Квантовая механика для всех: интервью с Алексеем Семихатовым

Квантовая механика — самый точный из известных человечеству способов описания мира на фундаментальной глубине. Благодаря квантовой природе удаётся существовать атомам, людям, звёздам и почти всему остальному. Поговорили с автором книги «Сто лет недосказанности. Квантовая механика для всех в 25 эссе» Алексеем Семихатовым, доктором физико-математических наук и заведующим лабораторией Теории фундаментальных взаимодействий в Физическом институте им. Лебедева РАН. Узнали, чем восхищает квантовая механика, как делает существование нашего мира возможным и какие возможности открывает перед человечеством в будущем.

— Что побудило вас написать эту книгу и чем квантовая механика вас больше всего восхищает? Есть ли в ней аспекты, которые до сих пор удивляют даже специалистов?

— Совсем скоро квантовой механике будет 100 лет. Это знание, которое лежит в основе нашего самого фундаментального понимания мира. Квантовая механика применяется к объектам, которые невозможно увидеть и которые существуют по совершенно другим законам, чем вещи вокруг нас. Но эти чуждые нам законы изнутри поддерживают само наше существование.

Самое удивительное в квантовой механике для меня лично — это то, что её вообще удалось придумать. Всё-таки это схема, которая работает совсем не так, как другие физические теории, и не утруждает себя объяснениями в привычном нам стиле «что куда переместилось и что куда полетело». Эта схема гораздо более абстрактная, она оторвана от нашего пространства, но тем удивительнее, что она даёт наиболее точные и лучшие из возможных предсказания о том, что мы наблюдаем и измеряем в нашем физическом пространстве, когда ставим самые разнообразные эксперименты.

— В аннотации к вашей книге упомянуто, что квантовая механика объясняет существование атомов, звёзд и даже людей. Можете рассказать, какие именно квантовые эффекты делают это возможным?

— Насчёт людей, тигров, деревьев и всех остальных надо сразу сделать оговорку. Всё то, что происходит в людях, тиграх и деревьях, разумеется, не противоречит нашим базовым взглядам на устройство мира. Но заявление о том, что квантовая механика объясняет существование всего, совсем не значит, что устройство кошек, лягушек, тигров, а заодно столов и стульев, следует из её уравнений. Всё это — вещи, сущности и явления, которые находятся намного выше по сложности, чем предмет квантовой механики. Тем не менее, именно квантовые правила лежат в основе мира.

В частности, мы с вами и множество вещей вокруг нас, которые мы любим и ценим, состоят из атомов. При этом по законам классической механики — по тем самым, которые, например, управляют полётом камня, течением реки и движением планет, — существование атома попросту невозможно.

«Атом не должен существовать». И всё же он прекрасно существует! И только квантовые законы делают существование атомов возможным. Заодно они же делают все атомы одного вида одинаковыми во всей Вселенной. Мы об этом не часто задумываемся, но это не совсем обычно: атом может лишиться всех своих электронов, потом получить новые, но окажется совершенно неотличимым от того, каким он был до того, как расстался со своими электронами. Такая «уникальность сборки» поддерживается именно и только квантовыми законами. Эта уникальность лежит в основе самого понятия «элемент». Система с восемью планетами, летающими вокруг звезды, может быть устроена огромным числом разных способов, но атом кислорода, в котором восемь электронов — пока его никто не трогает, — устроен всегда одинаково, единственным способом.

Уже по этой причине квантовая механика буквально лежит в основе нашего существования

Да и в звёздах без неё не обошлось. Звёзды «горят» за счёт ядерных реакций: лёгкие ядра (прежде всего протоны) сливаются в более массивные, выделяя при этом энергию. Так вот, происходит это благодаря квантовым законам, а точнее — эффекту прохождения сквозь стену. Два протона, сближающиеся друг с другом, находятся по разные стороны стены электрического отталкивания, и законы классической (не-квантовой) физики запрещают им соединиться. Но в квантовом мире есть вероятность, что они окажутся по одну сторону от стены, «не перелезая» через неё. Это явление управляется фундаментальным квантовым индетерминизмом. Вероятность, кстати, очень невелика, благодаря чему звёзды не сгорают, как водородные бомбы, а горят медленно и долго. Настолько долго, что вблизи одной из них мы даже успели появиться.

— Многие люди воспринимают квантовую механику как нечто абстрактное и далёкое от реальной жизни. Есть ли у неё влияние на повседневные технологии и нашу жизнь уже сейчас, и что нас ждёт в будущем?

