Мир поехал назад, мы до XIX века доехали, кнопочку нажали – о, тут нам интересно!
Скачать передачу [mp3, 21.2 МБ]
Мы предлагаем читателям полный текст радиопередачи.
М. Баченина:
- Здравствуйте, друзья. В студии доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией квантовых информационных технологий МФТИ, руководитель образовательной программы «Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий» МФТИ Гордей Лесовик.
Я хочу сегодня с вами поговорить об эксперименте, который журналисты окрестили путешествием во времени, когда испытатели смогли квантовую систему из наконечника стрелы обернуть в ее основание. Проще говоря, из будущего в прошлое направить (даже боюсь сказать) электроны или квантовый компьютер. Такая квантовая история Бенджамина Баттона. Давайте начнем с того, кому и зачем пришла в голову идея этого эксперимента. Может быть, об этом всегда мечтали, а мы просто не знаем?
Г. Лесовик:
- Этой темой я занимаюсь уже много лет, мои соавторы тоже к этому подключились достаточно давно. А вообще идея обращения времени, как это все устроено, почему время необратимым образом течет в нашей жизни, а фундаментальные законы физики симметричны по времени, это еще с XIX века такая задача возникла. Это противоречие по-разному пытались разрешить с XIX века и до сих пор продолжают на эту тему много чего писать.
М. Баченина:
- Вы сказали, что законы физики симметричны по времени. Правильно я понимаю, что вперед, что назад законы физики это одним уравнением описывают?
Г. Лесовик:
- Да. Если вы бросите мячик, в принципе, если вы с другой стороны мячик с другой начальной скоростью бросите, он может лететь в противоположную сторону. А если взять человека в возрасте лет 60 и забросить его в состояние лет 6, не получится. Вот чашка разбилась…
М. Баченина:
- Она назад не склеится.
Г. Лесовик:
- Ее в таком же виде уже нереально собрать. В квантовой системе это возможно.
М. Баченина:
- Что эксперимент должен был показать?
Г. Лесовик:
- Он должен был проиллюстрировать ту идею, что известное квантовое состояние можно обратить с помощью определенного ряда манипуляций. Еще нужно было саму квантовую программу создать для квантового компьютера.
М. Баченина:
- Это то, что вы сделали с электроном? То, что в жизни не получится сделать, вы сделали на этом компьютере.
Г. Лесовик:
- Все зависит от того, какая жизнь. Например, в МРТ, в более сложных вариантах, в манипуляциях с ядрами (в том числе в человеке это можно делать) используются фактически элементы а-ля квантовый компьютер. Можно устраивать разные манипуляции и улучшать, скажем, видность МРТ-картинки.
М. Баченина:
- Еще такой гуманитарный вопрос. А почему в прошлое, а не в будущее?
Г. Лесовик:
- На самом деле в будущее. Мы делаем действительно квантовую историю Бенджамина Баттона. Давайте вспомним про него. Он остается молодым, в то время как все стареют.
М. Баченина:
- Он даже молодеет.
Г. Лесовик:
- Представьте себе, что у вас есть машина времени, вас перенесли в будущее. Вы остались при своем возрасте, а всем остальным уже за 100 лет. Если мы в какой-то системе состояние омолодили, то получается, что эта система перенеслась в будущее.
М. Баченина:
- Да, можно так сказать. Но все как-то ужасно относительно у вас.
Г. Лесовик:
- Это ровно то, что мы делаем. Оно так, как есть. Для того чтобы пропутешествовать в прошлое, нам нужно такую манипуляцию со всем остальным миром сделать. Тогда получится, как будто мы в прошлом. Мы остаемся такими, как есть…
М. Баченина:
- На месте, а весь мир идет в прошлое.
Г. Лесовик:
- Мир поехал назад, мы до XIX века доехали, кнопочку нажали – о, тут нам интересно.
М. Баченина:
- Почему я говорю, что относительно? Смотря относительно чего рассматривать этот процесс – относительно себя или мира.
