Книга шифров. Тайная история шифров и их расшифровки - Сингх Саймон - Страница 86

Неважно, выбираем ли мы суперпозицию или многомировую интерпретацию, квантовая теория является сложной философской доктриной. Но несмотря на свою сложность, она показала себя самой успешной и практичной научной теорией, которая когда-либо появлялась. Квантовая теория помимо того, что способна объяснить результат, полученный в эксперименте Юнга, успешно объясняет и множество других явлений. Только квантовая теория дает возможность физикам рассчитать последствия ядерных реакций в атомных электростанциях; только квантовая теория может дать объяснение чудесам ДНК; только квантовая теория объясняет, почему светит Солнце; только квантовая теория может применяться при разработке лазера для считывания компакт-дисков в вашей стереосистеме. Так что нравится нам это или нет, но мы живем в квантовом мире.

Из всех следствий квантовой теории самым технически важным является, по-видимому, квантовый компьютер, который помимо того, что разрушит стойкость всех современных шифров, возвестит приход новой эры вычислительных возможностей. Одним из пионеров квантовых вычислений был Дэвид Дойч, британский физик, начавший трудиться над этим принципом в 1984 году после участия в конференции по теории вычислений. Слушая на конференции одно из выступлений, Дойч обнаружил нечто такое, на что ранее не обращали внимания. Неявно предполагалось, что все компьютеры действовали по законам классической физики, но Дойч был убежден, что на самом деле компьютеры должны подчиняться законам квантовой физики, так как квантовые законы являются более фундаментальными.

Обычные компьютеры действуют на относительно макроскопическом уровне, а на этом уровне в законах квантовой и классической физики почти нет отличий. Поэтому не имело значения, что ученые, как правило, рассматривали обычные компьютеры с точки зрения классической физики. Однако на микроскопическом уровне возникают различия в этих двух совокупностях законов, и на этом уровне применимы только законы квантовой физики. На микроскопическом уровне квантовые законы демонстрируют свою истинную фантастичность, и компьютер, созданный на основе этих законов, станет вести себя совершенно по-иному. После конференции Дойч вернулся домой и принялся за переработку теории компьютеров в свете квантовой физики. В статье, опубликованной в 1985 году, он дал свое видение квантового компьютера, действующего по законам квантовой физики. В частности, он объяснил, чем его квантовый компьютер отличается от обычного компьютера.

Рис. 72 Дэвид Дойч

Представьте, что у вас есть два варианта вопроса. Чтобы ответить на оба с помощью обычного компьютера, вам нужно будет ввести первый вариант и дождаться ответа, а затем ввести второй вариант и снова ждать ответ. Другими словами, обычный компьютер может в каждый момент времени работать только с одним вопросом, а если есть несколько вопросов, то работать с ними придется последовательно. Однако при использовании квантового компьютера оба варианта могут быть объединены в виде суперпозиции двух состояний и заданы одновременно, а машина сама после этого введет суперпозицию обоих состояний, по одному на каждый вариант. Или, в соответствии с многомировой интерпретацией, машина введет два различных мира и даст ответ по каждому варианту вопроса в различных мирах. Но безотносительно к интерпретации, квантовый компьютер может в одно и то же время обрабатывать два варианта, используя законы квантовой физики.

Чтобы получить представление о возможностях квантового компьютера, мы можем сравнить его эффективность с эффективностью работы обычного компьютера, посмотрев, что происходит, когда каждый из них используется для решения конкретной задачи. К примеру, компьютеры обоих типов могут решать задачу нахождения такого числа, в квадрате и кубе которого будут присутствовать, но ни разу не повторяться, все цифры от 0 до 9. Если мы проверим число 19, то получим, что 192 = 361, а 193 = 6859. Это число не удовлетворяет нашему требованию, поскольку в его квадрате и кубе используются только цифры 1, 3, 5, 6, 6, 8 и 9, то есть цифр 0, 2, 4 и 7 нет, а цифра 6 повторяется дважды.

