В кванты могут все

⇡#Один праздничный вечер

В последних числах января 2016-го конференц-зал Калифорнийского технологического университета (широко известного как Калтех) принимал у себя красочное научно-развлекательное шоу под названием One Entangled Evening, то есть «Один сцепленный вечер».

Организатором мероприятия был IQIM, Институт квантовой информатики и материи при Калтехе. А в необычном названии обыгрывался один из важных и по сию пору загадочных феноменов науки – квантовая сцепленность, или Entanglement.

В целом вечер был посвящен празднованию «квантового научного наследия» и памятных дат из жизни Ричарда Фейнмана (1918-1988), одного из самых знаменитых профессоров Калтеха. Ну а для развлечения собравшейся на праздник околонаучной публики была подготовлена обширная программа из всевозможных номеров – выступления артистов эстрады, речи нобелевских лауреатов и героев инфотехнологической индустрии, а также одна почти настоящая кинопремьера – новейшего фильма «Anyone Can Quantum».

Точнее говоря, премьера-то была вполне настоящей, вот только сам фильм «Кто угодно может в кванты» представлял собой нечто среднее между рекламным роликом, научно-фантастической короткометражкой и озорной киношуткой в духе студенческих капустников. И хотя весь антураж картины выглядел довольно несерьезно, исполнители главных ролей там подобраны воистину с размахом: звезды Голливуда Киану Ривз и Пол Радд («Человек-муравей» из одноименного кинокомикса) плюс известнейший физик-теоретик Стивен Хокинг.

Самый главный, то есть рекламный, аспект этого произведения отображает, собственно, и центральную тему нашей истории – появление новой необычной игры под названием «Квантовые шахматы», странные правила которой погружают игроков в мир, живущий по законам квантовой физики. Научно-фантастическую компоненту картины обеспечивает «путешественник во времени» Киану Ривз, перенесшийся на 700 лет в будущее и там узнавший, что именно в наши дни – в битве за виртуальной доской квантовых шахмат – оказалась поставлена на кон дальнейшая судьба человечества (и тут уже начинает работать юмор уровня капустников).

В зависимости от исхода именно этого поединка – между знаменитым физиком Хокингом и актером Раддом – дальнейшее развитие людей Земли направится по совершенно разным траекториям. Почему так получилось, никто толком не объясняет, но победа ученого-теоретика отправит нас в довольно мрачное будущее, а вот победа «человека-муравья» сулит нам светлые и радостные перспективы.

Особую пикантность сюжету придает то, что никто из игроков никогда прежде не играл в квантовые шахматы и вообще не слышал об их существовании. Но если Стивен Хокинг в силу своего статуса «знает о квантовой физике все», то Полу Радду эта область знакома лишь «сугубо эмпирически». На съемках фильма Ant-Man его герою, имеющему способности уменьшаться до микроскопически малых масштабов, доводилось погружаться в квантовую реальность как в своего рода иную вселенную...

Здесь, пожалуй, с премьерой фильма на какое-то время лучше расстаться и вспомнить про Ричарда Фейнмана, главного героя празднований в Калтехе. Потому что именно с его научными идеями непосредственно связаны не только квантовые шахматы, но и, что интересно, сами необычные приключения «человека-муравья» в квантовой реальности.

Дабы продемонстрировать максимально наглядно, следующую часть рассказа удобно представить в виде небольшой хронологии.

⇡#1959-й: «Там полно места»

В конце 1950-х годов, когда Фейнман только-только отметил свое 40-летие и был еще очень далек от той всемирной славы, которая придет позже, в кругах коллег-ученых он и тогда уже был достаточно известным и авторитетным теоретиком. К 1959 году Фейнман решил осесть в Калтехе на постоянной основе, и как раз тогда там по случаю проходило собрание Американского физического общества. И вот в рамках этой конференции ученым был сделан любопытнейший доклад, в ту пору прошедший, правда, совершенно незамеченным, а по достоинству оцененный лишь 30 с лишним лет спустя (уже после смерти физика).