Г. Лесовик:
- Разумеется. Тем не менее, мы манипуляцию производили с самой системой. Поэтому с точки зрения системы она система в будущее. Мы ее состояние омолодили, но когда она смотрит наружу…
М. Баченина:
- Надо объяснить, что такое квантовая система. Потому что мы, обычные люди, привыкли, что эксперименты на мышах проводят. Это понятно. Если перенести мышь в вашу лабораторию, в квантовую. Мышь есть, мы ее видим, на кнопку нажали…
Г. Лесовик:
- У нас в лаборатории нет еды. Вот к соседям биологам можно…
М. Баченина:
- Я моделирую картину. Нажали на кнопку. Мышь исчезла и появилась в прошлом. Нажали на кнопку – она вернулась. Вот так нам понятно. Объясните, что такое квантовая система.
Г. Лесовик:
- Это любая система, которая более-менее отчетливо проявляет квантовые свойства, не классические в частности. А одно из свойств – способность находиться в суперпозиции двух классически различимых состояний.
М. Баченина:
- Как я это понимаю? Можно обратить состояние, время с точки зрения физики, что, собственно, противоречит физике. Мне интересно, а что противоречит физике? Биология например? Если взять этот же эксперимент, в какую систему это не укладывается? Или смотря на чем мы экспериментируем? У вас была система, которая в компьютере. Можно это перенести на что-то другое, на ту же чашку?
Г. Лесовик:
- Нет, чашку не получится. Эта чашка должна быть сделана квантовой. Мы должны уметь контролировать все ее степени свободы, каждый атом. И вот если мы так умеем делать, тогда мы можем делать подобного сорта манипуляции. А если это просто чашка сама по себе, и мы не имеем доступа ко всем ее атомам, молекулам и т.д., то нет, не можем. У нас нет такого способа, чтобы просто взять чашку, поставить в шкаф и вернуть ее назад. На самом деле можно так сделать только в том случае, когда контролируются все степени свободы. В этом, собственно, и есть содержание. Это не только наша идея, она в каком-то виде уже давно существует. Что если есть контроль полный над всеми динамическими характеристиками системы, тогда можно это делать. Если такого контроля нет, то нет такого магического или суперфизического способа…
М. Баченина:
- Это я понимаю. Но зачем тогда это все? Ведь очень хочется, чтобы и чашки склеивались, и омолаживаться. Практическое применение того, что вы доказали?
Г. Лесовик:
- Практическое применение с точки зрения теории – улучшение теоретического понимания. В целом методически принято считать (и это правда почти всегда), в конце концов, приводит к практическим результатам. Такие манипуляции, в конце концов, позволяют улучшить, например, видность картины в методе МРТ. Мы станем лучше различать не только ткани, где вода есть…
М. Баченина:
- Каждую клетку.
Г. Лесовик:
- Каждую клетку – это не скоро. Например, кости можно различать, еще что-то.
М. Баченина:
- То есть в медицине, в технологиях.
Г. Лесовик:
- И, как ни смешно, вполне себе в человеческом организме можно устраивать такие квантовые манипуляции.
М. Баченина:
- Что это за квантовые какие-то штуки, которые могут происходить и в нашем организме?
Г. Лесовик:
- Очень просто. У нас в организме есть какие-то молекулы подходящие, с которыми мы можем с помощью методов ядерного магнитного резонанса производить определенные манипуляции. Они будут квантовые, как ни странно. Даже при комнатной температуре. Это вообще необычно. Не так много очевидным образом квантовых явлений происходит при комнатной температуре. Скажем, те же квантовые компьютеры, на которых мы вычисляли и обращали состояние системы вспять по времени. А это при комнатной температуре происходит. Можно устраивать квантовые вычисления довольно сложные. В мире несколько таких экспериментов сделано. Так вот, часть из них можно использовать, грубо говоря, для охлаждения под системы и для большей поляризации магнитных моментов, которые содержатся в теле человека. Это процессы квантовые. Там взаимодействуют два маленьких магнитика, которые фактически сидят в ядре того или иного вещества, они взаимодействуют. Взаимодействуют они вполне себе квантовым образом.
М. Баченина:
- Квантовым образом. Гордей Борисович, наверное, надо объяснить, что это вообще такое – квантовое что-то.
Г. Лесовик:
- Все очень просто.
М. Баченина:
- То есть квантовое – это магнитное взаимоотношение.
