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.