Алексей Семихатов - Квантовая Механика, Квантовый компьютер и Квантовая реальность

41m read

·Nov 6, 2024

Спасибо большое, спасибо всем, кто пришёл от Сурдина. [аплодисменты] Привет! Ну вот как-то так, значит, моя задача рассказать вам что-то интересное, но я воспринял её как рассказать заодно что-то непонятное. Ну непонятно, да? Значит, смысл: вот короткий ответ на вопрос для тех, кто торопится: не кошка и не луну, конечно не кошка и не луну. Но и мы увидим, что там происходит.

Значит, смотрите, квантовая механика — это то, что описывает наш мир на самом фундаментальном уровне внутри вещей. Квантовая механика при погружении вглубь наш обычный классический мир заканчивается. И квантовая механика при этом — самое интересное и самое крутое из всего, что было когда-либо изобретено людьми. Самое удивительное: она имеет дело с тем, что нельзя увидеть. При этом квантовый мир живёт под другим законом, это не маленькая копия нашего. Там действуют совершенно другие правила. Они, тем не менее, обеспечивают наше существование. И квантовая механика находится на первом месте с колоссальным отрывом от второго по численному совпадению, по точности своих предсказаний. Теоретические предсказания экспериментальным совпадают уникальным образом, и при этом квантовая механика не объясняет, почему она работает. Это довольно удивительно. Не объясняет, как — это очень странная математическая схема, какая-то эффективно работающая вещь в себе.

Значит, что такое очень коротко, чтобы мы просто нашли общий язык и друг к другу привыкли? Сейчас можно расслабиться, написать последние ватсаповские сообщения, а потом уже отключить телефоны. Значит, почему механика и почему квантовая механика? Вообще исходно как предсказание движения? Собственно, она возникла тогда, очень грубо говоря, когда нужно было знать, куда полетит пушечное ядро и куда оно приземлится — та самая школьная задача. Ну, которые можно решать не школьными средствами, если там сопротивление воздуха, кривизну земли учитывать и так далее.

Значит, знание действующих факторов, попросту сил, состояние, с чего мы стартуем, и хотелось предсказать, что получится. В этом была задача механики. Она до сих пор страшно актуальна. Классическая механика делает для нас кучу вещей — от проектировки того, сколько топлива будет рассчитывать расходовать ваш автомобиль, честное слово, до того, выйдет-не выйдет на орбиту ракеты. В общем, всё на свете. И задача классической механики, строго говоря, предсказание движения на основе всех возможных знаний. Поэтому слово механика осталось вот в таком непрямом значении — это не значит, что там шатуны, механизмы, шестерёнки. Ничего такого в квантовой механике нету. Это просто предсказание того, что будет на основе всех известных факторов.

Ну а квантовое означает вообще-то порционное. Просто дело в том, что в квантовом мире бывают минимальные порции чего-то, а бывают и просто порции. Бывают дискретные значения. Например, что такое квант света? Это просто самый слабый свет. Вы убираете, уменьшается, уменьшается, уменьшается интенсивный свет, и когда он уже очень слабый, вы видите, что он уменьшается ступеньками. И последняя ступенька ниже слабее неё, свет данной длины существовать не может. Его уже нету, и ступенька называется квантом.

Поэтому там часто слово "кванто" имеет отношение к некоторым порциям, в том числе минимальным порциям, наме энергии. Не всё порционно, не всё и не всегда. И даже энергия не всегда порционная, но многое порционно. Значит, почему там внутри, в малом, то, что вот, когда вы погружаетесь в глубь вещей, там действуют другие правила? Наш привычный мир заканчивается. Это, собственно, и было главным открытием и главным удивлением первой четверти XX века.

А тем не менее, наш привычный мир не мог бы существовать. Это я сейчас покажу пару примеров без диких с нашей точки зрения правил, лежащих в его основе. Мы не видим их напрямую, но мы сами — есть результаты их воздействий. Читаю, ликом на очень малом масштабе вещи ведут себя иначе, не похоже ни на что из вашего непосредственного опыта. Они не ведут себя как волны, они не ведут себя как частицы, они не ведут себя как облака, как бильярдные шары, как грузики.

Нах, что изго' главнaя приме'р? Мы все состоим из атомов. Не всё в природе состоит из атомов, но мы состоим из атомов. И вещи вокруг нас состоят из атомов. Атом невозможен по классическими законам. Если бы электрон летал подобно планете Меркурий, как она летает вокруг Солнца, летал бы вокруг ядра, он испытывал бы ускорение, тогда он излучал бы энергию. Энергию можно было бы взять только из энергии движения, и он очень быстро отдал бы всю энергию, я не помню, то ли за 10 мину, то ли 16 доли секунды. В общем, мгновенно упал бы на ядро и наш мир схлопнул бы раз по объёму. Атом не может быть устроен как планетная система. Электрон не может летать вокруг ядра. Как мы очень скоро видим, он вообще не может летать в привычном смысле слова, у него нету траектории.

Ну и тоже кванто-механическое проявление. Мы воспринимаем это как само собой разумеющееся. Но все атомы одного элемента одинаковы. Можно отодрать все электроны, а потом вернуть другие электроны, они сядут точно также, атом станет неотличим от того, как каким он был. Это знаете, когда мы пытаемся добиться уникальности сборки, чтобы все детали были одинаковые. Мы принимаем специальные меры, мы тренируем персонал, мы изобретаем станки.

В квантовой механике это встроено в саму квантовую механику. Относительно сложный. Ну вот композитное образование атом — это композитное образование ядра и какое-то количество электронов. Они живут вместе. Вот они могут быть собраны примерно единственным образом, не единственным. Когда вы пиете электроны, они получают больше энергии, но всё равно это дискретный — нету чуть-чуть другого. Нету плавной деформации.