Г. Лесовик:
- Та же самая бутылочка. Вот она лежит или стоит. Если в классике, то она только в одном состоянии и всё. Но если это квантовый объект, тогда он может находиться в суперпозиции того и другого.
М. Баченина:
- То есть бабочка у нас может вылететь одновременно и в дверь, и в окно.
Г. Лесовик:
- Да. Только бабочка большая, а спин маленький.
М. Баченина:
- Спин?
Г. Лесовик:
- Это механический момент. Это я добавил лишнее слово. Маленький магнитик.
М. Баченина:
- Что это за понятие такое – стрела времени? Это вы для общего понимания обозначили или это с чем-то связано?
Г. Лесовик:
- Это не мы обозначили. Это в XIX веке придумали. Мы с вами обсуждали, законы физики в целом фундаментальны и симметричны по времени. Мы могли бы ходить по улицам, встречать кошек, бегущих вперед, потом вдруг та же самая кошка побежала назад, молодеющий дедушка, а к лету он опять начал стареть, а в следующем году вообще в юнцы переехал. Это существует не так. Всегда есть направление – до и после. Мы всегда можем четко различить. Это и есть стрела времени на оси.
М. Баченина:
- Когда начинаешь готовиться к программе, везде всплывает второй закон термодинамики. Он понятен. Но почему он так связан с этой стрелой времени?
Г. Лесовик:
- Одна из формулировок, которая буквально связана… Очевидным образом они все связаны, потому что все формулировки взаимопревращаемые…
М. Баченина:
- Да, это очень логичное продолжение друг друга, на мой взгляд.
Г. Лесовик:
- Вы, наверное, не совсем то имеете в виду. Есть три формулировки второго закона. Одна формулировок – что так называемая энтопия, или степень беспорядка, грубо говоря, нарастает. На самом деле она еще константой может быть. Она, по крайней мере, не убывает.
М. Баченина:
- Вы о том, что все стремится к хаосу, а не приводится в порядок.
Г. Лесовик:
- Да.
М. Баченина:
- А что всё – частицы?
Г. Лесовик:
- Нет, не обязательно. Любая система, которая изолирована от своего окружения. С квантовой точки зрения сразу нужно добавить – квазиизолирована. Потому что если она совсем изолирована, то с квантовой точки зрения там ничего не происходит, то есть хаос не нарастает, не убивает, он остается константой. Итак, если у нас есть такой закон, что есть энтропия изолированной системы, и она растет, вот вам и указатель, и такое явление, которое указывает на стрелу времени. Вот мы смотрите на эту энтропию, пусть вы ее сумели как-то измерить, и видите, что имеется направление времени. Вот так, собственно, и связано, очень просто. Если бы у нас процессы могли бежать по времени, что вперед, что назад, тогда бы энтропия то росла, то убывала.
М. Баченина:
- А то, что горячие вещи становятся холодными, как это сюда вписать?
Г. Лесовик:
- Это то же самое. Сегодня от горячего к холодному перетекали, а завтра наоборот.
М. Баченина:
- Нет, со стрелой времени как это связано? Тоже, получается, мы куда-то смотрим, горячее остывает, и это и есть движение по стреле времени?
Г. Лесовик:
- Да, можно так сказать. Фактически это тоже нарастание энтропии. В этом смысле это нормальное движение по стреле времени. Если бы вдруг по каким-то причинам это движение стало аномальным, то это бы разворачивалось наоборот. Такие эксперименты без нас делали люди и просто наблюдали такое обратное движение во времени. Можно взять горячее тело, холодное тело, и вот от горячего к холодному перетекает тепло. Потом берем и делаем некую квантово-механическую манипуляцию. И – о чудо! – виден совершенно противоположный процесс, тепло начинает ехать обратно, от холодного к горячему.
М. Баченина:
- Какую манипуляцию, например?
Г. Лесовик:
- Не например, совершенно конкретная должна быть сделана. Сопряжение состояния, нужно поменять фазы на противоположные.
М. Баченина:
- Вы сейчас описываете некое экспериментальное устройство.
Г. Лесовик:
- Фактически да.
М. Баченина:
- Там, где можно фазы поменять, это же то, что мы можем потрогать.
