«В человеческом организме можно устраивать квантовые манипуляции»: как ученые «обращают время»
Мы предлагаем полный текст радиопередачи.
М. Баченина:
- Здравствуйте! Начинается «Передача данных». И в студии у нас доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ, руководитель образовательной программы «Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий МФТИ» Гордей Лесовик. Гордей Борисович, здравствуйте!
Г. Лесовик:
- Здравствуйте!
М. Баченина:
- Я хочу сегодня с вами поговорить об эксперименте окрестили «Путешествием во времени», когда испытатели смогли квантовую систему из наконечника стрелы обернуть в ее основание. Проще говоря, из будущего в прошлое направить. Электроны или квантовый компьютер, но квантовая история такая Бенджамина Баттона. Честное пионерское!
Хорошо. Давайте начнем с того, кому и зачем пришла в голову идея этого эксперимента? Может, 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 эта идея обращения времени, как это все устроено, почему время необратимым образом течет в нашей жизни, фундаментальные законы физики симметричны по времени, это еще с девятнадцатого века такая задача возникла. Это противоречие по-разному пытались разрешить с девятнадцатого века и до сих п ор продолжают на эту тему много чего писать.
М. Баченина:
- С девятнадцатого века носились с этой идеей, а вот вы сказали: законы физики симметричны по времени. Правильно я понимаю, что вперед, что назад – законы физики уравнением одним это описывает? Алгоритмом каким-то.
Г. Лесовик:
- Да. Если убрать мячик, у вас с другой стороны, с другой начальной скоростью забросить, он может лететь в противоположную сторону. Правда? А вот взять человека в возрасте лет так шестьдесят, забросить его в состояние лет так шесть не получится. Правда?
М. Баченина:
- Обидно.
Г. Лесовик:
- Вопрос. Почему? Обидно – это раз. Но еще интересно, почему? Но так как человек – это совсем яркий пример, гораздо проще другие примеры, которые… Вот чашка разбилась.
М. Баченина:
- Она назад не склеится.
Г. Лесовик:
- И в таком же виде ее уже нереально собрать. В квантовой системе это возможно.
М. Баченина:
- А вот что эксперимент должен был показать?
Г. Лесовик:
- Он должен был проиллюстрировать ту идею, что известное квантовое состояние можно обратить с помощью определенного ряда манипуляций. И еще нужно саму квантовую программу…
М. Баченина:
- Поднастроить.
Г. Лесовик:
- … программу для квантового компьютера можно было написать, создать. Это тоже не совсем простое дело.
М. Баченина:
- Это то, что вы сделали с электроном? Того, чего в жизни не получится сделать, вы сделали именно 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, соответственно, улучшать видность МРТ-картины.
М. Баченина:
- Гуманитарный вопрос. А почему в прошлое, а не в будущее?
Г. Лесовик:
- На самом деле, в будущее. Мы делаем квантовые истории Бенджамина Баттона. Давайте вспомним про него. Он остается молодым в то время, как все стареют.
М. Баченина:
- Он молодеет даже.
Г. Лесовик:
- Можно сказать, что и молодеет. Вот представьте себе, что у вас есть машина времени. И вас перенесли в будущее. Вы остались при своем возрасте. А все остальные уже за сто лет. Вот. Поэтому если мы в какой-то системе данных состояние омолодили, то получается, что она, эта система, перенеслась в будущее. Правильно?
М. Баченина:
- Можно так сказать. Но все как-то ужасно относительно!
Г. Лесовик:
- Ровно то, что мы делаем. Оно так, как есть. Дальше это как воспринимать. Для того, чтобы пропутешествовать в прошлое, нам нужен такую манипуляцию со всем остальным миром сделать. Вот тогда получится, как будто мы в прошлом. Мы остаемся такими, как есть, а мир поехал назад. И мы до девятнадцатого века доехали, кнопочку нажали, о, тут нам интересно.
М. Баченина:
- Понимаете, почему я говорю, что относительно? Относительно смотря 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, она… Человеческая аналогия.
М. Баченина:
- Надо слушателям объяснить, что такое квантовая система, потому что мы привыкли, мы, обычные люди, миряне, привыкли, что эксперименты на мышах проводят. Это понятно. Вот если перенести мышь в вашу лабораторию, в квантовую? Мышь есть. Мы ее видим. На кнопку нажали, а…
Г. Лесовик:
- А нас в лаборатории нет еды, так что…
М. Баченина:
- Нет, подождите! 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 неклассические. В частности, одно из свойств – это способность находиться в суперпозиции двух классически различимых состояний.