Это очень важное свойство квантовой механики. И все элементы действительно действительно одинаковые. А квантовые законы... А не буду долго на это распространяться, нас более странные вещи ждут. Определяют, значит, структуру атомных ядер, атомов, молекул, электроника, магнетизм, вся химия, лазеры, взаимодействие света из вещества, из больших предметов.

Значит, в ясную погоду, когда посмотрите на солнце, пожалуйста, вспомните, что оно горит благодаря квантовым законам. Это прям совсем не шутка, это было прямо вот открытие, когда это поняли, это очень важное понимание. Значит, там история длинная, но смысл в том, не буду вдаваться, но смысл в то, что когда протоны ядра атома водорода соединяются друг с другом, и сильное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие их так сжимает, выделяется энергия. За счёт этой энергии солнце и горит.

Но чтобы они слились близко, подошли друг к другу, им нужно преодолеть электрическое отталкивание, потому что оба, каждые два протона, заряжены положительно. Они электрически отталкиваются. Оказывается, что температура на солнце недостаточно высока, чтобы они вот так вот имели бы возможность преодолеть силу электрического отталкивания, она их разводит до того, как подействует, как вступит в действие сильное ядерное взаимодействие.

Ну и всё, звёзды не должны гореть, а они всё-таки горят. Благодаря тому, что в квантовой механике есть эффект прохождения сквозь стену. Ну да, вот можно находиться по одну сторону стены, в некотором смысле оказаться в некотором смысле по-другому. Это чисто квантовый эффект, он называется туннелирование. Хотя никто никакого туннеля не просверливает. Он происходит с некоторой вероятностью, и в звёздах, вообще это не только про солнце, вообще все звёзды, вероятность этого очень невысока. И это, собственно, это колоссальное везение.

Ну если там можно так сказать, звезда не делается похожа на водородную бомбу. Водородная бомба — это где всё сразу, поэтому там температура выше. Поэтому в термоядерном синтезе его так трудно сделать. Нам нужна температура примерно в 100 раз выше, чем в центре солнца, потому что мы не хотим ждать очень долго. А внутри солнца, благодаря квантовым эффектам, происходит это страшно медленно. И звёзды не сгорают за 100, за 100.000 лет, а растягивают своё горение на миллиарды лет. И мы тут успели завестись на этой планете благодаря этому.

Вот, значит, квантовое явление. То есть если бы отменить вдруг... Я не люблю говорить, что мы — компьютерные симуляции, но если себе представить, что мы — компьютерная симуляция, а плохие парни вдруг открутили нам, убрали нам квантовые законы, а классические законы продолжили вот до самого... этого самого — ну всё, нам конец, наша Вселенная исчезнет.

Не только звёзды, а атомы исчезнут. Звёзды погаснут, ВМ распад квантовый... Законы. При этом странные, у меня будут странные рассуждения, нужно помнить, что квантовая механика, я уже сказал, даёт самое точное совпадение теории эксперимента с электроном. Связано величина, которую можно вычислить, это результат. Это первая Нобелевская премия в 1930 году. Это ещё каждые две цифры десятилетия работы, прямо честное слово. Это сложные вычисления, сложные вычисления.

А это всё более точная экспериментальная техника. Нигде, ни в одной другой области науки, близко нету 12 совпадающих знаков из таких раз действий. Это значит, что при всей дури, которая видна из квантовой механики, она не может быть неправильной. То есть если она нам кажется странной, то это проблема скорее с нами, а не с ней, собственно. Вот это главная-интрига.

Если бы хоть что-то было не так, то эти цифры такими бы не получились. И, наконец, мы переходим к тому, что квантовый меха действительно необычен. Самое первое, с чего мы начинаем, что эти объекты нельзя увидеть. Длина волны света примерно, мы смотрим в 2000 раз больше, чем характерный размер атома. Атом — это не поверхность, у него нету поверхности. Если у него была поверхность и правый бок и левый бок, вы спрашивали, а из чего он там сделан?

А если я процарапывания, потому что здесь один атом, здесь уже не атом, или здесь уже другой атом? Так вот, попробуйте разглядеть. Попробуйте разглядеть одну букву, если самое мелкое, что вы можете видеть, это слово длиной в 2000 букв, то есть увидеть атомы светом нельзя. Да, из атомов выходит свет. Более того, он выходит даже из электрона. Внутри атомов это не имеет никакого отношения к тому, как атом выглядит. Атом не имеет там ни цвета, не только ни вкуса, не запаха, но и цвета и и поверхности и далее.

Это элементарный процесс. Электрон излучает. Излучает фотон. А вы скажете, я посмотрю пристальнее, я возьму свет покороче. Но свет покороче — это ультрафиолет или рентгеновское излучение. Это то, почему у рентгенологов сокращённый рабочий день. Он несёт большую энергию. Именно поэтому нам не очень полезно ультрафиолетовое излучение, а жёсткое гамма-излучение вообще убивает сразу. По счастью, мы от него атмосферой защищены.

То есть когда вы просто начинаете чем-то как бы очень сильно светить, чтобы лучше посмотреть, вы фактически со страшной силой бьёте вашу систему. Электрон сталкивается с фотоном, происходят какие-то события, улетает. Вы разрушаете систему. Более энергичная попытка посмотреть на систему просто сильно её изменяет. В квантовом мире посмотреть в общем означает то же самое, что ощупал плавкий материал, и вас попросили на ощупь определить его форму. Пока вы его щупаете, вы эту форму меняете, вы что-то там стираете.

