Kvantiniai kompiuteriai atskleidžia netikėtą naują realybės teoriją

Frazė „kvantinis pranašumas“ pastaruoju metu dažnai mirga naujienų antraštėse. Kelios laboratorijos jau paskelbė pasiekusios šį riboženklį, kuomet nuostabiąsias kvantinio pasaulio savybes panaudojantys kompiuteriai problemas sprendžia sparčiau nei kada nors galėtų klasikiniai kompiuteriai. Nors dar liko nemenkas kelias, bendros paskirties „universalus“ kvantinis kompiuteris atrodo esantis arčiau, nei bet kada – pasiekimas, sukelsiantis revoliuciją komunikacijoje ir duomenų šifravime, virtualiojoje realybėje, dirbtino intelekto srityje ir taip toliau ir dar daugiau.

Šios perspektyvos mane, kaip fizikos teoretiką ir kolegas, aišku, jaudina, bet dar didesnis vaizdas užburia. Kvantinė skaičiavimų teorija radosi kaip gilesnio kvantinės teorijos – fundamentalios fizikinės realybės teorijos – pažinimo būdas. Taikydami jos principus, išvydome platesnį vaizdą, manome pradedantys regėti radikaliai naujo būdo konstruoti gamtos dėsnius apmatus.

Tai reiškia fizikos kaip mokslo apie tai, kas iš tiesų vyksta, idėjos atsisakymą, priimant ją kaip mokslą apie tai kas galėtų ar negalėtų įvykti. Toks „galėjimo ir negalėjimo mokslas“ padėtų išspręsti kai kuriuos didžiausius klausimus, kuriuos nesėkmingai bandė išlukštenti įprastinė fizika, nuo tikslios, vienijančios termodinamikos ir informacijos teorijos iki konceptualių barjerų, trukdančių apjungti kvantinę teoriją su bendruoju reliatyvumu apėjimo. Negana to, ji galėtų padėti suprasti intelekto veikimą ir pradėti technologinę revoliuciją, kurios fone nublanktų ir kvantinis pranašumas.

Modernios fizikos progresas iš esmės nesikeičia nuo pat jos aušros Galilei Galilei ir Isaaco Newtono laikais. Jos pagrindas – tikslūs judėjimo dėsniai: lygtys, aprašančios sistemos raidą erdvėje ir laike, besiremiančios pradinių sąlygų rinkiniu. Tarkime, Newtono judėjimo dėsniai, aprašantys biliardo rutulių judėjimą ant stalo ar universalų jo gravitacijos dėsnį, paaiškinantį kaip obuoliai krenta ant žemės ir kaip Žemė juda apie Saulę.

„Fizikos dėsniai yra mūsų naudojimosi visata instrukcijos, ir geriausi dėsniai yra tikslūs“

Čia svarbus žodis „tikslūs“. Jei ketintumėte įsigyti prietaisą, pavyzdžiui, skalbimo mašiną, naudojimosi instrukcija, aprašanti kaip ja naudoti daugmaž, plius minus, būtų ne itin naudinga. Fizikos dėsniai yra mūsų naudojimosi visata instrukcija, ir geriausi dėsniai yra tikslūs: juos lengviausia patikrinti ir atmesti, jeigu jie neatitinka duomenų.

Kvantinė teorija šio tradicinio būdo nepakeitė – bent jau iš pradžių. Šios, pirmą kartą suformuluotos XX amžiaus trečiajame dešimtmetyje, teorijos branduolyje yra tiksli judėjimo lygtis, Schrödingerio lygtis, aprašanti kvantinės sistemos kitimą. Esminis skirtumas nuo klasikinio pasaulio yra tai, kad ši lygtis nurodo mums, jog kvantiniai objektai paklūsta Heisenbergo neapibrėžtumo principui. Jis teigia, kad kai kurios kvantinės savybės yra nesuderinamos, t.y. jų negalima išmatuoti tuo pat metu norimu tikslumu: idealiai tiksliai išmatavus vieną savybę, kita dingsta iš dėmesio lauko. Viena tokia pora yra pozicija ir greitis, tad, idealiai susitelkus į, tarkime, elektrono poziciją, jis privalo būti visų įmanomų greičių kvantinėje „superpozicijoje“. Kita nesuderinama pora yra elektrono kvantinis-mechaninis sukinys apie dvi skirtingas ašis.

Devintajame dešimtmetyje tyrinėdamas neapibrėžtumo principus, kvantinio skaičiavimo pionierius David Deutsch pateikė radikalią įžvalgą. Apie elektroną tam tikroje sukinio būsenoje geriausia galvoti kaip apie „kubitą“ – vienį, galintį įkūnyti informacijos bitą įvairiais būdais, kurie tuo pačiu metu negali visi būti griežti, sufokusuoti. Šio kubito svarbi savybė – jo kvantiškumo esmė – nėra jo trajektorijos erdvėje ir laike, o transformacijos, kurias su juo galima ar negalima atlikti. Pavyzdžiui, negalima visos informacijos patikimai nukopijuoti iš vieno kubito, bet visa ši informacija apie nesuderinamas jo savybes egzistuoja, ir gali būti panaudota atlikti kvantinius skaičiavimus.

