Квантовая механика и квантовая запутанность

«Когда мы изучаем объекты микромира в триллионы раз меньше, чем привычные для нас тела, оказывается, что интуитивно понятные законы обычного мира больше не действуют», – Клиффорд Джонсон (университет Южной Калифорнии).

Удивительные законы квантовой механики

Чудеса микромира заметны на частицах размером с атом, то есть примерно в одну десятимиллиардную долю метра. Частицы эти ведут себя столь необычно, что ученым пришлось создать особые законы для описания их взаимодействия. Эти законы были названы «квантовой механикой» и постулаты ее поистине поразительны.

«Представьте, что этот мячик – субатомная частица вроде электрона или фотона, которые живут по странным законам микромира, – Алекс Филиппенко. – Такие частицы могут становиться невидимыми, с легкостью проходить сквозь твердые тела, быть в нескольких местах одновременно и даже кажется путешествовать во времени, изменяя прошлое. Это как если бы я мог бросить этот микроскопический мяч в две зоны поля одновременно или вернуться в прошлое и изменить результаты игры. Пока это возможно только в научной фантастике, однако мы уверены или почти уверены в том, что так все и происходит в квантовом мире и это потрясает».

Явление квантовой запутанности

Если ученые поймут, как работают квантовые законы, они смогут использовать их действие в обычном мире, произведя тем самым революцию в современных средствах вычисления, и может быть изобретут средства передачи информации на огромные расстояния. Превратить мечты в реальность способно явление называемое «квантовой запутанностью», уже сегодня ученые пытаются поставить его на службу гражданским и военным технологиям.

«Квантовая физика предполагает, что один объект мгновенно может влиять на другой даже если между ними миллионы километров», – Фред Каттнер (университет Калифорнии). Вот как это работает, когда взаимодействуют две субатомные частицы, они могут спутываться, то есть их скорость и положение и другие характеристики становятся взаимозависимыми в силу каких-то неизвестных науке процессов.

«Таким образом, если изменить качество одной из таких частиц, другая тоже мгновенно изменится, – объясняет Алекс Филиппенко. – В идеале ожидается, что квантовое состояние частицы абсолютно зависимо от квантового состояния ее частицы партнера». Это означает, что если ученый, наблюдающий за запутавшейся частицей, заставит ее вращаться по часовой стрелке, вторая частица немедленно начнет вращаться в обратную сторону. Поначалу такое открытие кажется любопытным и только. Но если вдуматься, с его помощью можно воздействовать на объекты, которые находятся на расстоянии в миллиарды световых лет от нас, и действие на один объект будет оказывать влияние и на другой.

«Это явление потрясает, потому что оно означает возможность мгновенной передачи информации от одной частицы к другой со сверхсветовой скоростью, – Алекс Филиппенко. – Я не понимаю сути этого феномена, да и никто не понимает. Это, то самое «мистическое дальнодействие» в терминологии Эйнштейна».

Квантовая физика и квантовые компьютеры

Квантовая запутанность факт не только микромира, ее последствия можно увидеть и ощутить и в обычной вселенной. Если ученым когда-нибудь удастся преодолеть несколько основных трудностей, квантовая запутанность может позволить человечеству передавать информацию на огромные расстояния.

«Часто люди думают, что квантовая запутанность ключ к осуществлению давней мечты – передача информации на огромные расстояния со сверхсветовой скоростью, – Алекс Филиппенко. – Не думаю что это возможно, ведь строить эти системы все равно придется с более низкими скоростями. Но разве я могу знать все, сто лет назад и полет на Луну казался невозможным».

Более вероятно, что квантовая запутанность изменит современные средства обработки данных. Ученые надеются, что она поможет сконструировать более мощные компьютеры. Профессор Массачусетского технологического университета Сэт Ллойд помог создать прототип квантового компьютера, который использует для хранения данных квантовые биты вместо обычных.

Квантовый компьютер, принцип работы

«В этой лаборатории разработаны сверхпроводниковые квантовые биты или q-биты, – Сэт Ллойд. – Научившись проводить квантовые вычисления с q-битами, мы сможет создать многозадачные квантовые компьютеры, способные проводить огромное число операций одновременно. Они будут получать четыре, одновременно складывая два и два, один и три».

Тот факт, что даже один q-бит может выполняться множество вычислений, делает потенциальный квантовый компьютер самым мощным их когда-либо созданных человеком. Разумеется, этот проект на стадии разработки, как традиционные компьютеры в 50-х годах прошлого века, эти машины тоже занимают огромное помещение и могут выполнять лишь базовые операции, но у них многообещающие перспективы. «Квантовая физика известна своей необычностью, контринтуитивностью, квантовые компьютеры такие же они могут то, что недоступно обычным машинам», – Сэт Ллойд.

Пока самой серьезной проблемой остается эффективное кодирование информации в таких компьютерах. Классическую двоичную систему пытаются переложить на систему квантовой запутанности. Когда ученым это удастся, жизнь человечества может кардинально измениться.

«Даже если у квантового компьютера будет небольшой объем памяти, с его помощью можно будет взломать все существующие интернет коды или решить сложнейшее уравнение с колоссальным количеством переменных, например, таких которые описывают Большой взрыв», – Сэт Ллойд.