Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2012 год не сделали грандиозных открытий об устройстве мироздания. Но их работа чрезвычайно важна уже потому, что они искали и нашли ответы на такие вопросы, которые по давней традиции задавать как бы «не разрешалось»

В официальном наградном представлении к премии о работе новых лауреатов написано примерно так: «Серж Арош и Дэвид Вайнленд (Serge Haroche, David J. Wineland) независимо изобрели и разработали революционные методы для измерения состояний отдельных частиц и манипуляций ими. Эти исследователи открыли дверь к новой эре физических экспериментов, продемонстрировав прямое наблюдение индивидуальных квантовых систем без разрушения их квантово-механической природы — что прежде считалось просто недостижимым.»

О пользе неудобных вопросов

Чтобы как следует постичь действительную значимость работ, удостоенных нынешней Нобелевской премии, полезно напомнить слова одного из патриархов физики XX века, отца американской термоядерной бомбы Эдварда Теллера. На закате своей долгой жизни в интервью для СМИ он однажды довольно нелицеприятно отозвался об особенностях того, чему и как принято обучать подрастающее поколение:

— В нашей системе преподавания был один существенный недостаток, который, как я полагаю, остается и поныне в большинстве систем научного обучения — рассматривать математику и прочие науки как точный свод знаний: «Вот это так, доказывается это вот так, и это является несомненным!». Все это правда. Но с таким подходом упускается важнейший момент. Самая интересная вещь в точных науках — это то, что еще неизвестно, что вызывает сомнения. И вот этот процесс сомнений, ощущение противоречий, которые непременно появляются по мере того, как наука изменяется от века к веку — именно они должны прививаться и закрепляться в уме каждого студента...

Примерно о той же самой проблеме, но уже намного более подробно и с конкретными примерами из области современной квантовой физики, написали ныне два известных ученых в свежем номере журнала Scientific American ("Beyond the Quantum Horizon" by David Deutsch and Artur Ekert. Sci. Am., September 2012).

Один из авторов статьи, физик Дэвид Дойч из Оксфордского университета, наиболее известен как теоретик, в середине 1980-х годов выдвинувший и обосновавший идею универсального квантового компьютера. Второй соавтор, Артур Экерт — также оксфордский профессор-пионер квантовой криптографии и квантового компьютинга, по совместительству занимает сейчас пост директора Центра квантовых технологий в Сингапуре.

Хотя обстоятельная статья Дойча и Экерта в целом посвящена тем грандиозным перспективам, что открывают для человечества новейшие достижения квантовой физики за последние два десятка лет, важное место там занимает и другой аспект этого процесса. Можно сказать, что все последние успехи были достигнуты не благодаря, а скорее вопреки тем научным идеям, на основе которых квантовую теорию по сию пору преподают в высшей школе и которые по устоявшейся традиции принято считать верными...

Авторы статьи называют этот подход «традицией строгого преподавания студентам добровольной иррациональности», начало чему следует искать на самом раннем этапе создания квантовой теории — когда Нильсом Бором и его соратниками была разработана так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики.

От создателей этой трактовки и пошли общеизвестные ныне высказывания, вполне типичные как для учебников, так и для популярных изложений теории: «Если вы полагаете что поняли квантовую физику, то вы ее не поняли»; «Такие вопросы (о состоянии квантовой системы между измерениями) спрашивать не разрешается»; «В квантовом мире вещи происходят вероятностно, то есть без причины или объяснения»; «Эта теория непостижима, а раз так, значит и мир непостижим».

Иначе говоря, квантовую теорию, доказавшую беспрецедентную точность своих математических расчетов, но при этом не способную внятно объяснить, почему эти формулы работают, уже давно и часто пытаются подавать как окончательный аргумент науки о непознаваемости мира.

Дойч и Экерт, ясное дело, с подобной концепцией категорически не согласны, а причину сложившейся ситуации видят в том, что большинство физиков в критично важный период становления теории оказалось в плену у дурной и никудышной философии.

Философия и фундаментальная физика, пишут авторы, настолько близко взаимосвязаны — несмотря на многочисленные заверения в обратном из обоих этих лагерей — что когда философский мейнстрим во время первых десятилетий XX века ощутимо нырнул ко дну, то он утащил за собою вниз и существенные части физики.

Апофеозом кризиса философии стали такие известные доктрины, как логический позитивизм («Если это не проверяемо экспериментом, то это бессмысленно»), инструментализм («Если предсказания работают, то зачем беспокоиться о том, как они получены?») и философский релятивизм («Утверждения не могут быть объективно истинными или ложными, они могут быть только легитимными или нелигитимными для конкретно определенной культуры»).