Iš tikrų į netikrus

Šios kubitų ir jų nesuderinamų kintamųjų „gali“ ir „negali“ taisyklės suteikia jiems daug didesnę galią, nei turi klasikiniai bitai, ir pagrindžia kvantinių kompiuterių ir kvantinio pranašumo perspektyvą. Bet fundamentaliau, jos rodo mums, kad užuot visad susitelkus į tai, kas vyksta (tikra, angl. actual), galima fizikos teoriją pagrįsti tuo, kas gali būti ir ko negali (netikra, angl. counterfactual), ir paaiškinti tikrumą netikrumu.

Ir štai drąsus pasiūlymas: o ką, jei šios „gali“ ir „negali“ savybės yra būtinos visai fizikai? Užuot pradėję nuo pirminių sąlygų ir tikslių dinamikos dėsnių, išreikštume fiziką įmanomomis ir neįmanomomis transformacijomis, ir iš jų išvestume kitus judėjimo dėsnius.

Toks mąstymo būdas fizikoje nėra visiškai naujas. XIX amžiuje suformuluotas pirmasis ir antrasis termodinamikos dėsnis nustatė griežtus negalimumo apribojimus. Pavyzdžiui, galima sukonstruoti „šiluminį variklį“, verčiantį šilumą naudingu darbu, bet neįmanoma darbu paversti visos šilumos, ar sukurti energijos iš nieko.

Termodinamika yra bauginamas įrankis: remiantis jos principais, galima prognozuoti daug dalelių turinčias sistemas, kurių dinamikos dėsnių negalime sekti. Apibendrinant šią logiką, galėjimo ir negalėjimo mokslu galime formuluoti naujus principus ir tobulinti esamus (žr. „Naujoji termodinamika“) – ir, gal nuskambės keistai, daugiau fenomenų išreikšti tiksliais fizikos dėsniais.

Svarbiausias pavyzdys yra informacija. Kokia fizinė savybė suteikia galimybę kompiuterio bitui saugoti informaciją? Ne tai, kad jis yra konkrečios būsenos, 0 ar 1, o tai, kad nustačius jo reikšmę 0, galima pakeisti ją į 1, ir atvirkščiai – be to, galima nukopijuoti jo reikšmę į kitą fizinę sistemą, jei šioji irgi sudaryta iš bitų. Šios savybės netikros, tariamos ir tradicinis fizikos bandymas paaiškinti viską dinamikos dėsniais čia neveikia.

„Galima ir negalima“ mokslu galima išreikšti tikslius fizikos dėsnius, apimančius bitų egzistavimo toje visatoje taisykles. Be to, šie dėsniai paaiškina klasikinius bitus – šviesoforo šviesų ar smegenų neuronų būseną. Nereikia rūpintis kvantiniais ar klasikiniais judėjimo dėsniais ar dar kuo nors. Kvantinė ir klasikinė informacija nėra nesuderinama, jas vienija bendri principai, nusakantys, kaip ja galima manipuliuoti, ir kaip – ne.

Tai palanku kvantinės teorijos ir bendrojo reliatyvumo sujungimo progresui. Šios teorijos – geriausios turimos visatos instrukcijos – liūdnai garsėja savo nesuderinamumu. Kvantinei teorijai reikia masės parodyti Heisenbergo neapibrėžtumui, o bendrasis reliatyvumas to neleidžia. Informacijos teorijoje, gravitacija yra fundamentaliai klasikinė esybė, palaikanti tik bitus, o ne kubitus.

„„Universalusis konstruktorius“ yra visagalis 3D spausdintuvas, kuriuo galima sukurti viską, kas tik įmanoma”

Norint šias teorijas apjungti, kvantinę ir klasikinę informaciją reikia vertinti vienu matu – ir „galima“ ir „negalima“ mokslas atlieka būtent tai. Su kolega Vlatko Vedral jau atlikome preliminarų darbą, naudodami jo principus apriboti esamus ir būsimus kvantinės gravitacijos pasiūlymus. Juos galima panaudoti ir ten, kur svarbios abi teorijos, bet nė vienos negalima pritaikyti pilnai, tarkime, juodųjų bedugnių vidui ar pirmiesiems didžiojo sprogimo momentams.

Ir tuo neapsiribojama – informacijos manipuliavimo gali/negali taisyklės nepriklauso nuo įvykius stebinčių subjektų egzistavimo. Tad, jomis galima objektyviai vertinti kitas informacija paremtas savybes, kurios tradiciškai atrodo apibrėžiamos tik subjektyviai, ir dėl to nepasiekiamos fizikai.

Įdomiausia tokio tipo savybė yra žinios: išliekanti informacija, kurią įterpė evoliucija ir sukuria smegenys, kuomet galvojame. Galėjimo ir negalėjimo požiūriu, žinios apibūdinamos ne subjektyviais žinojimo apie dalykus savybės terminai, o paprasčiausiai kaip informacija, sugebanti įgalinti savo išlikimą. Tuo remdamiesi, galime pabandyti suformuluoti tikslius fizikos dėsnius apie žinių sukūrimą, ir ar jos yra baigtinės, o gal neribotos – tradicinei fizikai tokie klausimai neįveikiami.

