, так как именно состояние объекта определяет характеристики, а не наоборот.

Что же думают философы насчет категории «состояние» в квантовой физике? Это понятие и его толкование во многом определяют отношение исследователей к квантовой механике. «Состояние» — фактически одно из ключевых понятий, с помощью которых постигается физический смысл квантовой механики. В этом его методологическое и логическое значение.

Сложившийся на основе механистических представлений идеал понимания требовал назвать точные и однозначные характеристики состояния системы в каждый момент времени. Однако в квантовой механике этот идеал был перечеркнут.

Отсутствие ясного философского осмысления понятия «состояние», его философской интерпретации и подмена ее частными научными представлениями поставили перед естествоиспытателями вопрос: что такое «состояние» в квантовой механике, что такое «состояние» вообще?

До недавнего времени квантовой механике удавалось избегать различных «мистических» состояний типа ЭПР-пары или «кота Шредингера». Это делалось, например, за счет той же статистической (ансамблевой) интерпретации. В рамках последней предполагалось, что состояния такого типа возможны лишь для ансамбля частиц, то есть одна частица никак не может находиться в нелокальной суперпозиции, а есть набор обычных частиц в различных состояниях.

Но что делать теперь, когда такие «сверхъестественные» состояния научились реализовывать для отдельных частиц, например, кубитов в квантовом компьютинге? Более того, такие «магические» состояния уже начали работать в технических устройствах.

На сегодняшний день в квантовой теории и в науке в целом сложилась парадоксальная ситуация. Физики обычно реалистично смотрят на мир и предполагают, что все физические понятия и величины, в том числе и вектор состояния, имеют под собой объективную основу. Но, занимая такую позицию, они вынуждены признать объективное наличие в окружающей реальности и всех следствий такого сопоставления. Иными словами — физики должны согласиться с объективным существованием нелокальных эффектов, «телепатии», как выражался Эйнштейн. Некоторые ученые не могут с этим смириться, и вынуждены тогда заявлять, что вектор состояния — это лишь математическое выражение, которое не имеет под собой реальной физической основы.

Наличие в окружающем нас мире «противоестественных» (с классической точки зрения) состояний, объективность их существования подтверждены физическими экспериментами, и этот факт является прямым следствием одного из самых фундаментальных принципов квантовой механики — принципа суперпозиции состояний. Или лучше сказать наоборот: это неотъемлемое свойство природы нашло свое отражение в основном теоретическом принципе квантовой механики. Сформулировать его можно следующим образом.

Принцип суперпозиции состояний: если система может находиться в различных состояниях, то она способна находиться в состояниях, которые получаются в результате одновременного «наложения» друг на друга двух или более состояний из этого набора.

В квантовой теории есть два качественно различных вида суперпозиции в соответствии с тем, что чистые состояния могут описываться вектором состояния, а смешанные — матрицами плотности. Поэтому и накладываться друг на друга могут либо векторы состояния, либо матрицы плотности. Мы пока будем говорить о суперпозиции чистых состояний, чтобы подчеркнуть это обстоятельство, обычно используют выражения «когерентная суперпозиция», «когерентные состояния».

Согласно аксиоматике квантовой механики, состояние— это полное описание замкнутой системы в выбранном базисе, которое формализуется лучом в гильбертовом пространстве (вектором состояния).

Что такое гильбертово пространство, понять довольно просто — это пространство состояний системы, некоторое множество ее возможных состояний. Оно задается набором собственных (базисных, основных) состояний системы, которые нас интересуют в каком-то конкретном случае.

При этом в зависимости от поставленной задачи мы можем выбирать тот или иной набор базисных состояний и записывать различные векторы состояния для одной и той же системы. Например, нас может интересовать, как изменяются пространственные координаты частицы, и тогда выбирается бесконечномерное гильбертово пространство, поскольку координата — непрерывная величина, и с каждой точкой сопоставимо отдельное состояние частицы. Но нас может интересовать иная задача — как у той же частицы ведет себя спин. Тогда можно будет записать уже другой вектор состояния, выбирая в качестве базиса, скажем, два состояния спина, которые возможны для нашей частицы: спин-вверх и спин-вниз. И в том, и в другом случае это будут полные описания, поскольку охватываются все возможные координаты или ситуации со спином. Полнота описания в квантовой теории заключается не в том, что одновременно описывается все, что только возможно для данной системы. Речь о том, что мы имеем полное описание в рамках определенного набора состояний, которые нас интересуют.