Ощутимый ущерб для науки был нанесен тем, что все эти влиятельные доктрины, изобретенные философами, имели между собой одну очень важную общую черту — отрицание реализма, то есть философской позиции здравого смысла, согласно которой физический мир просто существует, а методы науки могут предоставлять знание об этом мире.

Вполне очевидно, что именно под влиянием философской атмосферы эпохи кризиса Нильс Бор и его Копенгагенская школа разработали на рубеже 1920-1930-х годов ставшую наиболее авторитетной в физике интерпретацию квантовой теории, которая отрицала возможность говорить о феноменах как о существующих объективно природных явлениях. Попутно стали считать, что всякое наблюдение или измерение квантовой системы, наряду с получением данных о ее состоянии, неизбежно приводит к коллапсу волновой функции, то есть к разрушению хрупкого квантового состояния. Спрашивать же о том, какие значения имеют физические переменные в тот момент, когда их не наблюдают, здесь не разрешалось.

Физики (само название которых можно перевести как люди, изучающие природу), естественно, не могли избавиться от желания задавать вопросы. Но по ряду причин очень многие стали пытаться этого не делать (сосредоточившись на известном принципе «заткнись и вычисляй»). На те же рельсы поставили преподавание, так что и студентов стали смолоду учить не спрашивать то, чего «не положено». Короче, подводят итог авторы, самая продвинутая теория в наиболее фундаментальной из всех наук оказалась обречена вопиюще противоречить и существованию постижимой истины, и существованию ее объяснения, и самой физической реальности вообще.

К счастью, не все философы, а главное, не все физики отказались от реализма. Среди отцов квантовой теории принципиально не согласились с копенгагенской интерпретацией столь известные люди, как Альберт Эйнштейн и Эрвин Шредингер, позднее тенденцию поддержал Дэвид Бом, а в конце 1950-х Хью Эверетт предложил в корне иную альтернативу, сегодня известную как концепция множества миров или мультиверса.

Именно на эвереттовскую интерпретацию квантовой механики в большинстве своем ныне опираются исследователи в области квантовых вычислений. Однако в целом картина научного прогресса в XX веке выглядит довольно странно. Хотя на протяжении всего столетия ученые с нарастающим успехом использовали квантовую теорию для изучения других областей физики и смежных с нею наук, однако с исследованиями неясной природы собственно самих квантовых процессов дела обстояли по сути никак.

Ощутимые улучшения столь унылой ситуации стали происходить лишь в течение пары последних десятилетий, когда благодаря тем физикам, которые все же продолжали задавать неудобные или «неразрешенные» вопросы, квантовую теорию стало-таки возможным, похоже, вернуть обратно на трассу реализма.

На протяжении довольно длительного периода, фактически вплоть до начала 1990-х годов, в физике обычно подразумевалось, что разного рода ограничения квантовой теории на принципиальном уровне будут препятствовать науке в полном освоении процессов природы подобно тому, как прежде приучала ученых классическая механика.

На самом же деле, вместе с развитием технологий и правильных подходов к задаче, ни одно из этих воображаемых препятствий, как показывает практика, так никогда и не материализовалось. Напротив, квантовая механика демонстрирует, что она не накладывает ограничения на постижение природы, а скорее даже напротив — открывает перед человечеством новые горизонты и еще более глубокие слои знания.

Фундаментального характера квантово-механические атрибуты объектов, такие как суперпозиция и сцепленность состояний, дискретность и случайность измеряемых значений — все это в итоге проявляет себя не как ограничения, но как полезные ресурсы.

Процесс освоения ресурсов, собственно, шел всегда. Используя сугубо квантовые атрибуты материи, изобретатели уже довольно давно начали конструировать разного рода удивительные, немыслимые для классической физики устройства вроде лазеров и микрочипов.

Но эти давние и бесспорные успехи стали лишь началом — ныне же наступает эра подлинного, «освобожденного» и широкомасштабного освоения квантовых феноменов, что ведет нас, уверены Дойч и Экерт, среди прочего и к созданию «немыслимо мощных» коммуникационных и компьютерных систем.

Ну а нынешние нобелевские лауреаты, можно добавить, являются именно теми исследователями, которые стали пионерами новых неизведанных путей к освоению квантовой природы реальности и к обретению новых уровней научного знания.