Доклад, носивший название «Там внизу полно места» (There's Plenty of Room at the Bottom), сегодня многими расценивается как мощное пророчество или первый серьезный сигнал о грядущей эре нанотехнологий. Чересчур передовые идеи Фейнмана у современников отклика не нашли, однако нет сомнений, что ученый уже в ту пору считал в принципе реально выполнимой задачу погружения исследователей в глубины материи – для прямых манипуляций индивидуальными молекулами и даже атомами.

⇡#1961-1962-й: «Космические войны!»

Этот коротенький сюжет – о рождении самой первой настоящей компьютерной игры – прямого отношения к Фейнману не имеет. Но, во-первых, все тут происходит в стенах MIT, Массачусетского технологического института, куда после школы поступил Ричард Фейнман и где он стал ученым-физиком. А во-вторых, уже в этой первой компьютерной игре был реализован тот же самый принцип погружения в специфическую физическую реальность, который очень важен при освоении «квантовых шахмат».

В те времена очень многое происходило впервые. Первые полеты в космос, первая бытовая электроника на полупроводниках, первые «твердотельные» (а не ламповые) компьютеры. Один из таких самых первых полупроводниковых компьютеров, носивший название PDP-1 (или «программируемый обработчик данных»), ученые MIT получили в дар осенью 1961 года – от бывших выпускников института, создавших собственную фирму по выпуску вычислительной техники.

Совершенно особой новой фишкой компьютера PDP-1 был экран дисплея на основе катодно-лучевой трубки, обеспечивавший непосредственно-интерактивное взаимодействие человека с машиной. Фактически сразу же, как только аспиранты узнали об этом новшестве, у них родилась идея сделать компьютерную игру. Ну а поскольку все ученые в ту пору были фанатами научной фантастики, темой игры стали «космические войны».

Уже весной 1962 работоспособный прототип игры Spacewars! был готов и запущен в дело. И хотя выглядел продукт – по современным меркам – чрезвычайно примитивно, играли взрослые люди в эту забаву, по свидетельству очевидцев, ничуть не менее увлеченно, чем нынешние дети в свои компьютерные игры.

Самое же главное, что при всей своей внешней непритязательности реальность игры Spacewars была построена и работала на основе вполне четких физических законов. Для ориентации в пространстве там было нанесено звездное небо, воспроизводящее фрагмент реального небосвода. Помещенная посередине игрового поля массивная звезда силой гравитации отклоняла траектории ракет и даже могла притянуть-поглотить зазевавшихся игроков. Там были гиперпространственные скачки для мгновенного перемещения ракеты в другую точку экрана при возникновении смертельной опасности.

Ну а еще, что тоже весьма интересно, там была реализована одна важная для формы игровой вселенной геометрическая концепция: пространство игры Spacewars было замкнутым и компактным. Когда ракета игрока, скажем, уходила вправо за край экрана, она тут же возникала с его левого края. Аналогично, достигнув нижней границы экрана, корабль тут же появлялся в самой верхней части игрового поля. И хотя все играющие осваивали эту идею совершенно легко и естественно, данная концепция относительно формы космоса по сию пору остается чуждой для современной науки космологии.

⇡#1965-1966-й: «Лекции посланника»

Осенью 1965 года Ричард Фейнман прочел в Корнеллском университете свой знаменитейший цикл лекций, который на следующий год был выпущен в качестве отдельной книжки под названием «Характер физических законов». По сию пору эти лекции принято считать своего рода эталоном научно-популярного просвещения, где на очень высоком и в то же время общедоступном уровне всем людям разъясняется, в чем заключаются сила и привлекательность науки, позволяющей нам познавать этот прекрасный мир.