Довольно часто в качестве синонима словосочетания «вектор состояния» используют термин «волновая функция». Но различие между ними есть, и я хочу немного пояснить этот момент. Термин «волновая функция» я стараюсь не употреблять, поскольку под ним обычно подразумевается, что вектор состояния является функцией координат и времени. То есть предполагается, что, по умолчанию, в качестве «абсолюта» нам задан пространственно-временной континуум. Лично я считаю, что описание в терминах волновой функции — это не квантовая теория, а классическая, в лучшем случае — полуклассическая с незначительными элементами квантового формализма. В аксиоматике квантовой теории просто нет такого понятия, как пространственно-временные координаты, и в самодостаточной квантовой теории различные пространственно-временные континуумы получаются лишь как естественное следствие процесса декогеренции нелокального источника реальности.

Как уже было сказано, в аксиоматике квантовой механики нет таких понятий, как координата и время. Они могут появиться в одном из представлений, когда мы переходим к нему (например, шредингеровскому) от теоретических абстрактных понятий квантовой механики: вектора состояния, линейных операторов и т. д. Но одно из представлений — это далеко не вся квантовая теория. На мой взгляд, об этом неплохо пишет Дирак в «Принципах квантовой механики» в главе III, которая так и называется «Представления».

Он говорит примерно следующее: после того, как введены основные понятия квантовой механики — вектор состояния, линейный оператор и т. д., встает вопрос о выборе наиболее удобного способа «манипулирования» этими теоретическими, абстрактными объектами. Обычно с этими абстрактными величинами бывает удобно сопоставить числа или совокупность чисел и далее работать уже с этой совокупностью чисел.

Такой переход аналогичен введению в геометрии координат, которые позволяют использовать для решения геометрических задач мощные математические методы.

Но если описание в терминах волновых функций отнести к классической физике, то что же тогда физика квантовая? Где тот водораздел, который четко и однозначно позволяет отделить классическое описание от квантового? Естественно, это не наличие в уравнениях постоянной. Планка, не дуализм волна/частица и т. д. Но что тогда? Ответ на этот вопрос сейчас известен уже не только физикам, но и философам. Можно сослаться на философскую статью, которая, как я считаю, неплохо поясняет, в чем суть основного отличия классической физики от квантовой.

Даже философы начинают понимать, что принципиальное отличие квантовой физики от классической заключается в том, что в квантовой теории учитываются несепарабельные состояния. Автор довольно четко проводит границу между квантовой и классической физикой, совершенно справедливо связывая последнюю с сепарабельными состояниями, относя к ней и все полевые теории, в которых изначально предусмотрено наличие внешних пространственно-временных координат. Все теории физического вакуума и т. д. — это классическая физика, поскольку в них предполагается, что физический вакуум существует в неком пространственно-временном континууме. Иными словами — классический принцип сепарабельности, «отделимости» различных областей физического вакуума заложен в само это понятие изначально. Я бы сказал больше: даже если бы была разработана некая всеобъемлющая Единая Теория Поля, которая, однако, исходила бы из предположения, что это Поле существует в неком внешнем, «абсолютном» пространственно-временном континууме, — то это все равно была бы классическая физика, и до квантовой теории ей было бы далеко.

На Вселенную иногда смотрят как на скопление энергетических полей. Такой взгляд хорошо соответствует представлениям квантовой теории, в которой доказывается, что «все есть энергия», что энергия — это основная величина, определяющая состояние системы (любого размера, вплоть до Универсума), и, исходя из энергетической характеристики объекта, можно определить среднее значение других физических величин, характеризующих систему. Более того, квантовая теория сегодня способна количественно описать, как возникают все эти «скопления энергетических полей», как появляются локальные энергетические объекты с различной плотностью энергии, в том числе и наш плотный предметный мир, из нелокального квантового источника, в котором изначально нет никаких энергетических неоднородностей. Квантовая теория способна описывать как переходы объекта из менее плотного энергетического состояния в более плотное, так и обратный процесс.