М. Баченина:
- Вот как это я понимаю. Можно обратить состояние, время с точки зрения физики, что, собственно, противоречит физике. И мне интересно, а что противоречит физике? Биология? Если взять тот же эксперимент…
Г. Лесовик:
- Никто не противоречит.
М. Баченина:
- В какую систему это не укладывается? Или тут надо смотреть, смотря на чем мы экспериментируем. У вас была система, которая в компьютере. Можно это перенести на что-то другое?
Г. Лесовик:
- Нет. Конечно, нет.
М. Баченина:
- Вот та же чашка. Я про мышей молчу.
Г. Лесовик:
- Чашку не получится. Эта чашка должна быть сделана квантовая. Мы должны уметь контролировать все ее степени свободы, каждый атом. И если мы так умеем делать, тогда мы можем делать подобную манипуляцию. А если это просто чашка сама по себе, к которой мы не имеем доступа ко всем ее атомам и молекулам, то нет. Не можем.
У нас нет такого способа, чтобы просто взять чашку, поставить в шкаф и вернуть ее назад. Допустим, она разбита. Или какое-то живое существо.
На самом деле, можно так сделать только в том случае, когда контролируются все степени свободы. В этом и есть содержание, но это не только наша идея, она в каком-то виде давным-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…
М. Баченина:
- Это я понимаю. Даже я понимаю. Мне стыдно сейчас спрашивать, но зачем тогда это все? Ведь очень хочется, чтобы и чашки склеивались, и омолаживаться. Практическое применение того, что вы доказали?
Г. Лесовик:
- Практическое применение, во-первых, это с точки зрения теории вообще как бы улучшения теоретического понимания. А в целом методически принято считать, и это, правда, почти всегда, в конце концов, приводит к практическим результатам. Такие манипуляции позволяют, в конце концов, улучшить видность картины в методе МРТ. Лучше разливать ткани и не только ткани, а где вода есть.
М. Баченина:
- Каждую клетку.
Г. Лесовик:
- Ну, каждую клетку – это не скоро, а, например, кости можно различать, еще что-то.
М. Баченина:
- То есть, в медицине.
Г. Лесовик:
- И, как ни смешно, вполне себе в человеческом организме можно устраивать квантовые манипуляции.
М. Баченина:
- А что это за квантовые штуки, которые могут происходить и с нашем организме?
Г. Лесовик:
- Очень просто. Пусть у нас есть в организме молекулы подходящие, которые мы можем с помощью методов ядерного магнитного резонанса производить определенные манипуляции. Они будут квантовые, как ни странно. Даже при комнатной температуре, а это вообще необычно. Не так много квантовых, очевидно квантовых явлений происходит про комнатной температуре. Скажем, те же квантовые компьютеры, на которых мы вычисляли состояние системы вспять по времени. А это при комнатной температуре происходит. И можно устраивать квантовые вычисления довольно сложные. В мире несколько таких экспериментов сделано. И часть из них можно использовать фактически, грубо говоря, для охлаждения под системы и для большей поляризации магнитных моментов, которые содержатся в теле человека. Это процессы квантовые. Там взаимодействуют два магнитика маленьких, которые фактически сидят в ядре того или иного вещества. Они взаимодействуют вполне себе квантовым образом.
М. Баченина:
- Вот квантовым образом. Я сейчас поняла, что надо слушателям объяснить, что такое квантовое что-то.
Г. Лесовик:
- С магнитным моментом все очень просто.
М. Баченина:
- Квантовое – это магнитное взаимоотношение, так.
Г. Лесовик:
- Вот она лежит, там стрелочка такая. Вот. И если в классике, то она только в одном состоянии. И все. Но если то квантовый объект, тогда он может находиться в суперпозиции того и другого.
М. Баченина:
- Бабочка у нас может вылететь одновременно и в дверь, и в окно?
Г. Лесовик:
- Да.
М. Баченина:
- Черт! Только как это представить?
Г. Лесовик:
- Бабочка большая, а спин маленький. Именно поэтому с ним можно…
М. Баченина:
- Спин теперь.