Г. Лесовик:
- Да, это экспериментально реализовано, и даже не на универсальных квантовых компьютерах, а на неких более специальных устройствах. В принципе так можно сделать, и тепло поедет назад, от холодного к теплому.
М. Баченина:
- Скажите, можно ли объяснить, хотя бы примерно, что такое квантовый компьютер на примере моего домашнего, чтобы стало понятно людям?
Г. Лесовик:
- У квантового компьютера, поскольку он теперь доступен онлайн, интерфейс ровно такой же. Мои студенты на своих ноутбуках сидят и что-то вычисляют на квантовых компьютерах.
М. Баченина:
- То есть они отправляют задачу куда-то на мощнейший сервер?
Г. Лесовик:
- Да.
М. Баченина:
- Сколько он квадратных километров занимает?
Г. Лесовик:
- Он занимает совсем немного.
М. Баченина:
- У меня какие-то гиганты в голове рисуются.
Г. Лесовик:
- Гиганты – это суперкомпьютеры, а квантовые компьютеры, в этом их преимущество – в том, что они не числом, а умением берут.
М. Баченина:
- Это сложно понять. Для меня всегда умение равно мощности. А мощность сопряжена с размерами. Большой человек, он сильный – вот такая логика в голове у гуманитария.
Г. Лесовик:
- Я очень грубо сейчас скажу. Если вы, кроме состояния бутылочки, которая лежит и стоит, еще учтете все возможные состояния в промежутке, то у вас появилось гораздо больше пространств возможных состояний. Вы не ставили много-много бутылочек, а всего одной взяли и записали. Это не аккуратный пример. Но представьте себе, что если мы таким образом хотя бы в память возьмем и запишем с помощью суперпозиции гораздо больше информации, имея мало этих бутылочек, вот мы уже и выиграли в объеме, хотя бы в памяти. Точно так же в процессоре, когда используются характерные квантовые процессоры, там можно выиграть не количеством…
М. Баченина:
- А качеством. Это как кофе – вам по объему или по крепости? А что нужно и можно вычислять с помощью квантового компьютера?
Г. Лесовик:
- Хороший вопрос. Почему вся эта история стала очень громкой? Потому что в 94-м году Питер Шор придумал алгоритм, который умеет факторизовать очень большие числа, в частности, числа, которые являются результатом умножения двух очень больших простых чисел.
М. Баченина:
- А факторизовать – это что значит?
Г. Лесовик:
- Разложить на два множителя. Так вот, если это очень большие числа, то это очень сложная задача. Если вы не знаете фокуса одного из этих чисел, а просто вам выдали число, чтобы понять, из каких двух чисел оно состоит, надо будет перебирать чудовищно длительное время. На сложности этой задачи основана стойкость алгоритма шифрования RSA. Он зашит практически во все компьютеры на этом белом свете. Поэтому когда выяснилось, что с помощью квантового компьютера все это можно взломать, вот тут-то и начался бум и история всего этого дела.
М. Баченина:
- Вот для чего они нужны.
Г. Лесовик:
- За этим-то и гонка.
М. Баченина:
- Кто-то вам скажет: тогда зачем они нам нужны?
Г. Лесовик:
- Кто?
М. Баченина:
- Какой-нибудь завод Intel или какой-нибудь завод Apple.
Г. Лесовик:
- Питер Шор сообщал, что в какой-то момент, уже после того, как он сделал доклад об этом алгоритме, к нему подошли ФБРовцы и попросили: а нельзя ли об этом никому ничего не рассказывать? Он сказал: знаете, уже поздно, всё уже утекло в сеть.
М. Баченина:
- Это он придумал? А что у него за мозг был?
Г. Лесовик:
- Нормальный мозг. Западная манера предполагает, что герой один. Вот Питер Шор, и всё. На самом деле до него была куча предшественников, были открыты другие алгоритмы, начиная с самого примитивного алгоритма Дойча и т.д. Люди шажками двигались, а он сделал последний удачный шаг, который просто добил это дело. На самом деле, если бы у него был такой мозг, который все это придумал…
М. Баченина:
- То это был бы суперчеловек.
Г. Лесовик:
- А так он просто очень сильный математик.
М. Баченина:
- Спасибо вам большое.