Вот это вот очень грубая метафора того, что значит посмотреть в квантовой механике. Это всегда означает воздействие. Квантовые объекты в результате я вот тут буду говорить странные вещи. Вы скажете, вы подумаете, ну как такое может быть — я возьму и посмотрю, что там происходит? Нет, вы не посмотрите. Посмотреть нельзя. И они мерзавцы пользуются этим и ведут совершенно непредставление, переносят туда рассуждение. Ну ясно же, вот электрон, вот он здесь. Ясно, он движется, вот то-то, то-то, то-то. Нужно было дико дисциплинировать мозг и рассуждать только о том, что можно наблюдать.

Это первым сделал Гейзенберг, даёт фантастические предсказания. Но явления развиваются в абстрактном математическом пространстве. Вся эта схема, забегая вперёд, работает как Оракул. Это будет одна из моих последних фраз. Как работает Оракул? Вы собираете деньги, приносите оракулу и говорите: ну, скажи мне, урожайный ли будет год? Долго ли я прослужу? То ли произойдёт? Всё ли произойдёт? Он там чего-то химичит и говорит: ну вот, бойся вот этого.

Почему? Какие механизмы? Не объясняется. Квантовая механика в некотором смысле работает. Также вы берёте что-то, какую-то физическую ситуацию, в некотором смысле загружаете её в математическое пространство. Там действует уравнение Шрёдингера, мы к нему вернёмся. И оттуда бабах, ответ. Ну мы ещё скажем сейчас, какого типа ответ. Вы сравниваете с экспериментом. Прямо супер, да.

Но это вот так. А вот тут что? ВМ просто... Вот просто важно понимать, квантовая механика как таковая на этот вопрос вообще даже не пытается ответить. Это удивительная теория, удивительная. Она не сообщает о том, что, строго говоря, происходит у нас в физическом пространстве. Ну и в ней она беспричинна, это страшное явление всегда, когда если вы делаете что-то, построено... Есть люди, я точно, пожаре го одинаково и ВС.

Если вы делаете так, и всё-таки ваш пирог не удался, ну, вы же не списываете это на квантовую механику? Говорите, есть какая-то причина. Ну, дрожжи были плохие в этот раз. Ну, есть какая-то причина, в квантовой механике нету скрытых шестерёнок, нету просто идентичные системы. А этого легко добиться. Квантовой механике... У них жизнь очень скудна, и всё очень легко контролировать. При повторных испытаниях ведут себя по-разному, и ничем это не вызвано. Просто по-разному.

Имеет случайно выпадает один из возможных исходов. Измерять и вообще разговаривать можно только о вероятностях. Чаще там 80% случится одно, 20%, 19% — что-то другое, и 1% — что-то ещё. Это довольно частая ситуация, пример радиоактивные атомы. Здесь два исхода, но вероятность, конечно, не 50 на 50. Если у вас там небольшое количество, там жалкий триллион атомов радиоактивных, вы знаете, и вы знаете период полураспада, вы знаете, сколько распадётся.

Ну, не знаю, через сутки, ну, через месяц. Это совершенно неважно, через минуту. Нони про какой конкретный атом ничего сказать нельзя. У него нет обязательств распасться сейчас, через год, через миллиард лет, через половину времени жизни Вселенной. И некоторые просуществуют. Но вы никогда не знаете, какие атомы абсолютно одинаковы. Я про это говорил, но распадаются другие, а некоторые нет. А вероятность в среднем, ради полураспада, в среднем соблюдается.

Значит, протоны в солнце — это то же самое, я уже про это говорил. Что вот это туннелирование — это случайный процесс, который никак не объясняется. Некоторым удаётся, некоторым нет. Они совершенно одинаково стараются, это не зависит от них. То есть мы бы абсолютно сошли с ума, если бы в колл-центра очередь звонков была организована по тому принципу, каким протоны соединяются в солнце. То есть ваша вероятность соединиться никак не зависит от времени ожидания, вообще зависит.

Вы можете сутки висеть, можете год висеть на телефоне, а можете иногда позвонить, и вам ответит или сейчас, или через час, и вы этого никогда не знаете. И это ничем не контролируется. Вот это довольно удивительное положение вещей. Собственно говоря, вопрос, который задавал Эйнштейн, всё-таки есть там какие-то внутренние скрытые шестерёнки? Ну там кидает ли Господь кости? Он так это метафорически выражал.

Вот, а сейчас ответ: нет, нет, ни монетки, ни кости никто не подкидывает, и выбор делается. Это очень трудно себе представить: фундаментальная случайность, не опирающаяся ни на какие механизмы, но выбирающие то одно, то другое. Правда, очень трудно себе представить. Нам всё время кажется, что просто мы не знаем причины и сегодня, это будет тема. Нам кажется, просто мы не знаем или этого в природе нет.

На самом деле эта тема ещё возникнет. Другое восхитительное свойство квантовой механики, которые имеет — это вражда. Это моё собственное слово, изобретение. По-другому это называется некоммутативность, некоммутативность операторов в гильбертовом пространстве, но смысл тот же. А вражда гораздо выразительнее. Значит, смысл в том, что некоторые величины не могут принимать точные значения одновременно.

Например, положение в пространстве и скорость — это прикрепляются одновременно. Информация о его положении, точная информация о его положении в пространстве, его точное положение о скорости — это нельзя себе представить, потому что я не могу себе представить табуретку, про которую может быть известно либо количество ножек, либо длина ножек. Но с электроном это так. Они, я говорил, я вас предупреждал: они ведут. Как хорошо, что я предупредил на что нельзя посмотреть. Значит, из-за этого нет движения по траекториям. Конечно, траектория — линия воображаемая, но тем не менее, э, каждая точка траектории — это определённое положение в пространстве, в этом смысл траектории.