— Совершенно верно, схема квантовой механики абстрактна. Тем удивительнее её потрясающе успешное приложение к работе нашего мира. Я уже говорил об атомах. Взаимодействие света и вещества — то есть всё то, что мы видим и как мы видим, включая происходящее на сетчатке нашего глаза, — это тоже квантовые явления. Ну и давайте уж начистоту: квантовая механика отвечает за химическую связь, устройство и свойства молекул, и в этом смысле вся химия — это просто решение уравнения Шрёдингера. Другое дело, что мы технически не в состоянии решить его в мало-мальски сложных случаях и поэтому придумываем другие средства, которые и составляют в значительной мере содержание химии. Кстати, квантовая природа атомов и молекул плюс квантовые свойства света — это в точности те средства, которые позволяют нам узнавать химические составы чего угодно где угодно во Вселенной, если мы можем разобраться в приходящем оттуда свете.

Само собой, строение атомного ядра, ядерные превращения и всё, что связано с различными способами получения энергии из атомного ядра, — это тоже квантовая механика. И, да, магнитно-резонансная томография!

Вообще, в том, что касается технологий, мы волей-неволей «вспоминаем», что вещи внутри себя квантовые, всякий раз, когда нам нужно управлять какими-то процессами, тонко их настраивая. Лазеры, как и вообще вся электроника — полупроводники и более тонкие эффекты в твёрдых телах, которые используются в современных приборах и по своим характеристикам уже приближаются к волшебству, — это квантовая история. Туда же относятся магнетизм, теплопроводность, электропроводность твёрдых тел и, наконец, такое макроскопическое квантовое явление, как сверхпроводимость.

Кстати говоря, когда у вас дистанционно измеряют температуру или мы дистанционно измеряем температуру звёзд и других космических тел, мы пользуемся законом излучения Планка — первым из открытых квантовых законов.

— Квантовая механика противоречит нашим интуитивным представлениям о мире. Почему так сложно совместить квантовые эффекты с повседневной логикой? Какие мифы или заблуждения о квантовой механике вы чаще всего встречаете среди широкой публики?

— Квантовая механика действительно противоречит нашей интуиции об устройстве мира. Наша интуиция — это интуиция материальных точек, движущихся по каким-то траекториям под действием сил. Квантовый мир устроен совсем не так, его схема гораздо более абстрактная, и попытка перенести на него нашу обычную интуицию довольно быстро встречается с противоречиями.

Собственно говоря, квантовая механика была придумана несколькими выдающимися людьми именно тогда, когда удалось подавить вот это довольно естественное желание рассуждать в привычных терминах

Если говорить о «мифах», то, разумеется, есть серия рассуждений о том, как квантовая механика проявляется во взаимоотношениях людей, в психологии и не только. Но здесь я бы попросил не путать метафору каких-то квантовых явлений с тем, что на самом деле является квантовым. Например, хорошо известно, что любое наблюдение над квантовой системой представляет собой вмешательство и меняет свойства этой системы и сообщает, собственно, о тех свойствах, которые возникли в результате этого вмешательства. Вот вам, пусть и половинчатая, но всё-таки метафора этого явления: «Если я уже засыпаю, а кто-то спрашивает меня “Ты спишь?”, то это — вмешательство в моё состояние, и оно, разумеется, может его изменить — если я уже практически заснул, то теперь я могу проснуться». Это ни в коем случае не означает, что я и тот, кто меня спрашивает, — это два квантовых объекта, взаимодействующих по квантовым законам.

Расхожее «объяснение» квантовости, сильно сбивающее с толку, примерно такое. Квантовая механика, мол, — это про то, что каждая частица одновременно и частица, и волна: и вот вместо этого электрона по пространству бежит волна, и вместо того электрона тоже, и эти волны как-то там между собой взаимодействуют. Но в квантовой механике нет ничего подобного. Если бы дело обстояло таким образом, то не было бы никакой квантовой запутанности, да и весь наш мир был бы попросту невозможен.

— Почему квантовые объекты ведут себя так загадочно? Можно ли ожидать, что наука найдёт более полное объяснение их поведения в будущем? Можете простыми словами объяснить, почему невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы (принцип неопределённости Гейзенберга)?

— Положение и скорость электрона невозможно одновременно измерить просто потому, что у электрона нет одновременно точного значения и положения, и скорости. Электрон — это не маленькая пылинка, соринка или шарик, который движется по какой бы то ни было траектории. Абстракция материальных точек, к которой мы привыкли в окружающем нас мире, в квантовой механике просто не действует. Квантовый мир описывается в других терминах, и они до некоторой степени оторваны от реально происходящего в нашем физическом пространстве.

Например, эволюция волновой функции, то есть движение мира в будущее, — это фундаментальное уравнение квантовой механики (уравнение Шрёдингера), но эта эволюция не разворачивается как набор событий, привычным образом происходящих в нашем физическом пространстве.