Как это сделано

Оба ученых, Арош во Франции и Вайнленд в США, независимо друг от друга работают в экспериментальной области квантовой оптики, изучая фундаментально важные процессы взаимодействий между светом и материей. Следует подчеркнуть, что квантовая оптика — благодаря прогрессу в области технологий — с середины 1980-х годов является тем направлением, где удается достигать особо впечатляющих успехов в исследовании тонких квантовых свойств реальности.

В частности, на рубеже 1980-х и 1990-х годов были изобретены революционные методы для захвата индивидуальных частиц в особые ловушки, где далее удается управлять их хрупкими квантовым состоянием с помощью деликатных неразрушающих воздействий.

Хотя методы исследований, придуманные, а затем практически реализованные группами под руководством Ароша и Вайнленда, существенно отличаются друг от друга, между ними в то же время имеется и немало общих черт. Дэвид Вайнленд захватывает в электромагнитную ловушку частицы материи (ионы бериллия), где манипулирует ими с помощью частиц света (фотонов лазера). Серж Арош выбрал противоположный подход: он управляет состоянием фотонов, захваченных в оптический резонатор, пропуская через эту ловушку особо подготовленные атомы рубидия.

Можно говорить, что в обоих этих экспериментах квантовые состояния удается наблюдать через квантовые неразрушающие измерения благодаря тому, что двухуровневые системы связаны с квантованным гармоническим осциллятором. В одном случае эта двухуровневая система состоит из иона (с двумя стабильными уровнями, переключаемыми светом лазера), в другом — из сильно возбужденного атома (имеющего два уровня Ридберга, переключаемые микроволновым полем в резонаторе).

Если чуть подробнее, то применяемый в опытах Ароша оптический резонатор представляет собой пару небольших сверхпроводящих зеркал, находящихся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и охлажденных до температуры чуть выше абсолютного нуля. Фотон, попадающий в такой резонатор, застревает там, отражаясь между зеркалами, на протяжении более десятой доли секунды (проходя в ловушке путь порядка 40 000 километров).

Эксперимент Ароша

Захват фотонов подобным нежным образом позволяет исследовать их квантовое поведение. Для этого в резонатор запускают один за другим атомы рубидия, где они взаимодействуют с фотоном прежде, чем выйти с другой стороны ловушки. Измеряя сдвиг в состоянии атомов по мере того, как они входят в «зеркальную пещеру» и покидают её, ученые сумели опосредованно узнавать о подробностях эволюции фотона внутри ловушки — не разрушая, что важно, его состояния.

В экспериментах Дэвида Вайнленда, напротив, в ловушку электрического поля захватываются ионы бериллия, которые затем охлаждаются с помощью импульсов лазера. Фотоны лазерного света охлаждают ионы подавлением их хаотических тепловых вибраций, заставляя систему войти в состояние минимального энергетического состояния. После чего другие точно подобранные лазерные импульсы могут деликатно повышать энергию ионов на крошечную величину, обеспечивая этим квантовую суперпозицию состояний, когда ион при следующем измерении имеет равные шансы занять как нижнее энергетическое состояние, так и следующий уровень повыше...

Иначе говоря, все эти виртуозные манипуляции квантовыми состояниями частиц принципиально противоречат копенгагенской интерпретации, полагающей подобные трюки невозможными. И в то же время именно такие опыты заложили основы для реальных подходов к созданию квантовых компьютеров. То есть машин, способных решать неподъемные для обычных компьютеров задачи благодаря массовому распараллеливанию вычислений в пространстве сцепленных квантовых суперпозиций.

Опыт Вайнленда

Один из нынешних лауреатов, кстати, Дэвид Вайнленд возглавлял исследовательскую группу, которая в 1995 году продемонстрировала первый вентиль квантовой логики — непосредственный шаг к созданию реального квантового вычислителя.

Как комментирует для журналистов эти достижения один из коллег-ученых, вплоть до 1990-х годов подобного рода экспериментальные результаты были не более чем идеями из научно-фантастических романов или — самое лучшее — предметом мечтаний квантовых физиков. Вайнленд, Арош и их коллеги открыли пути к совершенно новым технологиям, о которых не так давно никто всерьез и не помышлял...

Все ответы у природы

Хотя сегодня принципиальная возможность квантовых вычислений — это научно доказанный факт, отсюда отнюдь не следует, что удобные и практичные квантовые компьютеры уже в недалеком будущем заменят нынешнюю компьютерную технику.

Пока что никто не берется предсказывать, сколько еще времени понадобится науке, чтобы преодолеть серьезнейшие препятствия, стоящие на пути к созданию жизнеспособного квантового компьютера. Потому что проблемы эти не столько технического, сколько глубоко физического свойства.