А поскольку если у вас имеется гладкая траектория, то скорость направлена по касательной и тоже имеет определённое значение. У всего, что нас окружает, вот как только раз скорости и положения не могут быть определены одновременно, не могут быть прикреплены к одному и тому же электрону одновременно, то он не может двигаться по траектории. Вы спросите: а что он делает? Другое проявление этого — что квантовое вращение — это явление, у которого нет оси вращения.

Это вы даже не пытайтесь представить, чтобы вы не врали. Даже если вы меняете навле, в каждую данный момент вращение есть ось. В квантовой механике знание оси вращения, интенсивности вращения, слишком много информации — они начинают враждовать друг с другом и не могут быть прикреплены одновременно. Хуже того, для электрона это вообще всегда, вообще всегда. Это очень-очень общие вещи. Очень общие.

Теперь более конкретно: для электрона в атоме, там где есть кулоновское притяжение к ядру, запрещено вообще для электронов запрещено определённое положение. Внимание! Электрон в атоме... Надо прочитать медленно. Не имеет свойства находиться в какой-либо точке пространства. К нему это свойство математически не прикрепляется. Я не пытаюсь сказать, что он мечется туда-сюда и то здесь, то там. Я пытаюсь сказать: в какой момент времени к нему математически невозможно прикрепить свойства находиться в такой-то точке пространства. Более того, и по близким, прочит от свойств вращения. Он себе берёт — это величин описывающих вращении.

Он берёт себе две. И собственно, вся химия, вся история про электронные облака, которые вы, может, бы видели в курсе химии, всё это попытка описать вот два числа, которые наглядно выразить. Два числа, которые описывают нечто похожее на вращение, что вращением не является. Итак, это важно для нас. Но иллюстрации того, что не все свойства прикрепляются к объекту одновременно, и это абсолютно невозможно. Классическое положение дел — классическая. Просто, я на всякий случай поясню, это до квантовая. То есть классическая физика — это та, которая была, была, была раньше. Она в каком-то смысле неправильная, но и в том же самом смысле правильная. То есть это приближение, когда вот отдельно интересный вопрос, как квантовый мир внутри, вот когда мы отодвигаемся, добрым предсказуемым интуитивно понятным миром. Вот этим самым, классическим миром — это интересно, вопрос, но не на сегодня, наверное, в основном.

Значит, после всего, что я наговорил, как вообще описывать квантовые системы? Ну вот там у Ньютона планеты движутся по траекториям. Да, может быть, очень сложным, та влетела звезда в солнечную систему, всех перемешала, выкинула Юпитер, выкинула Землю. Но это какие-то траектории. Извините, квантовые системы придумали, как описывать независимыми способами. Это сделали Гейзенберг и Шрёдингер, дигер с полугода. И они придумали две схемы, которые сначала выглядели абсолютно противоположностями друг друга. Гейзенберг ненавидел то, что Шрёдингер публично высказывался, просто с критикой, а в частных письмах употреблял слова, близкие к слову отвращение. У него вызывалось всё больше отвращения к тому, что делает Шрёдингер.

Потом выяснилось, что есть преобразование математическое — в скобках преобразование Фурье, попросту, которые переводят одно в другое. То есть уникальная ситуация. Одно и тоже придумали, в каком-то смысле конкурирующие фирмы придумали математически эквивалентные вещи. С той-то, до из математического преобразования придумали одно и то же. Прямо вот буквально по-видимому, это, это вообще уникальный случай. По-видимому, это означает, что придумать что-то другое, ну, наверное, очень трудно. Вот каждый думал своей дорогой и пришли к одному и тому же. Большой вклад внёс Макс Борн, он у нас сегодня будет ещё фигурировать.

Значит, я сконцентрируюсь на механике на том, чему нас учит Шрёдингер. Главная идея там — это волновая функция. Встречаем волновую функцию как описание состояния квантовой системы. Значит, у неё очень неправильное название. Волновая — это не волна в пространстве, это математический объект, который живёт вот там, где, собственно, всё и происходит и является вот этим вот мозгом, или уж не знаю чем, вот этого оракула квантово механического.

Вот, а у меня метафора вместо математики гораздо легче заходит, волшебство. Ну, математика всем сразу делается скучно, половина людей хочет уйти. Значит, я вас приглашаю в [музыка] волшебное казино. Сейчас объясню. Значит, волновая функция — это список всех возможностей. Сразу всех возможностей. Сразу, и это список, научному это называется суперпозиция. Не буду вас больше этим словом пугать, и моя метафора, собственно, состоит в том, что у вас на руках вы пришли в волшебное казино, и у вас на руках волшебная карта. Тройка, семёрка, ту дама, ещё одна дама другой масти, король и так далее.

Значит, это одна карта, одна, это не колода, это одна карта, у которой нет определённого значения. Что значит нет значения? Ну не спрашивайте, это волшебство. Ну она же математика, как хотите. Вы можете думать, что это свободная абелева группа, порождённая вот этими образующими. Кому так проще? Но гораздо проще думать, что это волшебство. У меня на руках одна карта, а в ней умто образом жные значения при этом. Значит, если у вас есть, да, они соединены знаком плюс по довольно глубоким причинам.

Но что очень важно понимать: что если у вас на руках тройка и у вас на руках семёрка, это не значит, что у вас на руках десятка. Они не складываются. Значения возможные значения сохраняют свою индивидуальность, они не складываются. Это смесь возможностей, совсем не похожа на смесь красок, когда вы перемешиваетесь что-то там отвратительное. Да, а здесь, значит, у вас как бы всё друг на друге, суперпозиция, но индивидуальность каждых значений сохраняется. И чтобы это подчеркнуть, ставят вот такие угловые скобочки вокруг каждой, потому что на самом деле там не карты, там какие-то точки пространства, например, в настоящей квантовой механике и так далее.