Г. Лесовик:
- Это механический момент.
М. Баченина:
- Это важно, да.
Г. Лесовик:
- Это я добавил лишнюю основу. Маленький магнитик.
М. Баченина:
- А что это за понятие такое – «стрела времени»? Это вы для общего понимания обозначили?
Г. Лесовик:
- Это не мы обозначили. Я не помню, кто это придумал.
М. Баченина:
- Это координатная прямая какая-то?
Г. Лесовик:
- В девятнадцатом веке придумали. Как мы с вами обсуждали законы физики, смотрите, фундаментальные симметричны во времени. Ну, не считая некоторых нюансов. В целом они симметричны по времени. И мы могли бы ходить по улицам, встречать кошек, бегущих вперед, потом вдруг та же самая кошка побежала назад. Молодеющая там… Дедушка… На следующей неделе к лету он опять начал стареть, а в следующем году вообще в юнцы переехал.
М. Баченина:
- Так.
Г. Лесовик:
- И все бы так существовало. Это существует не так. Всегда есть направление до и после. Мы всегда можем четко различить. Это и есть стрела времени.
М. Баченина:
- Когда начинаешь готовиться к программе, везде всплывает второй закон термодинамики. И он понятен. Он очень прост в понимании. Но почему он так связан с вот этой стрелой времени?
Г. Лесовик:
- Одна из формулировок, которая буквально связана, очевидным образом они все связаны, потому что все формулировки взаимопревращаемы.
М. Баченина:
- Это очень логичное продолжение друг друга.
Г. Лесовик:
- Вы, наверное, не совсем то имеете в виду. Неважно. Есть три формулировки второго закона. Одна из формулировок, что степень беспорядка, она, грубо говоря, нарастает. На самом деле, она еще константой может быть. По крайней мере, она не убывает.
М. Баченина:
- Вы о том, что все стремится к хаосу, а не приводится в порядок.
Г. Лесовик:
- Да.
М. Баченина:
- А что «все»?
Г. Лесовик:
- Вот.
М. Баченина:
- Частицы?
Г. Лесовик:
- Строго говоря, любая система, которая изолирована от своего окружения, С квантовой точки зрения сразу нужно добавить квази изолированная. Потому что если она совсем изолированная, то с квантовой точки зрения там ничего не происходит. Хаос не нарастает, не убывает, он остается константой.
М. Баченина:
- Константа.
Г. Лесовик:
- Итак, если у нас есть такой закон, что есть энтропия – изолированная система, она растет, вот вам и указатель, и такое явление, которое указывает на стрелу времени. Вот мы смотрите на эту энтропию, пусть вы ее как-то сумели измерить, на самом деле, это можно, вот. И видите, что имеется направление времени. Вот так и связано.
Если бы у нас процессы могли бежать по времени вперед и назад, вот тогда энтропия то росла бы, то убывала.
М. Баченина:
- А вот то, что горячие вещи становятся холодными? Как это сюда вписать?
Г. Лесовик:
- Это все то же самое. Сегодня от горячего к холодному перетекали, а завтра наоборот.
М. Баченина:
- Нет, со стрелой времени как это связано? Получается, мы куда-то смотрим, и горячее остывает. И это есть движение по стреле времени.
Г. Лесовик:
- Если бы… Можно так сказать. Но это фактически 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 проворачивалось наоборот. Опять-таки, такие эксперименты без нас делали люди. Просто наблюдали такое обратное движение во времени. Можно взять вот горячее тело, вот холодное. И от горячего к холодному перетекает. Потом берем и делаем некую манипуляцию квантово-механическую. И, о, чудо, видим совершенно противоположный процесс.
М. Баченина:
- Что…
Г. Лесовик:
- Тепло начинает ехать обратно, от холодного к горячему.
М. Баченина:
- А вот какую манипуляцию?
Г. Лесовик:
- Это так называемое… Она совершенно конкретно должна быть сделана. Это сопряжение состояния, в частности, комплект сопряжения. Надо поменять фазы на противоположные. Вообще все фазы, которые…
М. Баченина:
- Вы сейчас описываете какое-то некое экспериментальное устройство.
Г. Лесовик:
- Фактически да.
М. Баченина:
- Там, где можно фазы поменять.