В силу конкретных исторических обстоятельств данный цикл докладов, читаемых каждый год в Корнелле разными знаменитыми учеными, именуется «Мессенджеровскими лекциями» – в честь Хайрэма Мессенджера, профинансировавшего регулярное проведение этого мероприятия еще в 1920-е годы. В то же время специфическая фамилия спонсора вполне позволяет переводить название этого же набора выступлений как «Лекции посланников». Естественно, посланников из будущего, коль скоро все жрецы науки уверены, что прокладывают человечеству дорогу в будущее.

Обратить внимание на этот любопытный лексический нюанс полезно вот по какой причине. В конце именно того же 1965 года Ричард Фейнман был удостоен Нобелевской премии, тогда же начиналась мировая слава его ныне знаменитейшего, а в ту пору только-только изданного учебного курса «Фейнмановские лекции по физике» для студентов. И одновременно был издан цикл мессенджеровских лекций «Характер физических законов» – для всех, кто хотел бы пойти в науку или просто интересуется.

И вот случилось так, к сожалению, что среди разного прочего в эти фейнмановские «лекции посланника» оказалась внедрена мощнейшая идеологическая диверсия, которая направила множество ученых-физиков следующих поколений по той тропе, что ведет нас в весьма мрачное и непривлекательное будущее (именно об этом, судя по всему, и предупреждает за кадром фильма Anyone Can Quantum ведущий и «путешественник во времени» Киану Ривз).

Почему так произошло – это, как говорится, науке неизвестно. Но факты истории таковы, что одну из семи своих лекций Ричард Фейнман практически целиком посвятил принципиальной непостижимости парадоксальных квантовых феноменов для человеческого здравого смысла. И этим поставил мощный психологический блок для множества последующих исследователей, хотя сегодня уже вполне достоверно установлено, что знаменитый физик заблуждался (подробности см. в материале «Квантовая физика как она есть»).

С другой стороны, в том же цикле лекций прозвучало и много чего другого – бесспорно, куда более полезного и примечательного. Забавная деталь: лекций в этом «цикле посланника» было семь – и в точности столько же раз, ровно семь, там упоминается игра шахматы.

Из этого вовсе не следует, конечно же, что в каждой из лекций шахматы упомянуты строго по одному разу. Нет, шахматная игра и ее четкие правила привлекаются в качестве удобной метафоры физических законов природы лишь в двух из этих лекций. Но все равно, на совпадение имеет смысл обратить внимание, коль скоро весь наш рассказ в целом посвящен компьютерной шахматной игре, наглядно и доступно для человеческого разума моделирующей законы квантового мира.

⇡#1981-1982-й: Квантовый симулятор

Еще одна чрезвычайно важная для истории работа Фейнмана – это его лекция «Симуляция физики с помощью компьютеров» (Simulating Physics with Computers), прочитанная в Калтехе в мае 1981-го и опубликованная в 1982 году в «Международном журнале физики». Хотя несколько идей подобного рода, определенно, звучали и в предыдущие годы, именно от этой лекции ныне принято отсчитывать начало эпохи квантовых вычислений.

В каком-то смысле можно говорить, что в этой знаменательной лекции Фейнман творчески развил базовые идеи своего же выступления 1959 года – о непосредственной работе с молекулами и атомами на микроскопическом уровне, но только теперь уже для моделирования разнообразных феноменов квантовой физики.

Исходная суть идеи квантового симулятора вполне прозрачна – попытаться непосредственно на микроскопическом уровне освоить изучение таких квантовых систем, работу которых очень сложно или же вообще невозможно моделировать с помощью традиционных суперкомпьютеров. Иначе говоря, на квантовый симулятор предлагалось смотреть как на особый аналоговый вычислитель, специально заточенный для того, чтобы через освоение квантовых эффектов напрямую решать задачи квантовой физики.

Уже довольно скоро эту проблему существенно расширили до идеи универсального квантового компьютера, способного решать не только конкретно физические задачи, но и вообще самые разные задачи неподъемной вычислительной сложности. Однако для нас – в контексте квантовых шахмат – интерес представляют совсем другие события хронологии.

