Світ огляд. Квантова механіка і фізика. Авторська програма Івана Яковини. Гість Святослав Вакарчук. Ефір від 06.06.2018

Світ огляд. Квантова механіка і фізика. Авторська програма Івана Яковини. Гість Святослав Вакарчук. Ефір від 06.06.2018

Гість — соліст групи Океан Ельзи Святослав Вакарчук.

Авторская программа Ивана Яковины Світ огляд выходит в эфире радио НВ каждую среду в 20:00 - 21:00

Иван Яковина: Сегодня передача о главных международных событиях, но на сегодня она будет немного другой. Меня тут внесли в список на убийство, в Италии совершилась популистическая революция, в мире происходит черт знает что, сейчас Дональд Трамп едет встречаться с Ким Чен Ыном. Но это все скучно и неинтересно. Я давно мечтал сделать передачу какую-то научную. Если быть совсем точным — о квантовой механике, которая, как мне кажется, самая интересная область знаний сейчас в мире, это наше будущее. Артур Кларк, известный писатель-фантаст, говорил, что любая достаточно развитая технология неотличима от магии. Я думаю, что квантовой механики это касается в первую очередь.

Сегодня впервые в моей передаче будет гость. Это довольно известный физик, кандидат физико-математических наук  — Святослав Вакарчук. Также известный как музыкант, который исполняет популярные песни. Помимо прочего, Святослав является автором научной работы, кандидатской об электроне в суперпозиции, что-то такое.

Святослав Вакарчук: Ні, називається “Суперсиметрія електрона в магнітному полі”. Я з трудом собі уявляю, як ми про це все будемо говорити зараз годину з пересічними слухачами, які стоять в пробках і матюкаються від того, як далеко їм додому їхати.

Иван Яковина: На самом деле, это самая интересная тема. Потому что квантовая механика, будучи достаточно развитой, она больше всего похожа на волшебство, потому что позволяет ходить сквозь стены, пребывать в миллионе мест одновременно, пребывать в разных состояниях, путешествовать назад во времени, мгновенно телепортироваться. 

Святослав Вакарчук: Що, шпаргалку написав собі?

Иван Яковина: Я просто все эти штуки пытаюсь вспомнить. Может, позволяет переходить из небытия в бытие и обратно, превращать одни материалы в другие и так далее.

Святослав Вакарчук: Ваня, не охмуряй громадськість. Все насправді простіше і складніше одночасно. Я думаю, що нам треба трошки людям розказати взагалі, що таке квантова механіка, звідки вона взялася. Найближчу годину буде цікавий ефір особисто для мене, тому що це певний челендж. Челендж не тільки тому, що ти говориш про дуже важливі речі, в яких не може бути різних трактувань, вони науково підтверджені. Але челендж в тому, як звичайним людям, яких я вже назвав, які стоять в пробках або слухають нас в себе вдома, як заставити зрозуміти, що їм це цікаво. Я спробую розказати трошки історію. А ти будеш вклинюватися і казати мені "зупиняйся" або задавати питання. 

Всі ми в школі вчили фізику. Це називається фізика Ньютона. Ньютон, як ми знаємо, лежав під деревом, йому впало на голову яблуко, він подумав, чому яблуко падає, взагалі, що воно таке, придумав три закони Ньютона плюс закон всесвітнього тяжіння, який описує те, як в шкільних дослідах кульки рухаються одна між одною, одна від удару одної, як планети рухаються навколо Сонця тощо. Але в рамках теорії Ньютона ці закони основані на тому, що вся речовина складається з таких дуже маленьких твердих більярдних кульок. Все, що ми маємо, атоми — це такі маленькі кульки, які раптом разом зсунуті, їх ми просто не бачимо.