Может ли в будущем появиться некий «мост», ведущий от абстрактного формализма квантовой механики к тому, что непосредственно происходит в нашем физическом пространстве? Не исключено. Его отсутствие на данный момент не мешает квантовой механике работать, но вызывает некоторую неудовлетворённость. Может, правда, оказаться, что объяснение будет не наивным — быть может, мы поймём природу нашего пространства как производную от чего-то более фундаментального. В таком случае нам придётся признать, что наш мир в своей основе крайне математичен, а пространство, в котором мы живём, является сотворённым, эмерджентным эффектом из этого математического. На текущий момент, правда, это в значительной степени спекуляция, хотя и не совсем беспочвенная.

— Часто обсуждается квантовая запутанность и феномен телепортации частиц. Можно ли ожидать практического применения этих эффектов в будущем? И как насчёт квантовых компьютеров, которые становятся всё более реальными? Как они могут изменить наш мир и какие проблемы помогут решить?

— Явление квантовой запутанности очень даже используется в квантовых компьютерах. Явления, близкие к телепортации, используются в квантовой криптографии — для того, чтобы создать канал связи, который нельзя прослушать вследствие законов природы, а не вследствие ограничений в технологиях. Так что практические применения здесь и сейчас уже развиваются. Квантовая телепортация успешно осуществляется практически — для фотонов и атомов. Точнее, для волновых функций, описывающих икс/игрек состояния. Но квантовая телепортация никогда не станет средством доставки грузов на Луну или вообще доставки чего-либо макроскопического куда бы то ни было. И она не происходит быстрее света, поэтому она не может быть способом коммуникации, который так ценят фантасты.

Что касается квантовых компьютеров, то сам по себе это такой прибор, в котором выращивается волновая функция, причём таким образом, чтобы дать ответ на интересующий нас вопрос. Волновая функция — это абстрактное явление, которое обладает удивительным свойством: в ней могут одновременно сосуществовать и, собственно говоря, в большинстве случаев сосуществуют, множество различных возможностей.

В некотором роде в квантовом компьютере выращивается волновая функция, которая содержит в себе как правильный, так и все неправильные ответы, но весь смысл квантового алгоритма состоит том, чтобы в момент финального измерения вероятность выпадения правильного ответа была заметно больше, чем всех остальных неправильных

Для нескольких задач такая схема даёт нам преимущество в сравнении с обычными компьютерами. Например, есть задача по разложению больших чисел на простые множества, которую даже современные суперкомпьютеры решают простым методом перебора, и если числа большие, то вариантов оказывается так много, что на решение требуются годы. В квантовом компьютере, из-за того что там в каком-то смысле всё вычисляется одновременно (это не очень точное высказывание, но позвольте мне такую вольность), проблемы с нарастанием времени на получение ответа нет.

Задача разложения на множители — криптографическая, её решение позволит взломать определённое количество кодов. Квантовые компьютеры могли бы решить ещё несколько аналогичных задач, а также могли бы помочь нам моделировать поведение квантовых систем, что важно, например, при производстве лекарств. Когда какая-то молекула «садится» на какой-то белок, она меняет его конфигурацию, и из-за этого могут происходить изменения в здоровье. Взаимодействие молекулы (скажем, лекарства) и белка — это, как и вся химия, квантовомеханические процессы, и на обычном компьютере их крайне сложно моделировать.

Но насколько реальными становятся квантовые компьютеры — вопрос не самый простой. «Сила» квантового компьютера — в количестве кубитов и в надёжности управления ими. Кубиты — это элементарные квантовые системы, каждая с двумя опорными состояниями. Их общую волновую функцию и требуется «вырастить» подходящим образом. Имеется много физических реализаций таких систем, и они очень сильно отличаются друг от друга. «Идеальной» реализации нет. Дело в том, что квантовые компьютеры серьёзно борются с влиянием среды и с паразитными эффектами, проще говоря, с ошибками в том самом управлении волновой функцией всех кубитов. Для исполнения ошибок в кубите или в управляющем элементе («гейте») мы ставим дополнительные кубиты, запутываем их состояние с состояниями основных кубитов и используем эти дополнительные кубиты. Но дальше уже в них самих возникают новые ошибки, для этого мы ставим ещё сколько-то дополнительных кубитов. И так далее. В результате оказывается, что один идеально работающий кубит в квантовом компьютере может требовать значительного числа, скажем, тысячу, физических кубитов, которые обслуживают его «идеальную» работу. Удастся ли нам масштабировать количество идеально работающих кубитов, обгоним ли мы рост ошибок или он обгонит нас. Этот вопрос, по-видимому, прямо сейчас и решается.

Тот факт, что квантовые компьютеры могут быть радикально эффективнее обычных цифровых компьютеров, можно считать свидетельством глубины квантовых ресурсов.