i) — (iii).
Теперь подытожим вышесказанное и попытаемся более четко сформулировать основные выводы, которые следуют из квантовой теории в отношении Реальности.
Понять, что происходит при эволюции Универсума, помогают общие фундаментальные принципы квантовой теории и простые геометрические модели типа сферы Блоха. Из условия изолированности Универсума сразу же следует вывод о его нелокальности и когерентном состоянии, отсюда и название — «нелокальный источник реальности». На сфере Блоха это видно наглядно — все точки на поверхности шара (то есть на сфере), которые соответствуют замкнутой системе, являются нелокальными состояниями (с разной мерой запутанности между внутренними составными частями системы — отсюда различные классические вероятности). Максимальная запутанность (полная внутренняя нелокальность) — это точки экватора на сфере Блоха.
Замкнутая система может быть полностью локальна только в двух точках на сфере — точках полюса, но в них система сепарабельна — взаимодействия между ее подсистемами нет. Таким образом, если есть взаимодействие между составными частями замкнутой системы — она всегда будет нелокальна, а ее подсистемы будут квантово запутаны между собой. Этот вывод в той или иной формулировке часто встречается в научных публикациях, и ранее я приводил соответствующие цитаты (см. главу 2, раздел 2.5): в случае чистых состояний любые корреляции являются квантовыми — и это строгий результат, следующий из основ квантовой теории. Такое состояние Универсума я иногда называю ЧЗСУ (чистое запутанное состояние Универсума).
Весь Мир в своей совокупности (ЧЗСУ) нелокален — это Пустота, его количественную характеристику можно описать только в терминах квантовой информации (кроме нее, в этом состоянии ничего нет). Никакие физические величины здесь не помогут: в данном состоянии нет ни частиц, ни физических полей и т. д. Пустота здесь своеобразная — это не вакуум, или пустое место, которое занимает некоторый объем. Нет самого объема, нет даже пространства-времени как неких внешних, якобы абсолютных категорий Бытия. Все эти привычные для нас физические представления существуют только в классическом домене (на оси Z) и имеют смысл лишь с точки зрения подсистем, взаимодействие которых сопровождается декогеренцией. Причем классическая реальность и материальный мир могут полностью «раствориться». Если вектор состояния Универсума находится на экваторе сферы Блоха, то он проецируется в нуль, в точку начала координат. Это значит, что в этом состоянии материального мира вообще не существует — есть одна только «первичная информация». При движении вектора от экватора к полюсу классический мир возникает как бы «из ничего» — для классических объектов это будет выглядеть, как переход через точку сингулярности, они возникают «из небытия».
Квантовая теория красиво решает проблему «запредельных» состояний Вселенной в известной концепции Большого Взрыва, когда встает вопрос о том, что же было с материей до этого момента. Над ним давно ломают голову классические физики, пытающиеся представить, что было с реальностью до начала Большого Взрыва, в досингулярном состоянии Вселенной. В квантовой теории такого вопроса не возникает — никаких «досингулярных» состояний просто нет, эволюция вектора состояния Универсума непрерывна. Я бы сказал, что ЧЗСУ — это состояние надсингулярное. Сингулярности возможны для подсистем: например, возникновение классической реальности будет являться сингулярностью с точки зрения классических тел, но для ЧЗСУ это будет лишь небольшое «шевеление» амплитуд в его векторе состояния.
Простой пример — двусоставная система (две подсистемы А и В). Если взять ее вектор состояния в самом общем виде |Ψñ = a|00ñ + b|01ñ + c|10ñ + d|11ñ с обычным условием нормировки для амплитуд |a|2 + |b|2 + |c|2 + |d|2 = 1, то непрерывное изменение этих амплитуд (для наглядности их можно задать тригонометрическими функциями) будет приводить к сингулярностям с точки зрения подсистем. Подсистемы А и В будут периодически проявляться при взаимной декогеренции в локальном виде (как бы появляются объекты классической реальности) и «исчезать» (рекогеренция) в нелокальном состоянии. Когда одна из амплитуд равна единице (остальные нули), подсистемы будут иметь максимальную проявленность и не будут зависеть друг от друга. Затем они снова «растворяются» в нелокальном состоянии и полностью перестают существовать в виде локальных элементов, например, когда a = d = 1/√2 (b = c = 0) и квантовая запутанность при этом максимальна.