Это не всё. Вот эти возможные значения карт могут сопровождаться числами — а, с, d, e, f и так далее. А это, причём, не думайте, что это число 2, 3, 4, 5 — может -1, 1, на репи, а даже того хуже, вообще совершенно любые, совершенно любые числа. Чтобы вы прямо вот знали, что волновая функция устроена точно так же. Настоящий здесь просто написан гораздо скучнее.

Волновая функция электрона в атоме — это его возможность находиться в разных точках пространства, а коэффициенты в том случае являются просто функциями Бесселя, но принцип абсолютно тот же самый. Ну строго говоря, там не сумма, а интеграл, потому что точки пространства непрерывны, их нельзя перечислить. Но это технические подробности. Вот, электрон в атоме потому не может, не имеет свойства находиться в определённой точке пространства, что его волновая функция с необходимостью перечисляет возможности нахождения в разных точках, что исключает нахождение в какой-то одной из них.

И эта волновая функция чаще всего буква пси, хотя можно обозначить совершенно любой. Изменяется с течением времени, и вот её закон изменения решает задачу механики. Он, то есть, предсказание того, что будет, преды, не движение, вы предсказываете состояние волновой функции фактически, что может меняться. Меняться могут эти сопровождающие числа, но если одно станет равным нулю... Ну давайте, у Пиковой дамы стало равным нулю, значит, её можно не рисовать.

Вот если вдруг появились какие-то ещё с какими-то числами t, они меняются с течением времени. Закон, по которому это происходит — это фундаментальное уравнение. Название и его тизер звучит так: энергия говорит волновой функции, как ей меняться во времени. То есть энергия движет мир в будущее. В этом неплохая метафора, потому что вообще-то это так и есть. Вообще, даже в нашем классическом мире любое действие, любое преобразование, любое что угодно — это обмен.

Ну сначала, конечно, хочется сказать деньгами, но на самом деле это обмен энергией. Деньги, если очень хотите, это некая наполовину только шутка, некая форма энергии. Да вот, значит, энергия в квантовой механике прямо поднимается на пьедестал. Она становится довольно неприятным объектом, который злой такой пинает волновую функцию и меняет её всё время и показывает, как ей меняться.

Как ей меняться во времени вместо координаты, скоростей, то есть вместо движений по орбитам, по вот как планеты летают. Волновая функция — список возможности. Вместо уравнений Ньютона, которые говорят, как полетит камень, уравнение Шрёдингера командует там энергия. И появляется наш главный герой. Его придумал Шрёдингер — запутанность. То есть придумали Эйнштейн, Подольский, Розен и никого это уже не интересовало к этому моменту. По причинам, которых у меня, к сожалению, нет времени вдаваться, 50 лет прошло, прежде чем люди поняли, насколько это круто. Но Шрёдингер понял сразу. Бабушка его была англичанка, и он сразу придумал английское название. Вот русское лучше было бы назвать зацеп, или сцепленно, или зацеп уже назвали запутанность по-немецки.

Вот и это явление Шрёдингер к тому времени уже великий, вот написавший своё уравнение и ещё кое-что сделавший, он собственно считал, что это самое главное, самое отличительное свойство квантовой механики. Ну примерно так и есть. Много времени на это большого внимания не обращали. За зано вше в квантовом мире почти ВС. Другое дело, что обычно совершенно неконтролируемым образом знание о том, каким образом взаимодействие рождает запутано. Ещё раз: моё волшебное казино — очень точная метафора взаимодействия. Взаимодействие означает, что происходит какой-то обмен энергией, зарядом, угловым моментом, количеством движения.

И для кванто, пока классический — через две строчки станет квантовой пьяницей, значит, абсолютно тупая игра. Значит, моя красная карта превращает вашу в короля. Ну, такие правила, превращает, не знаю, если это либо крупье приносит, либо это волшебная, но она по волшебству. А в квантовом мире оно превращается, и всё это элементарные процессы. Мы не ищем другого объяснения.

Вот моя чёрная карта превращает вашу в даму. А теперь самое интересное: я беру волшебную карту, ту, с которой мы начали, в которой соединены вот тем самым знаком плюс и в скобочках красные и чёрные карты. Это моя одна карта без определённого значения. Оказывается, и это прекрасно, хотя и совершенно чудесно. В смысле чудо, уравнение Шрёдингера говорит, что ваша карта подчиняется равнению Шрёдингера, фундаментальное уравнение квантовой механики должна откликнуться на это так: на мою красную — королём, на мою чёрную — дамой.

Внимание! Вот это моя карта, а вот это ваша карта. Вот так, не по слагаемым, а вот так они делятся. Первая в каждом — это моя, а вторая в каждом слагаемом — это ваша. В результате это и называется запутанное состояние. У вас король относительно красной двойки, и дама относительно чёрной двойки, но про вашу руку нельзя сказать, какая у вас карта. Это классически невоз.

Это другое соотношение части и целого, чем мы можем себе представить в классическом мире. Вот пример того, где это в избытке, где мы этим пользуемся. Очень коротко — это квантовый компьютер. Квантовый компьютер — это набор систем с двумя опорными состояниями. Чёрная карта, красная карта. Красная карта называется спин вверх, спин вниз. Мы к этому ещё вернёмся. Просто квантовое свойство, которое принимает два значения. Система, которая обладает двумя такими, имеет два таких опорных состояния, называется кубита.

