Квантовые компьютеры

По существу, судьба квантовой телепортации тесно связана с судьбой проектов по разработке квантовых компьютеров. Оба направления пользуются одними и теми же законами квантовой физики и одинаковыми технологиями, поэтому между ними идет постоянный и очень активный обмен идеями. Квантовые компьютеры, возможно, когда-нибудь полностью заменят на наших столах привычные цифровые компьютеры. Более того, однажды может оказаться, что от этих компьютеров зависит будущее мировой экономики, поэтому данные технологии представляют громадный коммерческий интерес. Новые технологии, созданные на базе квантовых технологий, придут на смену современным технологиям, и Силиконовая долина, вполне возможно, уйдет в прошлое вслед за столицами американского автопрома.

Обычные компьютеры считают в двоичной системе счисления и оперируют только нулями и единицами, которые называются битами. Но квантовые компьютеры гораздо мощнее. Они могут оперировать кубитами, или квантовыми битами, которые могут принимать и промежуточные между 0 и 1 значения. Представьте себе атом, помещенный в магнитное поле. Он крутится как волчок, и ось его вращения может указывать вверх или вниз. Здравый смысл говорит нам, что спин атома может быть направлен вверх или вниз, но никак не в обе стороны одновременно. Но в странном мире квантов атом описывается как сумма обоих этих состояний, как суперпозиция атома с положительным спином и атома с отрицательным спином. В нечеловеческом мире квантов каждый объект описывается как сумма всех возможных состояний. (Если вы хотите дать квантовое описание крупного объекта, например кошки, это означает, что вам придется сложить волновую функцию живой кошки с волновой функцией мертвой кошки, так что в результате получится кошка, одновременно мертвая и живая, о чем я расскажу подробнее в главе 13.)

Теперь представьте себе цепочку атомов, выстроенных в магнитном поле, так что спины всех атомов направлены в одну сторону. Если осветить эту цепочку атомов лазерным лучом, то луч отразится от атомов, перевернув при этом оси вращения некоторых из них. Измерив разницу между первоначальным и отраженным лазерными лучами, мы получим результат сложной квантовой вычислительной операции, которая представляет собой переворот осей вращения множества атомов.

Квантовые компьютеры еще не вышли из младенческого возраста. Максимум, что удалось пока посчитать квантовому вычислителю, — это 3 х 5 = 15. Едва ли можно считать это серьезной заявкой на вытеснение сегодняшних суперкомпьютеров. У квантовой телепортации и квантовых компьютеров один и тот же фатальный недостаток: необходимость поддерживать когерентность большого количества атомов. Решение этой проблемы привело бы к громадному рывку вперед в обеих областях.

ЦРУ и другие секретные организации проявляют к квантовым компьютерам активный интерес. Основой для большинства секретных кодов мира служит «ключ», представляющий собой очень большое целое число, который необходимо разложить на простые сомножители. И если ключ представляет собой произведение двух стозначных чисел, то цифровому компьютеру может потребоваться больше ста лет, чтобы найти эти два сомножителя, не имея никаких дополнительных данных. На данный момент такие коды можно считать практически не поддающимися взлому.

Но в 1994 г. Питер Шор из Лаборатории Белла показал, что для квантового компьютера разложение на множители было бы детской игрой. Понятно, что это открытие мгновенно подогрело интерес разведывательного сообщества. В принципе, квантовый компьютер способен был бы взломать все коды в мире и полностью разрушить систему безопасности современных компьютеров. Первая страна, которой удастся создать подобную систему, может рассчитывать на проникновение в глубочайшие тайны других стран и организаций.

Некоторые ученые предполагают, что в будущем мировая экономика может оказаться полностью зависимой от квантовых компьютеров. Ожидается, что цифровые компьютеры на базе кремниевых технологий достигнут физического предела — в смысле роста вычислительной мощности—где-то после 2020 г. И чтобы техника продолжала развиваться, потребуется, скорее всего, создавать новые, еще более мощные семейства вычислительной техники. Другие ученые надеются воспроизвести при помощи квантовых компьютеров мощь человеческого мозга.

Таким образом, ставки чрезвычайно высоки. Если удастся решить проблему когерентности, то нам, возможно, покорится не только телепортация. Не исключено, что квантовые компьютеры дадут нам возможность развивать самые разные технологии в неизвестных пока и слабо предсказуемых направлениях. Прорыв в этой области настолько важен, что в следующих главах я еще не раз вернусь к обсуждению данной темы.

Как я уже указывал, когерентность чрезвычайно трудно поддерживать в лаборатория. Даже самая слабая случайная вибрация способна нарушить когерентность двух атомов и свести на нет все усилия. Сегодня нам с трудом удается поддерживать когерентность хотя бы горстки атомов. Атомы, первоначально находившиеся «в фазе», начинают терять синхронность уже через несколько наносекунд; в лучшем случае они удерживаются в этом состоянии до секунды. Телепортацию необходимо проводить очень быстро, прежде чем атомы начнут терять синхронность, и это еще один ограничивающий фактор для квантовых вычислений и телепортации.

Несмотря на все препятствия, Дэвид Дойч из Оксфордского университета уверен, что эти проблемы можно решить: «Если повезет, при помощи последних теоретических достижений на создание [квантового компьютера] потребуется, возможно, куда меньше 50 лет... Это был бы совершенно новый способ обуздания природы».

Чтобы построить реальный квантовый компьютер, нам потребуется от сотен до миллионов атомов, колеблющихся в унисон; на сегодняшний день нам еще далеко до подобных достижений. Сейчас телепортация капитана Кирка была бы астрономически трудным делом. Для этого нам пришлось бы установить квантовую запутанность с копией-близнецом капитана Кирка. Даже с учетом нанотехнологий и новейших компьютеров трудно представить себе, как это можно сделать на практике.

Итак, на атомном уровне телепортация уже существует, и вполне возможно, что уже в течение нескольких ближайших десятилетий мы научимся телепортировать сложные и даже органические молекулы. А вот телепортации макроскопических объектов после этого придется ждать значительно дольше — от нескольких десятилетий до нескольких столетий, а то и больше, если эта процедура вообще возможна.

Поэтому телепортацию сложных молекул, может быть, даже вирусов или живых клеток, следует отнести к I классу невозможности, что означает: решения этой задачи следует ожидать еще в настоящем столетии. Но телепортация человека, хотя и не противоречит законам физики, вряд ли будет реализована в ближайшее время. На решение этой задачи — при условии, что решение вообще существует, — может потребоваться еще не одна сотня лет. Поэтому я бы отнес телепортацию такого рода ко II классу невозможности.