⇡#1987-1989-й: «Невероятные приключения Билла и Теда»

В 1988 году жизнь Ричарда Фейнмана оборвалась как итог безуспешной борьбы с раком. Но по стечению обстоятельств именно в этот грустный период, с 1987-го по 1989-й, родился довольно смешной (а для кого-то совершенно дурацкий) фильм, имеющий самое непосредственное отношение к нашей истории: «научно-фантастическая» комедия про путешествия во времени двух оболтусов-недоучек со звучными именами Тед «Теодор» Логан (Киану Ривз) и Билл С. Престон, эсквайр (Алекс Винтер).

Бесхитростная суть картины, можно сказать, заключается в том, что для любой научной дисциплины самый лучший и эффективный способ – это полное погружение человека в её реальность. Для науки истории, в частности, идеальным инструментом могла бы быть машина времени, позволяющая исследователям становиться непосредственными свидетелями событий, а при совсем удачном стечении обстоятельств – еще и лично пообщаться с ключевыми героями учебников и книг.

В реальной жизни это, ясное дело, невозможно, ну а в непритязательном молодежном кино про Билла и Теда – очень даже запросто... Кинокритика, правда, этот «шедевр кинематографа» абсолютно не оценила, однако коммерческий успех фильма превзошел все ожидания его создателей и породил разветвленно-прибыльную франшизу: скоро последовавший фильм-сиквел, сериалы для ТВ и в мультипликационном жанре, компьютерные игры на целом ряде платформ, сувенирная продукция и так далее...

Здесь нас, однако, интересует, не собственно успех этой (совсем невыдающейся, прямо скажем) картины, сколько исполнители главных ролей – совсем молодые и неизвестные в ту пору Киану Ривз и Алекс Винтер. Потому что именно эти люди – набравшись опыта в «перемещениях по времени» – окажутся важнейшими персонажами при создании фильма «Кто угодно может в кванты», но только уже четверть века спустя. Куда перенесемся и мы – словно на машине времени Билла и Теда.

⇡#2014-2015-й: «Креативность и изобретения»

Главный герой этого – уже абсолютно реального – сюжета, физик-аспирант Университета Южной Калифорнии по имени Крис Кэнтвелл, готовил диссертацию на тему квантовых вычислений. Работа его, однако, как-то застопорилась и начала буксовать, а заскучавшему Кэнтвеллу захотелось переключиться на что-нибудь еще. И вот по рекомендации своей подружки (а ныне уже жены) он записался на дополнительный учебный спецкурс – по развитию творческих способностей и изобретательности, никакого прямого отношения к квантовым вычислениям вроде бы не имевший.

Тем не менее, когда в процессе этой учебы дело подошло к итоговой курсовой работе, по наводке многоопытного в творчестве преподавателя родилась идея о написании несложной компьютерной игры – которая наглядно демонстрировала бы играющим базовые принципы квантовой механики.

⇡#

В процессе предварительной подготовки к своей курсовой Кэнтвелл для начала ознакомился с тем, что уже имеется в этой области, и понял, что сам хотел бы создать нечто совсем другое. Все прежние игры такого рода разными способами просто предоставляли более или менее наглядные аналогии для тех или иных странных принципов квантового мира.

Ну а Кэнтвелл, набравшись азов креативности, сразу решил, что здесь нужно придумать совершенно иной подход – чтобы игра изначально и сразу погружала участников в такую реальность, которая в самих основах своих работает на принципах квантовой механики.

Если говорить чуть иными словами, геймерам в такой игре вообще не требовалось бы заранее знать законы квантовой механики, чтобы играть. Они бы просто естественным образом стали осваивать принципы квантовой реальности, когда в процессе игры им волей-неволей приходилось бы привыкать к действующим тут правилам...

