Математики, шпионы и хакеры. Кодирование и криптография - [31]
Нильс Бор (слева) и Макс Планк, основатели квантовой физики, на фотографии, сделанной в 1930 г.
Кот, ни живой ни мертвый
На семинаре по квантовой физике, состоявшемся в 1958 г., Бор так ответил одному из выступающих: «Мы все согласны с тем, что эта теория является бредовой. Вопрос, который нас разделяет, состоит в том, является ли она бредовой настолько, чтобы иметь шанс оказаться правильной». Насколько, на самом деле, бредова квантовая механика? Возьмем, например, принцип суперпозиции состояний. Частица находится в суперпозиции состояний, если в один и тот же момент она находится в двух различных положениях или когда она одновременно имеет различное количество энергии. Однако когда наблюдатель производит измерения, частица всегда выбирает одно состояние или обладает определенным количеством энергии. Шрёдингер предложил мысленный эксперимент, известный как «кот Шрёдингера», чтобы проиллюстрировать этот очевидно парадоксальный принцип. Пусть в закрытом непроницаемом ящике находится кот. Внутри ящика имеется колба с ядовитым газом, связанная специальным устройством с радиоактивной частицей, так что если частица распадается, газ выходит из колбы и кот умирает. Вероятность того, что эта частица распадется в течение определенного периода времени, составляет 50 %. Эксперимент с такими параметрами зависит от поведения частицы и подчиняется законам квантовой физики.
«Кот Шрёдингера» — мысленный эксперимент, иллюстрирующий один из принципов квантовой теории, а именно принцип суперпозиции состояний.
Допустим, что определенный период времени прошел. Вопрос: жив кот или мертв? Или, на языке квантовой механики, в каком состоянии находится система «ящик-кот»? Ответ на этот вопрос состоит в том, что пока наблюдатель не откроет ящик и не «измерит» состояние системы, частица может находиться в суперпозиции состояний: быть распавшейся и нераспавшейся. Значит, и система находится в суперпозиции состояний: кот, строго говоря, может быть и жив, и мертв одновременно.
Для тех, кто считает суперпозицию состояний надуманной гипотезой, важно отметить, что многими уважаемыми физиками были предложены альтернативные теории. Например, теория, известная как гипотеза возможных миров, утверждает, что понятие суперпозиции состояний — неприемлемый тезис, а на самом деле происходит вот что: для каждого из возможных состояний частицы — будь то положение, количество энергии и т. д. — существует альтернативная вселенная, где частица находится в одном конкретном состоянии. Другими словами, в одной вселенной кот в ящике жив, а в другой — мертв. Когда наблюдатель открывает ящик и убеждается, что его маленький дружок на самом деле жив, он делает это, находясь в одной из возможных вселенных. В другой параллельной вселенной — вместе с ее звездами, планетами, вокзалами и муравьями — этот же наблюдатель заглядывает в ящик и обнаруживает, к своему горю, что кот отравился смертельным ядом. Однако сторонники гипотезы возможных миров до сих пор не объяснили, как эти миры взаимодействуют друг с другом. Несмотря на это, теория показывает, что вопрос заключается лишь в интерпретации того, почему квантовая реальность ведет себя подобным образом, а не в самом поведении, которое подтверждено многочисленными убедительными экспериментами.
От бита к кубиту
Какая, однако, связь между суперпозицией состояний частиц и вычислениями, не говоря уже о криптографии? До 1984 г. никто даже не думал о связи между этими двумя областями. Примерно в то же время британский физик Дэвид Дойч выступил с революционной идеей: а что было бы, если бы компьютеры подчинялись законам квантовой механики, а не классической физики? Как повлиял бы принцип суперпозиции состояний частиц на вычисления?
Напомним, что обычные компьютеры обрабатывают минимальные единицы информации, называемые битами, допускающими два взаимоисключающих значения: 0 и 1. Квантовый компьютер, с другой стороны, в качестве минимальной единицы информации мог бы работать с частицей, находящейся в двух возможных состояниях. Например, спин электрона может быть направлен либо вверх, либо вниз. Такая частица будет иметь фантастическое свойство: представлять значение 0 (спин вниз) или значение 1 (спин вверх). По принципу суперпозиции состояний она может представлять оба значения одновременно. Эта новая единица информации получила название кубит (сокращение от «квантовый бит»), и работа с такими единицами открывает двери в мир супермощных компьютеров.
Обычный компьютер выполняет вычисления последовательно. Возьмем в качестве примера цифровую информацию, содержащуюся в 32 битах. С таким количеством битов мы можем закодировать числа от 0 до 4292967295. Обычный компьютер, чтобы найти определенное число из этой группы, должен будет перебирать бит за битом. Однако квантовый компьютер может выполнить задачу гораздо быстрее.
Чтобы проиллюстрировать это, представим, что в специальном контейнере находятся 32 электрона в суперпозиции состояний. Применяя достаточно сильные электрические импульсы, мы можем изменить спин электрона сверху вниз. Тогда эти 32 электрона — кубиты нашего квантового компьютера — будут представлять все возможные комбинации спина вверх (1) и спина вниз (0) одновременно. В результате поиск нужного числа выполняется за один раз, так как находит все возможные варианты. Если мы увеличим количество кубитов до, например, 250, количество одновременных операций, которые могут быть выполнены, составит примерно 10