Г. Лесовик:
- Да, это экспериментально реализовано. И даже не на универсальных квантовых компьютерах, как мы делаем, а на неких более специальных устройствах. В принципе, так можно сделать. И вот наблюдать, когда тепло поедет назад.
М. Баченина:
- Это круто! Вот это меня почему-то впечатлило. Я не знаю, почему.
Скажите, а можно объяснить хотя бы примерно, что такое квантовый компьютер на примере моего домашнего? Или того, что перед вами стоит.
Г. Лесовик:
- У квантового компьютера, поскольку он теперь доступен онлайн, интерфейс ровно такое же. Вот мои студенты, которые у нас главные специалисты по квантовым вычислениям, они на своих ноутбуках сидят, что-то вычисляют.
М. Баченина:
- То есть, они отправляют задачу куда-то на сервер? Мощнейший.
Г. Лесовик:
- Да.
М. Баченина:
- Сколько 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, на то они… В этом их преимущество, 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, такая логика в голове.
Г. Лесовик:
- Понятно. Я очень грубо сейчас скажу, это не точная картина, но вот если вы, кроме состояния вашей бутылочки, которая лежит и стоит, еще учтете все возможности состояния в промежутке…
М. Баченина:
- То есть, мы по часовой стрелке в промежутке будем поворачивать.
Г. Лесовик:
- То у вас появилось гораздо больше пространственно возможных состояний. Правда? Вы не ставили много-много бутылочек, а всего одна – взяли это дело и записали. Вот. Это неаккуратный пример, да простят меня квантовые информатики. Но тогда 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 используется характерные квантово-механические процессы, там можно выиграть не количеством, а качеством.
М. Баченина:
- Я это тоже понимаю. Знаете, как кофе. Вам по объему или по крепости?
Г. Лесовик:
- Примерно так.
М. Баченина:
- 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, он почти математик, физики его не очень знают, он придумал алгоритм, который умеет факторизовать очень большие числа. В частности, числа, которые являются результатом переумножения двух очень больших простых чисел.
М. Баченина:
- А факторизовать – это что значит?
Г. Лесовик:
- Разложить на два множителя. Так вот, если это очень-очень большие числа, то это очень сложная задача. Если вы не знаете фокуса одного из этих чисел, а вот просто вам выдали число, то понять, из каких двух чисел он состоит, надо будет перебирать чудовищно долгое время. На сложности этой задачи основана стойкость алгоритма шифрования RSA, он зажит во все компьютеры практически на этом белом свете.
Когда выяснилось, что квантовый компьютер можно взять да и взломать, вот это можно все взломать, вот тут-то и началась наша история всего этого дела.
М. Баченина:
- Вот для чего они нужны!
Г. Лесовик:
- Вот. За этим-то и гонка.
М. Баченина:
- Подождите. Тогда кто-то вам скажет, тогда зачем они нам нужны? Вы же подорвете… Какой-нибудь завод, вы подорвете всю нашу…
Г. Лесовик:
- Питер Шор сообщал, что в какой-то момент, уже после того, как он сделал доклад об этом алгоритме, к нему подошли фэбээровцы и попросили очень вежливо: а нельзя ли об этом никому ничего не рассказывать? Он сказал, уже поздно!
М. Баченина:
- Метод нагревания паяльника. У нас в стране уже было.
Г. Лесовик:
- Все уже утекло в сеть. Нельзя. Поздно.
М. Баченина:
- Это он придумал?
Г. Лесовик:
- Это он придумал.
М. Баченина:
- А что у него за мозг был?
Г. Лесовик:
- Нормальный мозг. Западная манера предполагает, что герой один. Вот Питер Шор, и все. На самом деле, до него было много предшественников. Были открыты другие алгоритмы, начиная с самого примитивного. Люди шажками двигались, а он сделал последний удачный шаг, который просто добил это дело. Питер Шор все сделал. Все!
М. Баченина:
- Обидно.
Г. Лесовик:
- На самом деле, если бы у него был такой мозг, который все бы это придумал, то это был бы суперчеловек. А так он просто очень сильный математик. Замечательный дяденька. Мы его приглашали в гости. Он был у нас тут, в Москве.
М. Баченина:
- Доктор физико-математических наук Гордей Борисович Лесовик был у нас в гостях. Спасибо вам!