Тайны открытий XX века - Александр Волков

«Конденсат Бозе — Эйнштейна, — отмечает Кеттерле, — открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это — совершенно иная физика».

Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе — Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства — почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе-Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.

Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе-Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров — в США, академик Лев Питаевский — в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».

1.12. В ОЖИДАНИИ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Подобная машина может одновременно выполнять невероятно большое число операций. Ее принцип действия основан на использовании квантовых состояний отдельных атомов или ионов. Впрочем, насколько хорош квантовый компьютер, настолько же трудно его создать. Исследования в этой области только начинаются.

Конденсат Бозе — Эйнштейна вызывает большой интересу специалистов. Области его возможного применения — от микроскопов до атомных лазеров, от гравитационных сенсоров до квантовых компьютеров. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин, поскольку способны одновременно выполнять множество счетных операций.

Возможности современного компьютера предсказуемы. Как и способности человека, сотворяющего все новые, более мощные компьютеры. Их отношения вот уже сорок лет описывает так называемый закон Мура. Гордон Мур, один из основателей фирмы «Интел», первым заметил, что каждые полтора года мощность процессоров удваивается. В этом прогрессе не было ничего мистического. Каждые полтора года удваивалось количество транзисторов, умещаемых на микросхеме. Ее элементы становились все миниатюрнее. И этот факт указывал «пределы роста» современной техники. Когда-нибудь ячейки информации в один бит станут настолько малы, что их нельзя будет уменьшить ни на йоту — ни на атом. Они сами станут размером с атом. По мнению экспертов, обычный кремниевый компьютер исчерпает свой ресурс около 2020 года.

Но не может же наука остановиться в своем развитии из-за ущербности материала! Наша цивилизация прогрессирует «скачками»: один излюбленный ею материал сменяется другим. Вся история человеческой культуры — это череда разочарований и отказов от кремния, бронзы, древесины, угля, железа. Всякий раз, на новом витке развития, у цивилизации появляется очередной «любимчик». Еще недавно ученые и инженеры не чаяли души в полимерах и полупроводниках, но вот и кремниевые микросхемы понемногу выходят из фавора. Последние лет двадцать перед наукой брезжит видение «квантового компьютера».

Идею квантования вычислений высказал в 1980 году советский математик Юрий Манин. Интерес к ней пробудила статья нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, опубликованная в 1982 году.

Подобная машина может моментально просматривать огромные базы данных. Теоретики уже убедили, что квантовый компьютер без труда разгадает любой шифр. Проблема заключается лишь в том, как построить эту «чудо-машину», как научиться создавать и удерживать в стабильном состоянии тысячи частиц, связанных (или, как говорят физики, «сцепленных») друг с другом.

Квантовые биты взрываются как бомбы

«Разве есть Луна там, где ее никто не видит?» — ироническая фраза Эйнштейна, адресованная адептам невзлюбившейся ему квантовой механики, достаточно метко описывает поведение изучаемых ею объектов. В квантовом мире они принимают определенные свойства лишь в тот момент, когда мы пытаемся «взглянуть» на них, то бишь измерить их параметры. Или иными словами: нет реальности без наблюдателя.

С миром, окружающим нас, мы связаны воистину неразрывными узами. Пока мы есмь, есть и он. Когда мы исчезаем, мир принимает совершенно иной облик, повинуясь чужому взгляду. Только мы удерживаем вокруг себя Вселенную такой, как она… Есть? Какой мы ее видим! К концу своей жизни человек становится хранителем целой Вселенной, в которой, вероятнее всего, действуют те же законы, что и в других вселенных, — в мириадах вымышленных и одной истинной. Ее облик неминуемо отличается от остальных своими «корнями» и размахом, подобно тому как любую окружность обособляют от других расположение ее центра и ее радиус.

Недаром физики дали еще одно толкование этому основному положению квантовой механики: для каждого возможного результата имеется своя параллельная Вселенная, в которой некий наблюдатель (возможно, это вы!) видит некий конкретный результат.

Итак, квантовый объект — это своего рода чистый холст, ожидающий появления художника. В нем заключено множество самых разных состояний, одно из которых будет воплощено. Подобные «абсурдные» модели долгое время бытовали лишь в академических кругах, пока, наконец, в 1994 году математик Питер Шор из лаборатории Белла (США) не опубликовал свою теорию квантового компьютера. Он показал, что эта машина, например, может с невероятной быстротой разлагать очень большие числа на простые сомножители. И дело даже не в этом…

Теория Шора стала «вопросом национальной безопасности США», ведь он убедил, что в мире, где существует квантовый компьютер, нет больше тайн. С помощью этого компьютера можно сравнительно легко дешифровывать секретные коды, используемые сейчас американскими банками и кредитными компаниями, поскольку эти коды как раз и основаны на разложении больших чисел на сомножители.

До сих пор банковские служащие, военные, связисты могли полагаться на секретные коды лишь потому, что любой, кто пытался дешифровать их, затрачивал слишком много времени, подбирая нужный ключ методом проб и ошибок. Так, если длина кодового ключа достигнет 266 (двух в шестьдесят шестой степени) бит, то взломщик этого кода, тщась перебрать все варианты, должен совершить больше попыток, чем имеется атомов во Вселенной. Даже самые мощные современные компьютеры потратили бы на эту работу больше времени, чем существует вся Вселенная. Что ж, криптологи могут спать спокойно, пока у противника есть только такие помощники, что последовательно перебирают все возможные варианты.

А вот квантовые компьютеры проявляют невероятные способности. Вместо нулей и единиц они оперируют особыми квантовыми состояниями, характерными для микромира, — квантовыми битами, или, сокращенно, кубитами (q-битами). Кубит, в отличие от классического бита, может не только равняться нулю или единице, но и принимать промежуточные значения, точнее, весь спектр значений от нуля до единицы. Физики говорят о «суперпозиции», о наложении состояний.

«Наличие континуума состояний между нулем и единицей, — пишет австралийский физик Майкл Нильсен на страницах журнала «Scientific American», — причина многих необычных свойств квантовой информации. В одном кубите можно закодировать бесконечное количество классической информации».

Едва мы начнем решать на квантовом компьютере какую-либо задачу, как его кубиты воплотят сразу все возможные решения. Два кубита представляют сразу четыре числа — 00, 01, 10, 11, три кубита — восемь чисел, n кубитов — это 2 в степени n чисел. В поисках решения компьютер будет перебирать все имеющиеся варианты одновременно (!). Там, где обычный компьютер последовательно вычисляет функцию f от одного значения x, другого значения x и так далее, квантовый компьютер одновременно определит все показатели f при любых значениях x. Он найдет нужное решение, уложившись в считанное число операций, и справится с не решаемой — в нашей Вселенной — задачей менее, чем за час. Задача поиска тех же простых сомножителей раскладывается на целый ряд задач, которые будут решаться не последовательно, а параллельно друг другу, то есть одновременно. Как заявил еще один сотрудник лаборатории Белла, Лав Грувер, подобный компьютер будет незаменим при решении нечетко сформулированных задач. Привычные нам машины теряются при решении таких задач. Недаром о подобном компьютере мечтал еще в начале 1980-х годов Ричард Фейнман — эта машина идеально моделировала бы поведение квантовых систем.