Отлично, раз есть два — значит, есть любые их смеси, как волшебная карта. Красная и чёрная, думайте про то же, ну просто карты. Кроме того, я бы писал бы карты до конца своей презентации, но они так много места занимают. Вот, и в общем, с этим проще. А теперь два кубита. Ну вот пример запутанного состояния двух кубит. Если первый вверх, то второй вниз. Если первый вниз, то второй вверх. Ну это то же самое, что король двойки и короли и дамы. Ну совершенно то же самое, только переписана в других универсальных терминах.

Можно запутать три кубита, пожалуйста. Все три вверх и все три вниз — это две возможности для трёх кубит, но не здесь, не перечислено возможность. Первый вверх, второй вниз, второй вниз третий вниз. Может случиться только либо это, либо это, только эти возможности здесь учи, но не про один из них, ни про первый, ни про второй, ни третий нельзя сказать, вверх он или вниз. Ну и так вычисление в квантовом компьютере, просто чтобы мы этим привыкли, что уравнение — это такая вполне серьёзная штука. Это эволюция волновой функции чего-то такого. Только для очень большого числа.

Здесь много, не три подряд, а много-много-много. Ну с этим, собственно, главная проблема квантового компьютера — сколько удастся сделать эту эволюцию согласно уравнению Шрёдингера. Как я же сказал, очень хочется запутать побольше. Мыслительный эксперимент, потому что в квантовых компьютерах при всех ухищрениях охлаждения до абсолютного... почти до абсолютного нуля, там технические проблемы. Но не принципиальный характер, а технологический. Значит, вот мы запутали два электрона, вот мы запутали три, вот мы запутали, например.

Давайте зацепим все электроны в кошке, а на самом деле, кошка должна будет оказаться в том же состоянии, в каком была карта на вашей руке. Ну и Шрёдингер, собственно, и показал, что он показал. Ну, давайте сначала последуем ква... Вот здесь начинается самое удивительное. Значит, никто, никакой ошибки пока не делал в этом. Всё дело — значит, никто ошибки не делает, всё логически правильное рассуждение. Значит, мы сейчас кошку будем запутывать вместо второй карты.

Вот у меня была карта, у вас была карта, у вас будет кошка. Значит, а у меня, значит, вместо моей карты спин электрона. Ещё раз: это квантовая величина, которая может принимать два значения, вперёд и назад. Некое внутреннее свойство электрона. Есть прибор для его измерения, называется прибор Штерна-Герлаха. Будет даже его схематический рисунок — абсолютно знаменитая вещь, реально существующая штука и заодно герой... значит, всех мыслительных экспериментах вы выбираете направление в пространстве и измеряется спин. Два лет напра может оказаться либо по в точности по этому направлению, либо в точности в противоположную сторону.

Выбрали. Давайте выберем вертикальное направление. Тогда, как мы это уже делали на предыдущем слайде, две возможности. Две возможности. Две возможности. Либо так, либо так. Это такая квантовая свойство, например, электрона. Это ровно то же самое, что моя карта. Ещё раз: больше об этом не буду говорить. Аналогично. Вот такая вот смесь возможностей — это как смесь. Вот эта вот комбинация двух карт, двух возможных значений в одной карте. Это то же самое. Значит, теперь будут чуть более скучные спины вверх, спины вниз.

Итак, электрон со спином вверх влетает в прибор для измерения спина. У равен Шрёдингера говорит, что ну там этот прибор, он знает, что он делает. И вот эта скобка означает состояние прибора. Стрелочка потолще кавычка. Прибор говорит вам: не знаю, в виде ручки, повернутой в виде индикатора, в виде цифры, появляющийся — что хотите. Прибор говорит: я измерил спин вверх.

А дальше вы за отдельную плату приобрели устройство, которое уже никакого квантового механики. Если спин вверх, то выделяется газ усмиряющий, и ваша кошечка, которая тоже оказывается тут рядом, была — она быстро засыпает. А если влетает электрон со спином вниз, вы измеряете спин, прибор откликается: да-да-да-да, говорит прибор, я измерил спин вниз. И там отдельное приспособление, есть же диспенсеры такие кошачьи, насыпаешь на сухой корм, и он выдаёт еду, когда вы уезжаете на дачу. Он выдаёт еду там раз в сколько-то времени. Ну вот примерно такое. А, ну и кошка вместо чем спать, наоборот, ест.

А, ну, конечно, конечно, вы уже этого ожидали. Электрону ничего не стоит находиться в таком состоянии, просто ничего не стоит вывести. Это состояние вообще ничего не стоит. Это вообще не вопрос. Кошка по уравнению Шрёдингера, я выкинул отсюда всё, что связано с прибором, просто потому что не влезает. Через все эти этапы измерения спин... кошка отвлекается на это, так относительно спины вверх, она спит, относительно спины вниз, она ест. Но это то же самое, что было с волшебными картами.

А, то есть согласно уравнению Шрёдингера кошка вовлекается в комбинацию, по научному суперпозиции, коррелированный возможности, коррелированный в том, что если вверх, то спит, если вниз, то что-то другое делает. Сказать ещё раз, как и всегда с запутанными состояниями: состояние кошки самой по себе нельзя. И всё. Вот, значит, здесь всё сказано. Уравнение говорит, что кошки должны запутаться.

Точно говорит. И более того, в квантовом компьютере это всё работает, всё работает в квантовом компьютере. Они там запутываются и вычисления, которые мы иногда кое-как делаем. Там технические сложности, там всё это работает. Но кошек таких точно нет, точно нет. Значит, что-то идёт не по Ёнге. И это просто волосы встают дыбом. Хотя 50 лет на это люди, людям предлагалось отвечать тем, кто здесь задавал вопросы, общественное мнение, не буквально, но отвечало фразой: "SH заткнись и вычисляй".