В квантовой механике нет таких проблем с понятием «энергия», как в классической физике, где нет четкого и однозначного ее определения. В квантовой теории эта величина вводится непосредственно из аксиоматики квантовой механики, исходя из основополагающего понятия «состояние». Каждому состоянию в квантовой теории соответствует определенное значение энергии, то есть энергия квантуется в соответствии с различными состояниями системы.

В заключение нашего разговора о состояниях остановимся на психологии. Недавно на глаза попалась статья В. Е. Лёвкина «Психические состояния и общее состояние человека» (из серии «Аспекты философии психологии»).

В статье приводится следующее определение: «Психология — это наука о психических процессах, состояниях и свойствах личности». Но «наука о состояниях» — это же и есть квантовая теория! Психологию можно рассматривать как ее частный случай, когда в качестве системы рассматривается личность человека. В квантовой теории системы могут быть произвольными, единственное необходимое условие — чтобы у них существовал набор различных состояний.

Некоторые моменты в этой статье показались мне интересными, к примеру, тот факт, что в психологии существует «энергетический» подход к состояниям. Автор ссылается на А. О. Прохорова, который градуирует состояния по энергетической шкале. В основу такой градации он положил континуум активации Д. Линдсли и шкалу уровней психической активности В. А. Ганзена, В. Н. Юрченко. Такой подход позволил выделить три уровня психической активности с соответствующими им состояниями (психической активности):

В этой главе немного «загрузим» вас математическим формализмом, поскольку мы будем говорить о количественном описании нелокальных корреляций. Не беспокойтесь — ничего сложного, постараюсь дать лишь ключевые моменты, для понимания которых вполне достаточно самых элементарных представлений о матрицах и об основных математических операциях над ними. Если у кого-то возникнут трудности с пониманием математических «закорючек», можно их просто игнорировать. Надеемся, в этой главе вы найдете что-то интересное и кроме них.

Количественное описание нелокальных корреляций, мера квантовой информации и все остальные физические величины вводятся в квантовой теории на основе одного из самых фундаментальных ее понятий — матрицы плотности. Чтобы вы смогли как-то прочувствовать всю значимость этого основного инструмента квантовой теории, проведу параллель с известным фильмом «Матрица». После его выхода на широкий экран этот термин стал довольно популярным, и у многих на слуху. Напомню, что в основе картины лежит фантастический сюжет о борьбе с машинами, которые захватили власть на Земле. Людям кажется, что они живут полноценной жизнью в реальном мире, хотя их физические тела при этом неподвижно лежат в капсулах, а сознание просто «вмонтировано» в гигантский суперкомпьютер. Источником «реальности» для них является Матрица.

Мера квантовой запутанности — это количественная характеристика несепарабельности, числовое значение величины квантовых корреляций и степени нелокальности объекта. По моему мнению, до того, как квантовая теория стала количественно описывать запутанные состояния, она и не была квантовой. Как и классическая физика, она ограничивалась описанием сепарабельных состояний. Можно сказать, что «микроскопом забивали гвозди»: тонкий теоретический инструмент, который позволял заглянуть в самые глубины мироздания, приблизить понимание нелокальных уровней реальности, использовался не по назначению. В прошлом веке квантовая механика «тренировалась», отрабатывала и совершенствовала свои методы на плотной материи, «разминалась» перед прыжком в Тонкий мир. Причем уже в процессе этой своеобразной разминки ее результаты перекрыли все достижения классической физики вместе взятые.

Иногда можно услышать упрек, что квантовая механика все равно не в состоянии дать полное количественное описание какого-нибудь сложного атома или молекулы, поскольку это «неподъемная» задача даже для современных суперкомпьютеров. Здесь опять проскальзывает полуклассический взгляд на квантовую механику как на вспомогательный инструмент для некоторых более тонких расчетов при решении обычной классической многочастичной задачи. Собственно, это упрек, адресованный самой классической физике, которая не может решить эквивалентную (такой же размерности) классическую задачу о системе взаимодействующих тел. Однако авторитет классической физики от этого вовсе не уменьшается.

Когда речь заходит о количественном описании квантовой запутанности, на первый план выходит понятие матрицы плотности. Первой была введена мера квантовой запутанности для самого простого случая — двухчастичной системы в чистом состоянии, то есть мера запутанности между двухуровневыми подсистемами А и B, когда вся система замкнута (находится в чистом состоянии). Основывается эта мера на понятии частичной матрицы плотности и выражается в терминах энтропии фон Неймана:

E(ρA) = — Tr->[ρA log2(ρA)]. 