Gebėjimas kurti žinias yra būdingas sąmoningų esybių bruožas, tad tiksli, kylanti grynai iš fizikos, žinių teorija būtų esminis žingsnis link sąmonės teorijos ar bendrojo dirbtinio intelekto. Ji galėtų suteikti mums ir naujus nežemiškos gyvybės paieškos įrankius. Dabar gyvybės kosmose paieškos apsiriboja cheminių žymenų paieška, nors nėra garantijos, kad ji paremta tokia pačia chemija, kaip ir mūsų ištirta. Fizikinė žinių teorija tikriausiai pateiktų bendriau pritaikomas prognozes.

Bet ar ji teisinga?

Kol kas visos šios idėjos yra teorinės, bet yra perspektyvių būdų jas patikrinti. Vienas iš jų – susietumo fenomenas, koreliacijos tarp dviejų atskirų dalelių ar kubitų tipas, stipresnis už bet kurią klasikinę koreliaciją tarp dviejų objektų savybių. Aš su Vedraliu parodžiau, kad gali-ir-negali mokslas numato, kurios transformacijos įmanomos dviems kubitams, sąveikaujantiems su kitu objektu, kuris gali būti aprašomas ar neaprašomas kvantine teorija, tarkime, makroskopine biomolekule, ar netgi gravitacija. Dėl to galime patikrinti efemeriškų kvantinių efektų buvimą nežinomoje sistemoje, surengdami eksperimentą, kuriame šis „paslaptingas objektas yra vienintelis sąveikos tarp šių dviejų kubitų kanalas. Jei paslaptingasis objektas gali susisieti su kubitais, galime padaryti išvadą, kad jis privalo turėti kažkokias kvantines savybes, kad tam tikra prasme nepriklauso nuo nežinomą sistemą valdančių judėjimo dėsnių.

Dabar kelios mokslininkų grupės bando išbandyti tai eksperimentiškai, priversdami kubitus būti dviem kvantinėmis masėmis ir nežinomą sistemą būti gravitacija. Jei būtų stebimas susietumas, tai taptų pirmuoju empiriniu klasikinių gravitacijos teorijų, įskaitant ir bendrąjį reliatyvumą, paneigimas, o taip pat pirmasis gali-ir-negali mokslo principų patikrinimas.

Tai jaudinanti perspektyva, netgi turint omenyje, kad tokius eksperimentus surengti nėra lengva ir tikriausiai dar keletą metų teks luktelėti. Bet grįžkime kur pradėjome, prie universalių kvantinių kompiuterių nešamų technologinių proveržių idėjos. Penktajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, matematikas John von Neumann nurodė, kad universalus kompiuteris, galintis atlikti visas fiziškai įmanomus skaičiavimus, nėra universaliausia mašina, kurią galima užprogramuoti. Jis sumąstė „universalų konstruktorių“, mašiną, galinčią atlikti visas fiziškai įmanomas transformacijas – iš esmės, visagalį 3D spausdintuvą, kurį, pateikus reikiamas žinias, galima užprogramuoti sukurti bet kokį fiziškai įmanomą objektą.

Von Neumannui tokio universalaus konstruktoriaus fizikos bazės, nekalbant jau apie inžinerinius sprendimus, nesukūrė. Galima-ir-negalima mokslas, kai bus visiškai išvystytas, yra geriausias tokį universalų konstruktorių pagrindžiančios teorijos kandidatas. Būtent todėl visi tyrimų projektai, kuriais siekiama įgyvendinti galima-ir-negalima mokslą, bendrai vadinami Konstruktoriaus teorijos programa. Pasiūlytą Davido Deutscho, dabar ją vykdo mano grupė Oxfordo universitete, ir bendradarbiai iš Singapūro Kvantinių technologijų centro ir Mokslo bendradarbiavimo instituto bei Italijos nacionalinio metrologijos instituto, kurie abu yra Turine.

Tikimės, kad konstruktoriaus teorija po kvantinių kompiuterių taps kritiškai svarbia technologijų revoliucijai, kaip kad termodinamika padėjo įžiebti pramonės revoliuciją ar universalios Alano Turingo skaičiavimo idėjos suformavo informacinių technologijų revoliuciją.

Ar tai nutiks? Sąžininga būtų sakyti, kad kol kas dar per nėra aišku. Mokslas yra dar žalias: kuo greičiau darome klaidas, tuo daugiau šansų pasistūmėti į priekį. Fizikoje netrūksta problemų, kurios per dažnai pašluojamos po kilimu. O jos nėra nepageidaujami nepatogumai, o veikiau puikios progos atlikti kitą proveržį. Niekas negarantuoja, kad galima-ir-negalima mokslui pavyks, bet jis mus daug ko išmokys, kurias iš tų problemų išsprendęs. Ir jis tai jau atliko. Kaip sakoma, „geriausias būdas prognozuoti ateitį – ją išrasti“. Galima-ir-negalima mokslas yra vienas iš perspektyviausių bandymų išrasti ateitį.