Легше під мікроскопом подивитися, то це насправді маленькі кульки, які можна порухати, які одна в одну вдаряються, щось там відбувається. Як в школі ми вчили досліди за маятником. Декілька молодих людей в 20-х роках XX сторіччя, а саме такі люди, як Вернер Гейзенберг, Ервін Шредінгер, Поль Дірак і декілька інших, яким було в районі двадцяти п’яти років, декому трошки більше, довели, що все це не так, що все відбувається абсолютно по-іншому. І всі вони отримали Нобелівські премії, будучи в віці 30-32 років. 

Иван Яковина: Туда же, кстати, Эйнштейн затесался, в эту компанию. Он получил Нобелевскую премию не за общую специальную теорию относительности, как многие думают, а как раз за исследование квантовой механики.

Святослав Вакарчук: Ейнштейн - великий вчений. Він справді отримав Нобелівську премію, але за ту теорію, яку він ніколи... Фактично, він ніколи не визнавав квантову механіку. Тобто він все життя до останнього вважав, що вона неправильна, що її треба відмінити. Одним словом, в чому суть? Коли з'явилися мікроскопи, коли з'явилися досліди з розсіюванням світла, коли з'явилися досліди з випромінюванням, почали рахувати фізики, теоретики, почали використовувати закони Ньютона, щоб порахувати всі ці речі і передбачити наперед. Фізика — це наука, яка, маючи закон і інформацію сьогодні, точно може передбачити, що буде завтра, післязавтра і кожен день. Не збігалися експерименти. Чим глибше в мікросвіт ми приходили, тим більше було зрозуміло. що теорія Ньютона не працює. Не подібна вона на більярдні кульки. 

Иван Яковина: Появлялись бесконечности, а физика очень не любит бесконечности. Как только где-то появляется бесконечность, скорее всего, это какая-то лажа. 

Фізик Макс Планк, якого вважають батьком квантової теорії. Фото: Wikimedia

Святослав Вакарчук: Не тільки. В принципі, спочатку все не відповідало експерименту. І в 1900-му році, конкретно 14 грудня, відомий німецький вчений Макс Планк, коли доповідав про випромінювання тіл і про те, як від температури тіла залежить енергія випромінювання, він сказав наступне, що: "Дивіться, я вам зараз запропоную формулу, вона точно пояснює експеримент, але що в цій формулі, чому вона така, я сам не розумію". Треба уявити собі, що випромінювання випускає такі маленькі атомні осцилятори, тобто маятники по-нашому, які випромінюють світло порціями, а не безперервно. Ці порції потім сам Ейнштейн називав квантами. Тобто квант — це порція, маленька частинка випромінювання. Він каже: "Я не вважаю, що це правда, але така формула є, вона дуже красива, всім дуже сподобалося, що вона підтверджує експеримент, але ніхто не розуміє, як це — порціями". Це ж світло. Світло — це хвиля. А звідки порції?

І з того часу почалися  великі суперечки, що ж насправді відбувається. Сам Ейнштейн пробував використати саме цю теорію для пояснення фотоефекту, інших, це не важливо зараз всім розказувати. Але він його пояснив, за що потім і отримав Нобелівську премію. Не за теорію відносності. Але пройшло майже двадцять років, і французький вчений Луї Де Бройль висунув дуже революційну гіпотезу. Він сказав, що насправді, дійсно, світло веде себе як частинки, а електрони, тобто це те, що на той момент люди вже знали, з чого складається, що частинами атомів є електрони, ведуть себе, навпаки, як хвилі. Тобто те, що ми вважали більярдними кульками, насправді є не кульками, а хвилями. Всі кинулися цю теорію обговорювати. І на одному семінарі зовсім молоді вчені, фактично тільки закінчили аспірантуру в Німеччині, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паулі і Йордан, на замовлення свого професора Макса Борна, вони взялися за ідею, сказати, що це неправильна теорія.