Здесь ρ— частичная (редуцированная) матрица плотности подсистемы А. Получается она взятием частичного следа по B. С физической точки зрения, взятие частичного следа и получение редуцированной матрицы плотности — это усреднение по всем внешним степеням свободы выделенной подсистемы (по ее внешнему окружению). В некотором отношении это проведение границы между подсистемой и ее окружением, когда подсистема может рассматриваться независимо от него. Мы как бы «вырезаем» нашу подсистему из более сложной структуры и рассматриваем ее в качестве самостоятельного объекта.

«Информация физична» — эти слова сейчас часто можно услышать из уст физиков, и они стали своеобразным девизом исследователей, работающих в физике квантовой информации. И это не тривиальное утверждение — «носителем информации являются физические системы». Эти слова нужно понимать в прямом смысле — информация сама по себе является объективной физической величиной в ряду других — таких как масса, энергия, импульс и т. д. Подчеркну: именно объективной величиной, которая не зависит от того, что мы думаем об этой информации, измеряем ее или нет, и как измеряем, — система все равно будет содержать определенное количество информации, так же как, например, объект материального мира обладает некоторой массой.

В квантовой теории информация — это количественная величина, характеризующая систему. Это не те сведения, которые мы можем получить о системе, измеряя какие-то другие характеристики объекта, скажем, его массу, скорость и т. д. В квантовой теории речь идет не о любой характеристике, а о конкретной, имеющей строгое и однозначное определение. В этом случае об информации говорят как об обычной физической величине, которая может принимать различные значения при изменении состояния системы.

Кубиту в этом разделе сайта отведена исключительно важная роль, поэтому вернемся к нему еще раз — теперь уже с привлечением матрицы плотности, которая помогает глубже понять, что такое кубит, и более подробно его описывает.

Пространство двух состояний, когда система может переходить из одного состояния в другое (двухуровневая система), является простейшим гильбертовым пространством. Когда система имеет одно состояние, и оно не меняется, то вообще не имеет смысла говорить о применении методов квантовой теории к такой системе и об описании ее в терминах состояний.

Если базисные векторы такого элементарного двухмерного пространства состояний обозначить |0ñи |1ñ, то в самом общем виде вектор состояния двухуровневой системы может быть записан в виде:

Квантовая теория помогает глубже вникнуть в смысл некоторых хорошо известных понятий, которыми оперируют эзотерическая литература и восточная философия. Это относится, например, к понятию Инь/Ян, которое тщетно пытается охватить западный рациональный ум с целью вписать в рамки классических представлений, в то время как в терминах квантовой теории эта неуловимая двойственность выражается очень просто: Инь/Ян — это когерентная суперпозиция двух альтернативных состояний.

Очень многое свидетельствует в пользу того, что Инь/Ян соответствуют простейшему случаю двухуровневой системы в квантовой механике, то есть системы с двумя ортогональными состояниями (например, с максимальной и минимальной энергией). Это и есть описание в терминах кубита (как вектора состояния двухуровневой системы) в виде суперпозиции двух взаимоисключающих состояний. С одной стороны, Инь/Ян составляют единое целое, и одно из них невозможно выразить через другое. Но, с другой стороны, можно говорить об их корреляциях, о возможности их перераспределения в системе, о переходах между уровнями, о «шевелении» коэффициентами-амплитудами в векторе состояния, то есть о движении вектора состояния кубита по сфере Блоха.

Мы уже неоднократно касались понятия «сознание», и я высказывал предположение, что этот феномен можно попытаться описать методами квантовой теории. Для этого необходимо сформулировать несколько конструктивных определений. Конструктивных в том плане, что они должны формулироваться в физических терминах (в терминах состояний), чтобы была возможность ввести их в общую физическую модель.

Квантовая теория — это инструмент. И можно ли применить его, определяет одно условие — есть ли различные состояния у рассматриваемого объекта, поскольку квантовая механика оперирует состояниями и хорошо под них «заточена». Если мы готовы признать, что одной из характеристик сознания являются различные его состояния, то этого достаточно, чтобы попытаться применить теоретические методы квантовой механики. Сможем ли мы узнать для себя что-то новое, если подойдем к сознанию с точки зрения квантового описания? Вопросом, возможно ли при этом «постичь смысл» сознания, пока задаваться не стоит. Естественно, что квантовая механика, как и любая другая теория, ограничена и не может показать «истинное положение вещей». Но на то, что квантовомеханический подход способен дать какие-то новые дополнительные штрихи для более глубокого понимания особенностей и закономерностей функционирования сознания, надеяться можно.

