Анатолий Дымарский: «Черная дыра — хаотический квантовый компьютер»

Правда ли, что ученые научились телепортировать простые объекты? Как квантовые компьютеры изменят индустрию финансовых операций? Как возникает связь между квантовой физикой и теорией информации? ПостНаука побеседовала с физиком, старшим преподавателем центра энергетических систем Сколтеха Анатолием Дымарским о современной теоретической физике.

О теории струн

— Что может объяснить теория струн?

— Теорию струн понимают по-разному: некоторые — как математическую теорию, а другие — как тематическую область, в которой работает некоторое сообщество ученых. Из этого проистекают разные взгляды на то, можно ли теорией струн что-то объяснить. При этом теория струн предлагает единственное теоретическое предсказание гравитации, о существовании которой мы знали задолго до Ньютона, но обосновать с помощью теории до сих пор толком не смогли.

О демоне Максвелла и энтропии

— Кто такой демон Максвелла?

— Демон Максвелла — это гипотетический физический прибор или инструмент, который должен работать как пористая стенка, пропускающая быстрые молекулы и задерживающая медленные. Смысл демона Максвелла в том, что его нет: его существование противоречило бы закону увеличения энтропии. Это аксиома современной физики.

— А энтропия увеличивается?

— Да, но закон увеличения энтропии статистический. У ученых есть статистические предсказания, которые в среднем работают, но конкретный случай может оказаться исключением. В каждой ситуации система может повести себя определенным образом, поэтому иногда энтропия не увеличивается. 

В этом случае физика работает так же, как социальные науки. В социологии есть представление о макросоциальных условиях, которые определяют общие тенденции и закономерности развития общества. Эти условия влияют на то, как отдельный человек строит свою биографию, но не так значительно, как личные факторы. При этом отдельные показатели можно сопоставлять и говорить о средней продолжительности жизни, которая растет или падает.

Разумеется, у частицы нет свободы воли, но она может вести себя индивидуально. В том или ином конкретном случае можно наблюдать нарушение закона увеличения энтропии. Но если усреднить значение большого количества частиц или экспериментов, станет ясно: энтропия увеличивается.

О гравитации с точки зрения квантовой физики

— Любую ли физическую теорию можно проквантовать?

— Далеко не любую. Мы не знаем, как квантовать гравитацию, хотя и предполагаем, что это возможно. 

Нам известно много попыток описать гравитацию в терминах квантовой физики. На техническом уровне ученым мешают возникающие бесконечности и сингулярности, а на концептуальном уровне все сложнее. 

Сейчас ученым понятно, что самосогласованная теория гравитации должна удовлетворять определенным условиям: кроме гравитации должны присутствовать другие силы частиц и их взаимодействий.

Гравитация — пример неперенормируемой теории. В перенормируемых теориях детали не влияют на результат. Если вы поднесете к глазам портрет в старой газете, то увидите, что вблизи он состоит из белых и черных точек. Форма каждой точки не важна: нам интересно, что при отдалении эти точки сливаются и образуют портрет. 

Гравитация устроена так, что микроскопические детали оказываются очень важны. Предположим, у вас есть вещество с определенной молекулярной структурой — вода. Если изменить расстояние между ее молекулами, образуется вещество в другом агрегатном состоянии (лед) с другими свойствами. Так же и в гравитации микропроцессы определяют макроскопические свойства вещества. При попытке теоретически описать гравитацию мы сталкиваемся с отсутствием знаний о микроскопических деталях, которые оказываются важными.

О квантовой телепортации

— Возможна ли квантовая телепортация?

— «Квантовая телепортация» звучит мистически, как будто это портал, переносящий в другие миры. На самом деле это работает не совсем так. Мы можем телепортировать простые вещи, например квант, атом или фотон.

У фотона есть только бинарные характеристики: положительная или отрицательная спиральность, продольная или поперечная поляризация. Из-за простоты этих характеристик фотон несложно телепортировать хоть на другой край света — такие эксперименты действительно есть. Это звучит как нечто простое, но для таких экспериментов нужна подготовка: необходимо создать систему из двух запутанных фотонов и послать их в два разных конца. 

Под телепортацией мы понимаем моментальное перемещение объекта. Напрашивается очевидный вопрос: как быть с общей теорией относительности, которая говорит, что невозможно посылать физический сигнал быстрее скорости света? Этот принцип неоспорим, но все эксперименты по телепортации его не нарушают.

На самом деле телепортация не происходит мгновенно. Она основана на вероятности и проходит успешно только в 50% случаев. В остальных передается неправильный сигнал, противоположный. Это примерно то же самое, если попросить человека на другом конце Земли отгадать, что вы загадали: «да» или «нет», «один» или «ноль». Это не передача информации в обычном смысле. Даже в случае успешной телепортации о ней будете знать только вы, с точки зрения системы она будет продолжать угадывать. 