Як це може бути? Треба подивитися, що тут не так. І коли вони почали розбиратися, вони зрозуміли, що насправді все так. І поступово вони, а саме Гейзенберг, намалював цілу механіку того, як насправді відбуваються справи в мікросвіті з атомами і електронами. Паралельно в іншому місці інший австрійський вчений Шредінгер зробив те саме, тільки з іншого боку. Він намалював рівняння, яке зараз називається рівнянням Шредінгера, яке описує все, що відбувається в квантовій механіці, і взагалі вся хімія, яка є. Все, що ми вчимо на уроках хімії, можна описати рівнянням Шредінгера.

Иван Яковина: Я хочу пояснить, что произошло. На самом деле в 20-е годы прошлого века произошла настоящая квантовая революция. То есть люди впервые увидели, просто первое понимание у них появилось того, как все работает на микроуровне, на уровне элементарных частиц. И там, как выяснилось, не работает наша физика. Там своя, абсолютно другая физика, которую мы понять, люди обычные, не можем, потому что весь наш разум заточен под то, чтобы убегать от льва из пещеры, но не под то, чтобы...

А там реально творится волшебство. Я хочу привести цитату Фейнмана, это величайший физик XX века. Он сказал, касаясь именно квантовой механики: "Я думаю, что смело можно утверждать: квантовую механику не понимает никто. Если вам кажется, что вы понимаете квантовую теорию, то вы не понимаете квантовую теорию". 

Святослав Вакарчук: Я поясню, чому її неможливо зрозуміти. Електрон, або всі мікрочастинки в квантовій механіці, і це сказали Шредінгер, Гейзенберг і інші, це одночасно і частинка, і хвиля. Тобто це не більярдна кулька, а хвиля, яка здалеку може здаватися подібною на частинку, тому що, насправді, вона розмита в просторі і найбільше зосереджена в якомусь одному місці, але, в принципі, розмита по всьому всесвіту. Електрон може перебувати у всьому всесвіті. Як колись мені пояснював мій тато, відомий фізик, який написав дуже класну книжку з квантової механіки, ти її отримав сьогодні на День журналіста, він мені маленькому колись пояснював, я спробую вам передати це.

Уявіть собі, що у вас є велика багатоповерхівка або хрущовський такий будинок, де десять під'їздів. Уявіть собі, що до цих під'їздів підходить, до цього будинку підходить електрон. Він хоче зайти в будинок. Він заходить в кожен з цих під'їздів одночасно, причому так, що в кожному з цих під'їздів він повністю залишається і ніде не розділяється. Він один, він не розділяється на десять під'їздів, він заходить у всі однаково і в кожному з них знаходиться. Ви запитаєте, як це можливо? Так, це можливо. Ви запитаєте, як це зрозуміти? І тут Ваня правий - ніяк. Ми не можемо це зрозуміти. Наш мозок насправді думає так, як зроблені закони Ньютона, тому що в нас мозок, і ми в принципі великі, ми макрооб'єкти. А мікрооб'єкти — електрони, протони і інші частинки — вони взагалі живуть своїм життям, їм абсолютно все одно, як ми думаємо. Вони діють там, де вони можуть зайти в десять під'їздів одночасно і, не розділяючись, бути скрізь. 

Иван Яковина: Тут интересно, мы понимаем, что они могут делать, но не понимаем, как они это делают. Уже сколько копий сломано. Там еще интересно, если посмотреть на этот электрон и поставить наблюдателя, то выяснится, что этот электрон, зашедший в десять подъездов, он на самом деле находится в одном, когда схлопывается эта волновая функция. Но это сложно. 

Святослав Вакарчук: Коли ми хочемо виміряти. Але насправді він є скрізь.

Иван Яковина: Да. Когда нам точно надо узнать, где он есть, мы можем посмотреть и узнать. Но в этом смысле мы тоже ошибемся, потому что до этого он был действительно везде. И он делает нам услугу, схлопываясь в одном месте, но на самом деле он везде. Плюс, даже если мы захотим узнать, куда же он изначально хотел зайти, выяснится, что электрон может возвращаться во времени назад и заранее определять, куда он зайдет. То есть это вообще крышеломная и абсолютная концепция, которая.... Сидишь, и только через пять-шесть минут можем понять, что происходит. 