Наша Матрица, о которой мы так много говорим в этой главе (матрица плотности), помогает найти ответ на еще один извечный вопрос, который занимал умы людей на протяжении всей истории человечества. Представление о двуединой природе человека широко распространено в религиозных и эзотерических учениях. Человек дуален и, помимо тварного, тленного тела, имеет также и вечный бессмертный дух. Часто также приходится сталкиваться с мнением, что двойственна природа всех окружающих тел, что все объекты имеют некий «шаблон» — наряду с их плотной составляющей существуют «идеальные формы», или «идеи», «образы» тех или иных тел. Можно ли эту двойственную природу всех систем увидеть в квантовомеханическом описании? Оказывается, можно, и довольно просто.

В терминах квантовой теории эта задача формулируется следующим образом: можно ли произвольную матрицу плотности разложить на две составляющие, одна из которых постоянна и не зависима ни от каких параметров (вечная и неизменная), а вторая — динамическая составляющая, зависящая от параметров.

Сфера Блоха позволяет более наглядно представить, каким образом наш материальный мир оказывается «вложенным» во всеохватывающую квантовую реальность и то, как объясняет современная физика процесс возникновения классической реальности в результате декогеренции.

Войцех Зурек в своей статье иллюстрирует этот момент следующим образом.

Пусть наша система принимает два возможных значения (положения) — «вверх» и «вниз» вдоль вертикальной оси Z. Точки на этой оси в пределах сферы — совокупность классических состояний, которые могут быть проявлены в результате декогеренции. Это «классический домен», который составляет небольшую часть из всех возможных состояний системы. Вся остальная часть объема сферы Блоха — это квантовый домен.

Весь классический мир, со всей своей материей, веществом и физическими полями — всего лишь одна малюсенькая и совсем незначительная точка на оси Z. Все, что многие считают основой мироздания и единственно существующей объективной реальностью, в квантовой теории — всего лишь проекция, «бледная тень», падающая от вектора состояния на ось квантования при эволюции более сложной совокупной квантовой реальности, при повороте вектора состояния и его движении по поверхности сферы Блоха.

Теперь, когда вы достаточно хорошо представляете себе, что такое кубиты, рассмотрим, каким же образом они реализуются в физических системах и, прежде всего, в качестве ячеек памяти (регистров) квантового компьютера. В этом разделе сделаем краткий обзор научных публикаций, касающихся практической реализации квантового компьютера, и приведу мнение ученых насчет того, когда же можно ожидать его воплощения «в железе», и когда будет налажено его коммерческое производство.

Основные работы над аппаратным обеспечением (hardware) квантового компьютера продвигаются в следующих направлениях:

● создание квантового процессора;

● создание устройств для хранения квантовой информации (квантовая память);

● разработка квантовой шины для обмена информацией.

Сразу стоит отметить, что это лишь аналоги соответствующих устройств кл-ссического компьютера, которые будут существенно от них отличаться.

Наибольшие усилия и средства в настоящее время направлены на решение первого вопроса, и здесь достигнуты значительные успехи. При разработке квантового процессора необходимо, прежде всего, выбрать физическую систему, физическую основу процессора, которая ->бы отвечала следующим требованиям.

Еще недавно некоторые ученые выражали сожаление о том, что с наибольшей интенсивностью ведутся работы над квантовым процессором, а другим необходимым компонентам квантового компьютера исследователи уделяют гораздо меньше внимания. Звучали, например, такие слова: «…Квантовые компьютеры не могут работать без средств хранения информации того или иного рода. Все трудятся над созданием процессоров, а проблему создания памяти решают считанные единицы». Это высказывание принадлежит Филиппу Хеммеру из компании Texas A&M.

Квантовая информация может храниться не только в спиновых системах наподобие «изолятора Мотта», но и в виде отдельных фотонов. В самом деле, такие приложения, как квантовая криптография, используют фотоны в качестве носителей информации.

Top.Mail.Ru Яндекс.Метрика