«Шесть невозможностей: Загадки квантового мира»

Что происходит, когда мы становимся наблюдателем объекта в квантовой суперпозиции? Авторы копенгагенской интерпретации предположили, что волновая функция схлопывается — из волны превращается в частицу, — а система продолжает существовать только в одном из возможных вариантов. С другой стороны, существует многомировая интерпретация, в современном виде сформулированная физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем. Он утверждает, что говорить следует не об одной, а о множестве идентичных параллельных вселенных, которые находятся в различных состояниях. На этом варианты не заканчиваются: всего существует шесть интерпретаций квантовой механики, и никто точно не может сказать, какая из них более правдива. В книге «Шесть невозможностей: Загадки квантового мира» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Лисовой, астрофизик и космолог Джон Гриббин рассказывает, как ученые по-разному объясняют происходящее в квантовом мире. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным гипотезе о множестве вселенных, одновременное существование которых делает возможной работу квантовых компьютеров.

Сверхнормативный багаж многомировой интерпретации

Если вы слышали о многомировой интерпретации (ММИ), то, вероятно, полагаете, что ее выдвинул американец Хью Эверетт в середине 1950-х гг. В определенном смысле это правда. Эверетт действительно выдвинул эту идею совершенно самостоятельно. Но он не знал, что лет за пять до него та же, по существу, идея приходила в голову Эрвину Шредингеру. Версия Эверетта в большей степени математическая, Шредингера — более философская, но главное, что оба автора хотели избавиться от идеи «схлопывания волновой функции» и обоим это удалось.

Каждому, кто готов был слушать, Шредингер охотно рассказывал, что в уравнениях (включая его знаменитое волновое уравнение) ничего не говорится о схлопывании. Эту штуку Бор прикрутил к теории, чтобы объяснить, почему мы видим только один результат эксперимента — мертвого или живого кота, а не смесь, не суперпозицию этих состояний. Но из того, что мы регистрируем только один исход — одно решение волновой функции, не обязательно следует, что альтернативных решений не существует. В статье, опубликованной в 1952 г., Шредингер указал на нелепость ожидания, что какая-то квантовая суперпозиция схлопнется только потому, что мы на нее посмотрим. «Очевидно нелепо», писал он, что волновая функция должна «управляться двумя совершенно разными способами — временами волновым уравнением, но иногда прямым вмешательством наблюдателя, не зависящего от волнового уравнения».

Хотя сам Шредингер не применял эту идею к своему знаменитому коту, она легко разрешает эту загадку. Доработав терминологию Шредингера, можно сказать, что существуют две параллельные вселенные, два мира, и в одной из них кот остается жить, а в другой — умирает. Когда ящик открывают в одной вселенной, в нем обнаруживается мертвый кот. В другой вселенной кот в ящике оказывается живым. Вселенных всегда было две, просто они были идентичны до того момента, когда адская машина решила судьбу кота(–ов). Никакого схлопывания волновой функции не происходит. В 1952 г. в Дублине Шредингер, предвидя реакцию коллег, подчеркнул, что, хотя его уравнение описывает, как кажется, разные возможные варианты, эти варианты «не альтернативны, на самом деле все они происходят одновременно». Он добавил:

Почти любой результат, объявляемый квантовым теоретиком, связан с вероятностью того, этого или вон того… события — причем обычно альтернатив великое множество. Идея о том, что это, возможно, не альтернативные варианты и все это на самом деле происходит одновременно, представляется бредовой и просто невозможной. Теоретик считает, что если бы законы природы приняли такой вид ну, скажем, на четверть часа, то мы увидели бы, как окружающий нас мир стремительно превращается в трясину, в бесформенное желе или плазму, все очертания расплываются, а сами мы, вероятно, превращаемся в медуз. Странно, что он в это верит. Насколько я понимаю, он уверен, что ненаблюдаемая природа ведет себя именно таким образом — согласно волновому уравнению. Вышеупомянутые альтернативы вступают в игру, только когда мы производим наблюдение — и он, разумеется, не обязательно должно быть научным. Тем не менее создается впечатление, что, по мнению квантового теоретика, природу удерживает от стремительного «превращения в желе» только наше восприятие или наблюдение ее… Очень странная мысль.

На эту идею Шредингера никто не отреагировал. Ее проигнорировали и забыли, посчитав невозможной, и Эверетт разрабатывал свой вариант ММИ самостоятельно — только для того, чтобы его идею проигнорировали почти столь же единодушно. Но именно Эверетт предположил, что Вселенная «расщепляется» на различные варианты при каждом акте квантового выбора, чем замутил воду на десятилетия вперед.