И важнейшая проблема среди всех — это очень быстрый распад когерентности, то есть взаимно согласованных состояний суперпозиции у элементов-кубитов, образующих квантовую вычислительную систему. Информация, обрабатываемая в такой системе, кодируется в фазовых соотношениях кубитов, образующих квантовый регистр. Чтобы квантовый компьютер был полезен на практике, регистр должен иметь большую длину — по меньшей мере десятки, а еще лучше сотни кубитов. Однако состояния и соотношения кубитов чрезвычайно хрупки, они легко разрушаются от посторонних шумов и взаимодействий с окружающим миром.

Этот процесс быстрого разрушения когерентного состояния имеет не только собственное название, декогеренция, но и является своего рода ключом к разгадке одной из самых удивительных тайн природы: почему окружающий мир, на своем фундаментальном уровне живущий по законам квантовой физики, для человека представляется миром существенно иной физики, именуемой классической?

Именно объяснение природы декогеренции в значительной мере позволило прояснить загадку этого трудноуловимого квантово-классического перехода от одного мира к другому. Если же подходить к феномену с практических позиций, то декогеренция, среди прочего, диктует и то, каким требованиям должны отвечать физические элементы, предполагаемые к использованию в квантовом компьютере в качестве кубитов.

В частности, время сохранения когерентности в состояниях кубитов должно быть больше времени вычисления. Для того чтобы этого добиться, исследователями было придумано два основных способа: (а) увеличивать время когерентности искусственно, или (б) отыскать квантовую систему, максимально изолированную от окружения.

Что касается первого пути — продлевать когерентное состояние системы путем повышения помехоустойчивости — то на концептуальном уровне теоретикам удалось ее решить фактически тогда же, когда экспериментаторами был продемонстрирован первый вентиль квантовой логики, в 1995-1996 годы. Сразу несколько ученых (A.Calderbank, P.W.Shor, A.Steane), работая независимо друг от друга, отыскали остроумную неразрушающую методику для квантовой коррекции ошибок, не требующую выяснения состояний кубитов.

К сожалению, сколь ни замечательно выглядели эти квантовые алгоритмы исправления ошибок, они позволяли снимать лишь часть проблемы — доказав принципиальную решаемость задачи. Но в целом для реального создания практичного квантового компьютера с большим числом кубитов эта методика подходит неважно, так что задача по-прежнему остается очень тяжелой и далекой от эффективного решения.

Вскоре, как это часто бывает, подсказку о других подходах к решению сложных проблем удалось отыскать у природы. Если смотреть на окружающий мир с некоторой специфической точки зрения, то всю Вселенную, в принципе, ведь тоже можно считать гигантским квантовым компьютером — на редкость надежным и давно реализовавшим оптимальные решения для всех сопутствовавших конструированию проблем.

В 1997 году россиянин Алексей Китаев (ныне работающий в США) обратил внимание на поразительную стабильность природных квантовых систем, сформулировав это примерно так: похоже, что некоторые физические системы способны обладать чем-то вроде естественной устойчивости к шумам. Иначе говоря, в таких системах квантовая коррекция ошибок происходит вообще без вмешательства человека, а чрезвычайно высокая сопротивляемость к разрушению когерентности является по сути дела их врожденной чертой.

Развивая эту идею, Китаев и целый ряд других исследователей занялись разработкой так называемого топологического квантового компьютера. То есть вычислителя, в котором тонкие квантовые состояния зависят от топологических свойств физической системы.

Топологией, можно напомнить, именуют раздел математики о тех свойствах объекта, которые не меняются при его плавных деформациях типа растяжения, сжатия и изгибания. А топологический квантовый компьютер, соответственно, выполняет вычисления на гипотетических объектах-нитях, представляющих собой мировые линии движения квантовых частиц в пространстве-времени.

В данном контексте можно говорить, что длина такой нити изображает движение частицы во времени, а ее толщина — это физические размеры частицы в пространстве. Как показали теоретики, подобрав для реализации топологического компьютера квазичастицы особого типа (энионы), можно в строго определенной последовательности перемещать пары соседних частиц друг вокруг друга.

Как результат, мировые линии энионов (или иначе, их траектории в пространстве-времени) сплетаются в косу, топологическая структура которой и содержит в себе помехоустойчивое квантовое вычисление. То есть конечные состояния частиц, содержащие результаты вычисления, определяются сплетением нитей и не зависят от электрических или магнитных помех...

Практическая реализация такой модели, впрочем, пока что остается делом будущего. И не исключено, что красивое конструктивное решение удастся найти в сочетании со вторым базовым способом (б) для борьбы с декогеренцией — отыскав удобные и хорошо изолированные от окружения квантовые системы.