⇡#2015-2016-й: Правила игры

Дабы весьма длинную и непростую историю рождения этой игры сделать покороче (подробности можно найти в тексте «Квантовые шахматы как метафора»), имеет смысл перенестись еще на полтора года вперед, в конец 2015-го, когда первоначально правильная идея Кэнтвелла не без помощи старших-опытных товарищей сумела-таки в итоге воплотиться в абсолютно полноценную «квантово-компьютерную» разновидность классических шахмат.

Есть все основания говорить, что в своей основе «Квантовые шахматы» Кэнтвелла – это симулятор квантовой реальности, с помощью компьютера сооруженный поверх игры и правил совершенно обычных шахмат. Для тех, кто имеет представление о квантовой физике, можно пояснить, что в этой игре естественным образом реализованы феномены суперпозиции и сцепленности, квантовой интерференции и квантового измерения.

Если же пояснять игру для геймеров, смутно представляющих или вообще никак не представляющих особенности квантового мира, то сказанные выше слова означают, что теперь вы получаете в свое распоряжение игру, которая внешне выглядит явно как шахматы, но только с целым рядом весьма необычных новых эффектов и возможностей. Таких эффектов, которые основаны на совершенно четких физических законах микромира, однако классические шахматы в сравнении с новой квантовой игрой начинают выглядеть по сложности примерно как крестики-нолики...

Автор особо подчеркивает, что квантовые шахматы не научат вас математике, лежащей в основе квантовой механики. Но они и не требуют знания квантовой механики для того, чтобы в них играть. Суть забавы в том, что она позволяет игрокам взаимодействовать с квантовыми феноменами таким образом, который прежде был вообще невозможен – как бы погружая геймеров в специфическую квантовую реальность. Если выражаться чуть более формально, новая игра предоставляет людям развивающий способ для освоения и понимания квантовых феноменов на интуитивном уровне – делая это в виде развлечения и стимулирующих разум упражнений.

Дабы предоставить читателям хотя бы первичное представление о тех существенных модификациях, которые внесены автором для превращения общеизвестной игры в шахматы квантовые, следует выделить важные моменты, в особенности касающиеся ходов. Хотя все фигуры на доске следуют тем же самым правилам, что приняты в шахматах, есть тут, однако, и целый ряд примечательных отличий.

Самое главное, что наряду с обычным здесь также есть «квантовый ход». Такую возможность имеют все фигуры, за исключением пешек. Квантовый ход помещает фигуру в состояние суперпозиции с двумя возможными исходами: с вероятностью 50 % эта фигура может перейти на другое поле, находящееся на расстоянии одного или двух стандартных ходов, и с вероятностью 50 % она не двигается с места вообще. В результате такого квантового хода эта фигура существует на доске в обоих местах до тех пор, пока последующее «измерение» в ходе игры не решит исход этой суперпозиции.

Факт существования такой суперпозиции позволяет разным фигурам одного игрока становиться «сцепленными», так что их места расположения на доске оказываются взаимно переплетенными до измерения... Например, движение слона «сквозь» своего же короля, находящегося в состоянии суперпозиции, делает эти фигуры сцепленными.

Другой важный момент: квантовый ход фигуры не может быть использован для того, чтобы взять фигуру противника. Но при этом вы можете, однако, использовать квантовый ход для того, чтобы переместиться на такое поле, где уже имеется фигура противника в состоянии суперпозиции. Это еще не считается попыткой взятия фигуры. Но вместо этого наступает процедура измерения, которая ведет нас к следующему правилу.

Правило измерения для конфликта-соприкосновения: возможности для фигур существовать в состоянии суперпозиции на разных клетках приводят к ситуациям, когда одно и то же поле может быть занято двумя разными фигурами. Когда такая ситуация случается, происходит «измерение» – дабы сократить общее число фигур в клетке до такой позиции, когда там остается не более одной фигуры.

Фактически измерение означает просто более внимательное рассмотрение ситуации на данном поле, чтобы разобраться, что тут происходит. Через измерение разрешаются все конфликты с вероятностями размещений, а также и с вероятностями для местоположения тех фигур, которые были связаны через сцепленность.