Для решения этой задачи с помощью обычного компьютера оператор должен применить следующий подход. Оператор вводит число 1 и дает возможность компьютеру проверить его. После того как компьютер выполнит необходимые вычисления, он сообщает, удовлетворяет ли данное число критерию или нет. Число 1 критерию не удовлетворяет, поэтому оператор вводит число 2 и дает возможность компьютеру выполнить очередную проверку и так далее, пока не будет в конце концов найдено соответствующее число. Оказывается, что это будет число 69, поскольку 692 = 4761, а 693 = 328509, и в эти числах действительно по одному разу используется каждая из десяти цифр. На самом же деле 69 является единственным числом, удовлетворяющим нашему требованию. Ясно, что такой процесс занимает много времени, так как обычный компьютер может в каждый момент времени проверять только одно число. Если на проверку каждого числа компьютер затрачивает одну секунду, то, чтобы найти ответ, ему понадобится 69 секунд. Квантовому же компьютеру для нахождения ответа потребуется всего лишь 1 секунда.

Оператор начинает с того, что представляет числа особым образом с тем, чтобы воспользоваться мощью квантового компьютера. Один из способов заключается в представлении чисел посредством вращающихся частиц: многие элементарные частицы обладают собственным спином, и они могут вращаться либо с запада на восток, либо с востока на запад[34], подобно баскетбольному мячу, крутящемуся на кончике пальца. Когда частица вращается с запада на восток, она обозначает 1, а когда вращается с востока на запад, то 0. Поэтому последовательность вращающихся частиц представляет собой последовательность единиц и нулей, или двоичное число. К примеру, семь частиц, вращающихся соответственно на восток, восток, запад, восток, запад, запад, запад, сообща образуют двоичное число 1101000, которое соответствует десятичному числу 104. Комбинация из семи частиц, с учетом спинов, может представлять собой любое число между 0 и 127.

При использовании обычного компьютера оператор вводит одну конкретную последовательность спинов, например, на запад, запад, запад, запад, запад, запад, восток, которая соответствует числу 0000001, или просто десятичному числу 1. Далее оператор ждет, пока компьютер проверит это число, чтобы выяснить, удовлетворяет ли оно указанному выше критерию. После этого оператор вводит 0000010, что соответствует последовательности вращающихся частиц, обозначающих 2, и так далее. Как и раньше, числа должны будут вводиться каждый раз по одному, что, как мы знаем, потребует много времени. Однако если мы имеем дело с квантовым компьютером, у оператора имеется альтернативный, гораздо более быстрый способ ввода чисел. Поскольку каждая частица является элементарной, она подчиняется законам квантовой физики. Поэтому когда частица не наблюдаема, она может задать суперпозицию состояний, которая означает, что она вращается одновременно в обоих направлениях и тем самым представляет одновременно и 0, и 1. Или же мы можем представить себе частицу, которая попадает в два разных мира; в одном мире она вращается с запада на восток и представляет собой 1, в то время как в другом она вращается с востока на запад и представляет собой 0.

Суперпозиция достигается следующим образом. Представьте, что мы можем наблюдать за одной из частиц — она вращается с востока на запад. Чтобы изменить ее спин, мы выстрелим мощным импульсом энергии, достаточным, чтобы частица стала вращаться с запада на восток. Если бы мы выстрелили более слабым импульсом, то иногда нам бы посчастливилось и частица изменила бы спин, а иногда нас бы постигла неудача и частица сохранила бы свое вращение с востока на запад. Вплоть до этого момента частица была все время на виду и мы могли проследить за ее движением. Однако если мы поместим вращающуюся с востока на запад частицу в ящик, где не сможем наблюдать за ней, и выстрелим в нее слабым импульсом энергии, то мы не будем иметь понятия, изменился ли ее спин. Частица перейдет в суперпозицию спинов с вращением с запада на восток и с востока на запад, аналогично тому, как кошка попадает в суперпозицию мертвая-живая. Если взять семь вращающихся с востока на запад частиц, поместить их в ящик и выстрелить в них семью слабыми импульсами, то все семь частиц перейдут в суперпозицию.