Ну, просто надо, понимаете, что с квантовой механикой, что произошло. Вот там, когда в 25 году её придумали, к 27 там более-менее всё так улеглось. Бор приехал на озеро Комо, Муссолини устраивал большое мероприятие, Ален ль Великий, итальянский физик, очень ранней эпохи, все почти все, кроме Шрёдингера, приехали. Шрёдингер не приехал. Бор прочитал программную лекцию к D седьмому году, значит, кванто механика у тряслась в тридцать пятом году. Вот ещё были отголоски, возникла запутанность.

Ну и в общем, это было дело, ну любителей. Ну можно заниматься кванто механикой, можно заниматься классической филологией, а потом выяснилось, что у них на руках ядерная энергия, ядерная бомба, Вторая мировая война. И после войны всё изменилось. Количество людей, занимающихся квантовой механикой, увеличилось в тысячи раз. У нас в стране открывали, в Советском Союзе открывали новые институты, создавали новые факультеты, брали студентов, переводили из других, изучайте атомные ядра. А там всё квантовое. Да, и действительно, у каждого было чем заняться.

И вот эти вот вопросы о том, слушайте, ну вот она работает, как Оракул. Ну а происходит, заткнись, вычисляй. Тебе нужно узнать, с какой силой долбанёт, какой ток потечёт через там контакт, туннельный ток через контакт, через который обычный ток течь не может, ещё что-нибудь. Значит, я сказал, что волосы встают дыбом от этого, но 50 лет в течение 50 лет никто по этому поводу не парился. Довольно удивительная картина.

Я предупреждал, что квантовая механика не может быть неверной, потому что вот у не это количественная теория. Она даёт предсказания. Но вот сейчас мы увидим, насколько фантастически несуразные. Значит, я вам не всё про казино сказал. Как обычно я вас заманил в казино, но забыл предупредить, что к вам может подойти дядька. В казино всегда есть дядька, которому трудно отказать. К вам может подойти дядька, и он говорит: ну предъявите, пожалуйста, карту. И она становится одной из тех, что были перечислены.

Если двойки трев, здесь перечислен не было, она никогда двойки трев не станет. И потом вы ходите с той же карты ещё раз, снова предъявляете, и она в другую расколдовывание. Вот здесь только одно нарисовано. Происходит с определённой вероятностью. И вот Борн, который нас ещё портретом мелькнул, определяет эти вероятности. Это настоящее квантово механическое правило. Оказывается, вы расколдовывайте.

Ну вы много раз, это должны делать. И тогда, то есть, когда вы приходите просто с один раз, вы не знаете, во что она расколдовывает. Два раза тоже не знаете. Когда вы делаете в течение года, каждый вечер, а лучше по 10 раз каждый вечер, у вас набирается хорошая статистика, и вы смотрите, что чаще всего происходит, выясняется, в тройку, чтобы узнать, с какой вероятностью раскол — расду в тройку бубе нужно взять число, стоящее перед тройкой, возвести его в квадрат. Чтобы узнать, с какой вариацией расколдуй в семёрку, нужно цифру взять число, стоящее перед семёркой, возвести его в квадрат, ну и так далее, там...

Ну и так далее. Все эти числа нужно взять, возвести в квадрат. Всё хорошо, но только в моём казино в природе никакого казино нет. Дядька никуда не приходит, и здесь дядька, как бы нарушает уравнение Шрёдингера. А в природе что происходит? И вот тут вот удивительная вещь в природе. Да, это называется коллапс. Вот это вот расколдовывание я называю расколдовывание. Никто так не говорит, кроме меня.

Вот называется это коллапс. Коллапс волновой функции. Ещё раз, извините за некую суету: коллапс волновой функции — это потеря всех возможностей, кроме одной какой-то из возможностей. Это её, она схлопывание к одной из возможностей называется коллапс. А в природе это делает измерительный прибор. Волновая функция схлопывается. То есть коллапсе, когда мы делаем измерение, у нас была волновая функция электрона, мы каким-то образом обнаружим в точке R1.

Нужно взять число перед точкой, перед R1, вероятность обнаружит в точке R2 и так далее. Вот, собственно, электронные облака — это есть вот эти вот графические выражения этих вероятностей. Значит, внимание: измерительный прибор, в отличие от прибора, который в мысленном эксперименте про кошку делает что-то совершенно особенное и несуразно. Смотрите: он не вовлекается в запутанность. Он не отвечает на точ измерений в точке R1, а на это в точке R2.

Он даёт один результат. Более того, он саму волновую функцию заставляет потерять все возможности, кроме одной, которая соответствует тому, что он измерил. Как ему это удаётся — непонятно. Волновая функция теряется. С коллапсе к одной из возможностей, к той, которая отвечает измеренному значению R3. Так, R3 спин вверх. Так, спин вверх. И в каком-то смысле измерительный прибор помогает правилу Борна проявить себя и выражает вот это вот индетерминизм квантовой механики, потому что где вероятность, уравнении Шрёдингера само по себе описывает, что будет.

Совершенно однозначно неоднозначность, то самое, та самая беспричинность. Есть эндотермические измерительные приборы, и происходит что-то невероятное. Итак, три элемента квантовой механики и одна проблема. Четыре свадьбы и одни похороны. Кто смотрел старое хорошее кино? Три элемента квантовой механики, если очень грубо: волновая функция, правило Борна, волновая функция — это резюме для тех, кто... Ну, все устали уже немножко.

Вот значит, вот такое маленькое резюме: волновая функция несёт в себе список всех возможностей. Уро говорит, как они меняются во времени. Знай, не пере, другими уменьшают, значит, какие-то возможности делаются более вероятными, какими-то менее. Это не значит, что всегда будут играть более вероятные, ну, просто они более вероятные. А правило Борна говорит, с какими вероятностями возможности реализуются. Когда вы притаёте измерительный прибор и при измерении волновая функция коллапсирует, теряет остальные возможности, кроме одной. Это даёт лучшее описание природы, но весь коллапс волновой функции математически несовместим с уравнением Шрёдингера.