Наконец, еще одно важное новое правило – «убить Короля». Наряду с возможностями существования фигур во множестве мест, для них также становится возможным одновременно быть живыми и мертвыми (состояние «кота Шредингера»). Для победы в поединке, однако, Король должен быть убит на все 100 %.

По ощущениям тех, кто уже успел поиграть в квантовые шахматы (а это в массе своей люди, имеющие отношение к квантовым компьютерам), добавление в игру квантовых ходов предоставляет игрокам возможности непосредственно, на уровне тактильных ощущений взаимодействовать с прежде «неуловимыми» квантовыми феноменами. Здесь в буквальном смысле их можно пощупать своими руками.

Когда люди только-только начинают обучаться этой игре, квантовые шахматы могут показаться такой забавой, где, по сути, изменилось только одно – в классически детерминированную игру добавился сильный элемент случайности. Но так кажется лишь поначалу.

Впоследствии, по мере того как игроки становятся все более и более искушенными в правилах этого мира, они приучаются использовать такие тонкие квантовые эффекты, как сцепленность и интерференция. Благодаря этому опытным игрокам удается изменять вероятности местонахождения своих фигур на полях доски, а значит – и изменять в свою пользу вероятности исходов при столкновениях с фигурами противника.

⇡#2016-й: Будущее опять спасено

Для всех, кто вообще не в курсе или успел подзабыть содержание фильма «Невероятные приключения Билла и Теда», можем быстренько напомнить суть: главной причиной появления в 1988 году гостя из далекого будущего (2688 года) стало желание потомков более надежно обеспечить нужный ход истории.

Поскольку разгильдяи Билл и Тед совсем запустили учебу, возникла реальная опасность их исключения из школы. А поскольку в той версии будущего, откуда явился гость, именно Билл и Тед, успешно окончив школу, станут основателями утопически светлого общества, возникла и насущная потребность помочь им с тем самым докладом по истории, несдача которого чревата исключением...

В тот раз, как известно, все закончилось хорошо. Однако ныне, четверть века спустя, уже близко знакомые с будущим Билл и Тед, а точнее исполнители их ролей Киану Ривз и Алекс Винтер, проведали, что светлое грядущее человечества вновь оказалось под угрозой.

Теперь куда более мрачные перспективы нам грозят от тех высоколобых ученых-физиков, которые уже убедили себя, а теперь пытаются уверить и всех остальных, что окружающий нас мир с научной точки зрения является нелепым и бессмысленным. Разубедить же их в этом – и одновременно спасти мир для более светлого будущего, наполненного красотой и смыслом, – смогут лишь вполне обыкновенные люди, освоившие «как свою» реальность квантового мира и замкнутую-компактную геометрию пространства-времени.

Ну а поворотным этапом истории, где решается дальнейшая траектория эволюции человечества, было суждено оказаться поединку в квантовые шахматы между обычным голливудским актером Полом Раддом (знакомым с квантовой реальностью лишь благодаря роли «человека-муравья») и корифеем теоретической физики, профессором Стивеном Хокингом...

Так, во всяком случае, преподносит нам события фильм «Кто угодно может в кванты», режиссером которого стал Алекс Винтер, а роль ведущего – по возможности подготовившего Пола Радда к трудному поединку – взял на себя Киану Ривз.

Благодаря своевременному вмешательству этих людей наше светлое будущее опять оказалось спасено. Однако для закрепления успеха реальность квантового мира все равно желательно осваивать всем. И да помогут нам квантовые шахматы.

Дополнительное чтение

• Про удивительное упорство Ричарда Фейнмана в навязывании публике идей о «принципиальной непостижимости» природы квантового мира, и про то, почему это неправда: «Квантовая физика как она есть»
• Более подробно о правилах и об истории рождения «Квантовых шахмат» – в контексте их взаимосвязей с дискретной «шахматной моделью» Ричарда Фейнмана: «Квантовые шахматы как метафора»