Есть более тонкие схемы, где вероятность передачи больше или меньше 50%. Ученые анализируют влияние шумов на телепортацию, пытаются добиться идеальной передачи сигнала, пробуют передавать его в квантовом канале. Но это действительно нельзя сделать быстрее скорости света, этот принцип нерушим.

О квантовом компьютере

— Все активно следят за развитием квантовых компьютеров и рьяно их ждут. Какие проблемы они разрешат?

— Когда люди говорят о квантовых компьютерах, они ориентируются на мощность в 2 тысячи кубитов. Ими нужно научиться управлять когерентным образом (то есть согласовывать их) и делать с их помощью расчеты. В результате возникнут более мощные компьютеры, которые решат оптимизационные задачи. Это будет полезно во многих сферах, в частности в синтезе новых лекарств. Мы сможем проводить любые расчеты, необходимые для работы на молекулярном уровне.  

— Есть ли смысл использовать квантовый компьютер для обычных вычислений или логичнее применять его для проблем вроде задач с перебором?

— Целая область науки занимается вопросами того, какие задачи выгодно решать на квантовом компьютере. Класс таких задач довольно широкий. К ним относится разложение числа на простые множители — задача, завязанная на криптографию. Квантовый компьютер сможет взламывать любые шифры или, наоборот, делать очень сложные квантовые коды. Индустрия криптографии, банков и финансов должна будет адаптироваться к этим изменениям.

Квантовый компьютер решит задачу обратного поиска. Представьте, что вам нужно найти номер человека по его имени в телефонной книге. Вы будете искать имя в алфавитном порядке — количество шагов будет логарифмически расти c увеличением количества людей в городе. А если вы хотите найти имя человека по номеру телефона, то у вас не будет алгоритма лучше, чем перебор, и придется смотреть на все номера телефонов. Квантовый компьютер сможет создать алгоритм, который справится с этой задачей на порядок эффективнее перебора. Если перебор потребует n операций, то квантовый алгоритм решит эту же задачу за √n операций.

— Как бы вы оценили существующие попытки создать квантовый компьютер?

— Пока рано говорить о том, что квантовые технологии превосходят классические, но в этой области есть прогресс. Многие группы работают в этом направлении — одна из них базируется в Сколтехе. Я сам участвую в этом проекте, выступаю как теоретик в одной команде с коллегами-экспериментаторами. Мы пытаемся сделать не очень большой квантовый компьютер, чтобы иметь технологию, на которой можно отработать практические, экспериментальные и теоретические идеи. Как и другие группы в мире, которые занимаются этой проблемой, мы еще далеки от практического применения. Тем не менее динамика налицо. Если десять лет назад люди говорили об одном или двух кубитах, то сейчас ученые работают с десятками кубитов. При сотне кубитов мы уже превзойдем мощность любого классического компьютера.

В медиа часто появляются спекулятивные статьи о квантовом превосходстве: ученые говорят, что их квантовый компьютер сделал то, что классический не смог. На самом деле непонятно, как определить, что один компьютер лучше другого. Резиновая печать с цифрой 5 будет выдавать правильный ответ на бесконечное количество сложнейших задач, если их ответ «5». При этом она точно не будет являться компьютером. Кроме того, она будет выдавать неправильный ответ почти на все остальные задачи. Обычно ученые делают квантовое устройство и говорят: наш квантовый компьютер быстро посчитал то, что не может классический. Неизвестно, справится ли этот компьютер, если мы немного изменим условия задачи. 

О квантовой информации

— В какой момент возникает связь между квантовой механикой и теорией информации?

— Самая очевидная связь возникает при попытках использовать квантово-механические системы для измерения или квантового вычисления. В рамках квантовой механики результат эксперимента не известен точно, только статистически. Квантовые физики не говорят «да» или «нет» — они дают ответы вроде: «„Да“ с какой-то вероятностью» или «„Нет“ с какой-то вероятностью». Эксперименты нужно повторять много раз, чтобы информация приобрела статистический характер. 

При экспериментах с многокубитными системами перед нами есть множество стрелок, направленных вверх и вниз. Нужно смотреть на корреляции между ними и разбираться, какая информация в них содержится. Это правильнее делать с точки зрения теории информации. Возникает область квантовой метрологии, в которой ученые пытаются использовать квантово-механические системы для реальных измерений, чтобы улучшить их результат. В этой области тоже необходимы понятия, связанные с квантовой информацией.

За последние пять лет стало понятно, что языком квантовой информации можно описывать динамику систем, в том числе таких сложных, как черные дыры. Черные дыры — это наполовину гипотетические объекты. Они существуют, но мы не знаем, как именно они себя ведут. При попытках проквантовать их в рамках классической теории гравитации стало ясно, что черные дыры как квантово-механический объект перемешивают и запутывают информацию. Получается, что к ним нужно подходить с точки зрения квантовой информации, думать о них как о хаотическом квантовом компьютере.