Эту идею Эверетт высказал в 1955 г., работая над диссертацией в Принстоне. В ее черновом варианте он использовал сравнение с делящейся амебой, которая расщепляется на две дочерние клетки. Если бы простейшие обладали разумом, в памяти каждой дочерней амебы сохранилась бы абсолютно идентичная история до момента разделения, а затем начала бы накапливаться собственная личная история. В аналогии с котом Шредингера до срабатывания адской машины существуют одна вселенная и один кот, затем две вселенные, каждая с собственным котом, и так далее. Научный руководитель Эверетта Джон Уилер посоветовал ему проработать математическое описание идеи — для диссертации и для статьи, опубликованной в Reviews of Modern Physics в 1957 г., но при этом аналогия с амебой куда-то пропала и в печатном виде появилась много позже. Однако Эверетт указал, что, хотя ни один наблюдатель никогда не ощутит существования иных миров, утверждение, что их не может быть, поскольку мы их не видим, не более убедительно, чем утверждение, что Земля не может обращаться вокруг Солнца, поскольку мы не ощущаем ее движение.

Сам Эверетт никогда не пытался продвигать идею ММИ. Еще до защиты диссертации он начал работать на Пентагон в Группе оценки систем оружия. Он должен был заниматься применением математических методов (в документах они невинно назывались теорией игр) к задачам холодной войны. Некоторые его работы не рассекречены до сих пор. Фактически он исчез из поля зрения академического сообщества. Только в конце 1960-х гг. идея Эверета получила некоторую известность, когда ее принял и стал с энтузиазмом продвигать Брайс Девитт из Университета Северной Каролины. Девитт писал: «Каждый квантовый переход, происходящий в каждой звезде каждой галактики, в каждом отдаленном уголке Вселенной, расщепляет наш локальный мир на Земле на мириады копий самого себя». Для Уилера это было уже слишком; он отказался от поддержки ММИ, к которой склонялся первоначально, и уже в 1970-х гг. говорил: «В конце концов мне пришлось с большой неохотой отказаться от поддержки этой гипотезы, потому что, боюсь, она несет в себе слишком большую метафизическую нагрузку». По иронии судьбы именно в этот момент идея переживала возрождение и развитие в сфере космологии и квантовых вычислений.

Силу этой интерпретации начали признавать даже те, кто не был готов полностью ее поддержать. Джон Белл отметил, что «люди, конечно, множатся вместе с мирами, и обитатели какой-то конкретной его ветви должны ощущать только то, что происходит в этой ветви», и с неохотой признал, что в этой идее, возможно, что-то есть:

«Многомировая интерпретация» кажется мне экстравагантной — и в первую очередь экстравагантно неопределенной гипотезой. Я почти готов отбросить ее как нелепую. И все же… Возможно, ей есть что сказать в связи с парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена, и, как мне кажется, стоило бы сформулировать некую строгую ее версию и посмотреть, действительно ли это так. К тому же существование вероятных миров, возможно, позволило бы нам спокойнее относиться к существованию нашего собственного мира… который в некоторых отношениях представляется весьма маловероятным.

Строгая версия ММИ появилась благодаря Дэвиду Дойчу из Оксфорда. По сути, она подвела прочную основу под версию Шредингера, хотя Дойч не знал о ней, формулируя свою интерпретацию. В 1970-х Дойч работал с Девиттом, а в 1977 г. на организованной последним конференции встретился с Эвереттом — это был единственный раз, когда Эверетт представлял свои идеи перед большой аудиторией. Убежденный в том, что ММИ — верный способ понимания квантового мира, Дойч стал пионером в области квантовых вычислений — не потому, что интересовался компьютерами, а поскольку верил, что создание квантового компьютера докажет реальность ММИ.

И здесь мы вновь возвращаемся к варианту мысленного эксперимента с «котом Шредингера». По мнению Эверетта, до момента срабатывания адской машины существует один-единственный кот, а после этого вся Вселенная расщепляется надвое. Аналогичным образом, как указывал Девитт, произвольный электрон в далекой галактике, столкнувшись с выбором из двух (или более) квантовых траекторий, вызывает расщепление всей Вселенной, включая и нас с вами. Вариант Дойча — Шредингера предполагает бесконечное разнообразие вселенных, соответствующих всем возможным решениям квантовой волновой функции (так называемую Мультивселенную). Так в эксперименте с котом существует множество идентичных вселенных, в которых идентичные экспериментаторы строят идентичные адские машины. Эти вселенные остаются идентичными ровно до того момента, когда машина сработает. После этого в некоторых вселенных кот умирает, в некоторых продолжает жить, и то же происходит в последующих историях.