Как показал Вуттерс[102], в такой системе запутанность между подсистемами A и B отлична от нуля в любом случае, если нарушается равенство ad = bc и мера квантовой запутанности (в терминах concurrence, введенной, как я уже говорил, самим Вуттерсом, и сейчас наиболее широко используемой) равна С= 2 |ad — bc|.
В тот момент, когда подсистемы начинают локализовываться, то есть проявляются из нелокального состояния, для них это выглядит как переход через точку сингулярности, поскольку они возникают «из ничего». Для них это что-то типа «большого взрыва», нечто запредельное — если на ситуацию будет смотреть одна из подсистем и примется рассуждать, откуда она появилась в своем плотном состоянии. Подсистема никогда не сможет объяснить, откуда взялось ее локальное тварное тело и материальная оболочка, если она ничего не знает о наличии исходного нелокального состояния.
Примерно то же самое происходит в случае эволюции любой многосоставной системы, а также и самой большой из всех возможных систем — нелокального источника реальности.
Я бы еще сказал так: ЧЗСУ — источник всего сущего — при этом трансцендентен (запределен, потусторонен) для всего классического мира. Маленький (по размерности) вектор состояния классической реальности не имеет никакой возможности непосредственно «увидеть» большой вектор состояния ЧЗСУ — для классической реальности он трансцендентен. Более правильно говорить только о редуцированной матрице плотности классического домена. У него есть только одна возможность «почувствовать» существование ЧЗСУ — за счет наличия нелокальных квантовых корреляций, охватывающих все подсистемы.
Один из самых главных выводов, который следует из космологической концепции теории декогеренции, я бы сформулировал следующим образом: классический домен и весь наш материальный мир составляет незначительную часть объективной Реальности. Он как бы «погружен» во всеобъемлющий Квантовый Мир и «укутан» последовательными слоями все более тонких уровней с возрастающей мерой квантовой запутанности.
Глава 4Квантовые компьютеры. Практическая реализация
4.1. Квантовый процессор
Теперь, когда вы достаточно хорошо представляете себе, что такое кубиты, рассмотрим, каким же образом они реализуются в физических системах и, прежде всего, в качестве ячеек памяти (регистров) квантового компьютера. В этом разделе я сделаю краткий обзор научных публикаций, касающихся практической реализации квантового компьютера, и приведу мнение ученых насчет того, когда же можно ожидать его воплощения «в железе», и когда будет налажено его коммерческое производство.
Основные работы над аппаратным обеспечением (hardware) квантового компьютера продвигаются в следующих направлениях:
● создание квантового процессора;
● создание устройств для хранения квантовой информации (квантовая память);
● разработка квантовой шины для обмена информацией.
Сразу стоит отметить, что это лишь аналоги соответствующих устройств классического компьютера, которые будут существенно от них отличаться.
Наибольшие усилия и средства в настоящее время направлены на решение первого вопроса, и здесь достигнуты значительные успехи. При разработке квантового процессора необходимо, прежде всего, выбрать физическую систему, физическую основу процессора, которая бы отвечала следующим требованиям.
Физическая система, представляющая собой квантовый процессор, должна содержать достаточно большое число N > 100 хорошо различаемых кубитов для выполнения соответствующих квантовых операций.
Необходимо обеспечить условие для приготовления входного регистра в исходном основном базисном состоянии. То есть должна существовать достаточно легко реализуемая возможность инициализации (зануления) регистра и перевода кубитов в чистое состояние. Точнее, в псевдочистое, поскольку, как нам уже известно, никто пока не знает, как реализовать чистое состояние. Вполне вероятно, что здесь работает гипотеза об определяющей роли градиента энергии, реализуемого в системе (более подробно об этом см. в главе 5). Кстати, частный случай этого общего принципа как раз и используется в настоящее время и считается пока наилучшим — это метод Кори (предложен в 1996–1997 годы). Другие его названия — метод пространственного усреднения и метод градиентного поля.
Необходимо ограничить процесс декогеренции квантовых состояний, обусловленный взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиций квантовых состояний и делает невозможным выполнение квантовых алгоритмов. Время декогеренции должно, по крайней мере, в 104 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (время такта). Для этого система кубитов должна достаточно слабо взаимодействовать с окружением.
Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование. Дело в том, что любую математическую операцию, как арифметическую (сложение, вычитание, умножение, деление и т. д.), так и логическую («и», «или» и т. д.), можно свести к ограниченному числу логических операций.