Это абсолютная дичь. Вы постулируете, а потом говорите: вы знаете, когда я приношу измерительный прибор, и оно нарушается, чем оно заменяется, чем управляется коллапс, что именно его вызывает? Заткнись и вычисляй! Квантовая механика оставляет недоговорённость. Совершенно необъяснимо, примеры, где происходит всё сразу, и эволюция по Шрёдингера, и запутанность, и убиение волновой функции последним измерением. Это квантовый компьютер, вот эти штучки означают, что вы делаете запутанность и подталкиваете эволюцию четырёх кубит, в данном случае с помощью уравнения Шрёдингера, подталкиваете вперёд.

Квантовый компьютер — это система кубит, то есть квантовых состояний системы с двумя опорными состояниями. Я это уже говорил, раз есть два, значит, есть любая их смесь, как в волшебной карте. Есть запутанный, когда есть у вас два кубита, вы можете их запутать. Есть три кубита, вы можете их запутывать. Вычисление — это эволюция чего-то такого. Только для очень большого числа.

Здесь много-не три подряд, а много-много. Ну, с этим, собственно, главная проблема квантового компьютера. Сколько удастся сделать эту эволюцию согласно уравнению Шрёдингера. Как я же сказал, очень хочется запутать побольше. Мыслительный эксперимент, потому что в квантовых компьютерах при всех ухищрениях охлаждения до абсолютного... почти до абсолютного нуля, там технические проблемы.

Но не принципиальный характер, а технологический. Значит, вот мы запутали два электрона, вот мы запутали три, вот мы запутали, например. Давайте зацепим все электроны в кошке, а на самом деле, кошка должна будет оказаться в том же состоянии, в каком была карта на вашей руке. Ну и Шрёдингер, собственно, и показал, что он показал. Ну, давайте сначала последуем ква... Вот здесь начинается самое удивительное. Значит, никто, никакой ошибки пока не делал в этом. Всё дело — значит, никто ошибки не делает, всё логически правильное рассуждение.

Значит, мы сейчас кошку будем запутывать вместо второй карты. Вот у меня была карта, у вас была карта, у вас будет кошка. Значит, а у меня, значит, вместо моей карты спин электрона. Ещё раз: это квантовая величина, которая может принимать два значения, вперёд и назад. Некое внутреннее свойство электрона. Есть прибор для его измерения, называется прибор Штерна-Герлаха. Будет даже его схематический рисунок, абсолютно знаменитая вещь, реально существующая штука и заодно герой... значит, всех мыслительных экспериментах вы выбираете направление в пространстве и измеряется спин. Два лет напра может оказаться либо по в точности по этому направлению, либо в точности в противоположную сторону.

Итак, электрон со спином вверх влетает в прибор для измерения спина. Уравен Шрёдингера говорит, что ну там этот прибор, он знает, что он делает. И вот эта скобка означает состояние прибора. Стрелочка потолще кавычка. Прибор говорит вам: не знаю, в виде ручки, повернутой в виде индикатора, в виде цифры, появляющийся — что хотите. Прибор говорит: я измерил спин вверх.

Это абсолютная дичь. Вы постулируете, а потом говорите: вы знаете, когда я приношу измерительный прибор, и оно нарушается, чем оно заменяется, чем управляется коллапс, что именно его вызывает? Заткнись и вычисляй! Квантовая механика оставляет недоговорённость. Совершенно необъяснимо, примеры, где происходит всё сразу, и эволюция по Шрёдингеру, и запутанность, и убиение волновой функции последним измерением. Это квантовый компьютер, вот эти штучки означают, что вы делаете запутанность и подталкиваете эволюцию четырёх кубитов, в данном случае с помощью уравнения Шрёдингера.

Подталкиваете вперёд. Квантовый компьютер — это система кубит, то есть квантовых состояний системы с двумя опорными состояниями. Я это уже говорил, раз есть два, значит, есть любая их смесь, как в волшебной карте. Есть запутанный, когда есть у вас два кубита, вы можете их запутать. Есть три кубита, вы можете их запутывать. Вычисление — это эволюция чего-то такого. Только для очень большого числа.

Здесь много звучит не три подряд, а много-много. Ну, с этим, собственно, главная проблема квантового компьютера. Сколько удастся сделать эту эволюцию согласно уравнению Шрёдингера. Как я же сказал, очень хочется запутать побольше. Мыслительный эксперимент, потому что в квантовых компьютерах при всех ухищрениях охлаждения до абсолютного... почти до абсолютного нуля, там технические проблемы.

Итак, электрон со спином вверх влетает в прибор для измерения спина. Уравен Шрёдингера говорит, что ну там этот прибор, он знает, что он делает. И вот эта скобка означает состояние прибора. Стрелочка потолще кавычка. Прибор говорит вам: не знаю, в виде ручки, повернутой в виде индикатора, в виде цифры, появляющийся — что хотите. Прибор говорит: я измерил спин вверх.

Они там запутываются и вычисления, которые мы иногда кое-как делаем. Там технические сложности, там всё это работает. Но кошек таких точно нет, точно нет. Значит, что-то идёт не по Ёнге. И это просто волосы встают дыбом. Хотя 50 лет на это люди, людям предлагалось отвечать тем, кто здесь задавал вопросы, общественное мнение, не буквально, но отвечало фразой: "SH заткнись и вычисляй".

Алексей Семихатов - Квантовая Механика, Квантовый компьютер и Квантовая реальность

More Articles