Параллельные миры ни при каких условиях не могут связываться друг с другом. Или все же могут?

Дойч утверждает, что, когда две или более идентичных прежде вселенных под действием квантовых процессов вынужденно, как в эксперименте с двумя отверстиями, становятся различными, между ними на время возникает интерференция (с развитием вселенных она подавляется). Именно это взаимодействие вызывает наблюдаемые результаты экспериментов. Мечта Дойча — увидеть работающий квантовый компьютер, который будет отслеживать некоторое квантовое явление с участием интерференции, происходящее внутри его «мозга». Дойч утверждает, что разумный квантовый компьютер будет способен помнить опыт временного существования в параллельных реальностях. Конечно, этому проекту еще очень далеко до воплощения, но у Дойча имеется и гораздо более простое «доказательство» существования Мультивселенной.

Качественное отличие квантового компьютера в том, что «ключи» внутри него находятся в суперпозиции состояний. Традиционный компьютер состоит из набора ключей (компонентов электрических схем), которые либо включены, либо выключены, что соответствует цифрам 1 и 0. Это позволяет производить вычисления, манипулируя строками чисел в двоичном коде. Каждый ключ называется битом, и чем больше в нашем распоряжении имеется битов, тем мощнее компьютер. Восемь бит составляют байт, и сегодня компьютерная память измеряется в миллиардах байтов — гигабайтах (Гбайт). Строго говоря, поскольку мы работаем в двоичном коде, гигабайт равняется 2³⁰ байт, но на это обычно не обращают внимания. А вот в квантовом компьютере каждый ключ представляет собой объект, который может находиться в суперпозиции состояний. Как правило, это атом, но, в принципе, можно считать, что это электрон, спин которого может быть положительным или отрицательным. Различие в том, что в суперпозиции электрон обладает одновременно положительным и отрицательным спином — представляет собой и 0 и 1. Каждый ключ здесь называется кубитом.

Благодаря этому квантовому свойству каждый кубит эквивалентен двум битам. На первый взгляд не особенно впечатляет, но на самом деле это существенно. Так, если у вас есть три кубита, их можно организовать восемью способами: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Суперпозиция включает в себя все эти варианты. Таким образом, три кубита эквивалентны не шести битам (2 × 3), а восьми (2³). Эквивалентное число бит всегда равно двум в степени числа кубитов. Всего лишь 10 кубитов были бы эквивалентны 2¹⁰ бит, то есть, строго говоря, 1024, но обычно это число называют килобитом. Подобные геометрические прогрессии очень быстро растут и уходят в бесконечность. Компьютер всего с 300 кубитами был бы эквивалентен традиционному компьютеру с числом бит, превышающим число атомов в наблюдаемой Вселенной. Но как бы такой компьютер мог проводить вычисления? Вопрос этот стал весьма насущным, поскольку первые простые квантовые компьютеры, включающие по нескольку кубитов, уже построены и продемонстрировали работу в соответствии с ожиданиями. Они на самом деле оказались мощнее, чем традиционные компьютеры с тем же числом битов.

Ответ Дойча состоит в том, что вычисления производятся одновременно на идентичных компьютерах в каждой из параллельных вселенных, соответствующих нашим суперпозициям. Для трехкубитного компьютера это означает восемь суперпозиций компьютерщиков, работающих над одной и той же задачей с использованием идентичных компьютеров для получения ответа. Неудивительно, что они должны «сотрудничать» таким образом, поскольку все экспериментаторы идентичны и имеют идентичные причины заниматься одной и той же задачей. Это не слишком трудно себе представить. Но если мы построим 300-кубитную машину — а это, безусловно, когда-нибудь произойдет, — то, если Дойч прав, мы получим при этом «коллаборацию» между громадным числом вселенных, превышающим число атомов в нашей видимой Вселенной. Возникает вопрос: не слишком ли велика получается метафизическая нагрузка? Ответ каждый выбирает сам. Но если вы считаете, что слишком, то вам придется как-то иначе объяснять, почему работают квантовые компьютеры.

Большинство специалистов по квантовым компьютерам предпочитает не задумываться об этих вопросах. Но существует группа ученых, которые привыкли ежедневно перед завтраком думать даже больше чем о шести невозможных вещах, и эта группа — космологи. Некоторые из них приняли многомировую интерпретацию как лучший способ объяснить само существование Вселенной.

Подробнее читайте:
Гриббин, Д. Шесть невозможностей: Загадки квантового мира / Джон Гриббин ; Пер. с англ. [Натальи Лисовой] — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 141 с.