На этом пути, кстати говоря, у физиков уже имеется масса возможностей для опоры на достигнутые ранее результаты в смежных областях. Помимо уже известных по опытам Вайнленда и Ароша электромагнитным и оптическим ловушкам, сегодня для реализации изолированных кубитов в лабораториях по всему миру разрабатывается не менее десятка разных схем (подробнее о постижении природы декогерентности и о нелегком, но плодотворном пути к созданию квантовых компьютеров можно почитать здесь).

Механическое перечисление всех предложенных на сегодня идей здесь будет вряд ли полезным, однако об одной технологии — на основе мощно развивающихся ныне методов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) — упомянуть все же необходимо. По той, прежде всего, причине, что и это решение, подсказанное природой.

Оптическая ловушка

При ЯМР-подходе в качестве квантового процессора выступает молекула с базовым «скелетом» из примерно десятка атомов. Другие атомы вроде водорода присоединены к скелету так, чтобы можно было использовать все химические связи конструкции. Особый же интерес представляют ядра атомов, поскольку их спины выступают здесь в роли кубитов.

Молекула помещается в сильное магнитное поле, а спиновые состояния ядер аккуратно управляются применением осциллирующих магнитных полей контролируемой длительности. В силу естественного экранирования ядерные спины молекул оказываются сильно изолированными от влияния окружения, так что время сохранения когерентной суперпозиции в этой системе может измеряться секундами и более.

Изучая физику такого рода манипуляций, исследователи пришли к выводу, что созданные природой объекты, молекулы, ничто не мешает рассматривать как отдельный, уже существующий элементарный квантовый компьютер. Наиболее же приятный аспект этого открытия заключается в том, что создание подобных квантовых компьютеров не требует от людей ни производства микроскопических схем на атомном уровне, ни каких-либо других революционных прорывов в нанотехнологиях.

Разработчики первого, продемонстрированного в 1997 г. квантового ЯМР-процессора, Нил Гершенфельд и Айзек Чанг (N.A. Gershenfeld, I.L. Chuang), по этому поводу отметили, что природа на самом деле уже выполнила самую сложную часть процесса разработки, самостоятельно собрав нужные базовые компоненты. Так что в смысле приложений для компьютинга обычные молекулы и «сами знают», как делаются квантовые вычисления. А люди, соответственно, просто не задавали молекулам правильные вопросы...

Потому что, как уже говорилось выше, долгое время задавать их считалось просто неуместным.

И еще раз о неуместных вопросах

Среди множества феноменов квантового мира по сию пору остается еще немало очень плохо или вообще никак не проясненных наукой тайн. Навскидку здесь можно упомянуть, к примеру, «принципиально вероятностный» характер квантовых событий (что противоречит, строго говоря, причинно-следственным основам существования Вселенной).

Или, скажем, непостижимая в своих механизмах загадка квантовой сцепленности — когда две частицы способны мгновенно взаимодействовать друг с другом вне зависимости от разделяющих их расстояний, будь между ними хоть сто, хоть миллиард километров.

Но это все, так сказать, общеизвестные проблемы физики, решением которых неустанно и вполне официально занимаются теоретики. А есть тут, однако, еще и существенно иные вопросы, всерьез задаваться которыми для настоящих ученых считается как-то «неприличным». Типа, скажем, вот такой проблемы.

Все знают, что в замкнутой физической системе вечный двигатель невозможен. Однако хорошо известно и то, что водяное колесо, погруженное в речной поток, будет крутиться «вечно» — пока не отвалятся лопасти или не слетит ось (поскольку энергия здесь поступает в систему извне). Но разве мы не наблюдаем в природе нечто очень похожее?

Один из нынешних нобелевских лауреатов, Дэвид Вайнленд, в свое время сконструировал точнейшие атомные часы, которые — работай они с момента образования Вселенной — на сегодня разошлись бы с истинным ходом времени всего на 4 секунды. Спрашивается, поток какой энергии вращает колеса столь феноменально точного и безотказного хронометра? И если все атомы вселенной исправно вращаются в том же потоке, то почему и человек не может подключиться к этому источнику?

Даровому и всюду доступному источнику энергии, неисчерпаемому, как космос, и абсолютно чистому, как самые чистые воздух и вода...

Не секрет, что правильно заданный вопрос — это уже почти половина ответа. А в данном случае заведомо известно и то, что готовые ответы на подобные вопросы у природы имеются всегда. Просто никто толком не спрашивает.

Хотя пора бы уже.