Сейчас Святослав расскажет, что за люди были, создатели этой квантовой механики. Один из них едва не стал профессором университета в Черновцах. Там несколько совершенно уникальных историй. 

Святослав Вакарчук: Всі ці вчені, про яких ми говоримо вони були дуже цікавими людьми. Вони не були ботанами, вони займалися різними цікавими історіями. Про Ейнштейна знають всі, бо в нього дуже розкручене ім'я, він має відношення до поп-культури. Але навіть ці хлопці, про яких я розповідав, наприклад, Ервін Шредінгер, був цікавий тим, що він постійно придумував різні цікаві парадокси. Один з них про кота Шредінгера, про якого, думаю, знають всі фанати серіалу Друзі, розкажу трохи пізніше. Але цікавий Шредінгер був не тільки тим, що він знаменитий на весь світ вчений і нобелівський лауреат, але й тим, що в нього були певні проблеми в суспільному сприйнятті. Він був прихильником вільного кохання. В нього була дружина, але при цьому він жив з різними жінками. Навіть своє знамените рівняння Шредінгер, кажуть, він написав, будучи на відпочинку з достатньо юною дівчиною. Це все було з дозволу, я так розумію, дружини.

Але для українців цікавий факт був би той, був би цікавий, якби він стався, Шрейдінгер мав обійняти посаду професора фізики кафедри теоретичної фізики в Чернівецькому університеті в 1918 році. Все вже було готове, і контракт був готовий, але сталася невеличка деталь. Австро-Угорщина перестала існувати, вона розпалася як країна, і Чернівці відійшли до Румунії, і Шредінгер, зрозуміло, туди не поїхав. Чи, наприклад, творець квантової механіки і принципу невизначеності, про який ми теж поговоримо пізніше, Вернер Гейзенберг, він дуже добре грав на скрипці і був дуже творчою людиною з творчої сім'ї. З ним пов'язана одна цікава не дуже приємна історія. Він був одним з видатних вчених, один єдиний з тієї когорти видатних вчених, який залишився після приходу Гітлера до влади в Німеччині, і багато хто потім його звинувачував в колабораціонізмі з нацистами. 

Иван Яковина: То есть он поддерживал нацистов?

П'ятий Сольвеєвський конгрес 1927-го року, де видатні фізики обговорювали квантову теорію. Фото: Wikimedia

Святослав Вакарчук: Ще досі достеменно це не відомо. Я би сказав так: він, очевидно, не проявив позицію, сказавши: "Я не буду з ними мати нічого спільного", але те, що він займався наукою і ніякого відношення до нацизму, як до ідеології, не мав, в кінці кінців, навіть зупиняв. Є відомості, що він зупиняв і саботував гітлерівський проект про створення атомної бомби. І не виключено, що він привів до того, що вона не створилася, що американці її зробили швидше. Не відомо, уяви собі, якщо би Гітлер отримав атомну бомбу в 43-44 роках. Тому ці всі люди мали свої незвичайні історії. Але ще надзвичайніше було те, що вони придумали, точніше те, як вони описали, як себе ведуть частинки на мікросвіті. Наприклад, почну з самого основного.

Електрон може заходити у всі двері одночасно і бути і хвилею, і частинкою одночасно. Насправді буквально не треба це розуміти. Те, як ми звикли в фізиці. Це теж не хвиля, яку можна намалювати одною ручкою в формі синусоїди. В квантовій механіці йде мова про ймовірності. Все, що ми знаємо — це ймовірність. Ймовірність того, що електрон буде тут, ймовірність того, що станеться така взаємодія, все говорить про ймовірності. І тільки ймовірність, а точніше квадрат цієї ймовірності точно визначає... Це та інформація, яку ми справді знаємо в мікросвіті. По квантовій механіці ймовірність того, Ваня, що ми з тобою зараз знаходимося не в офісі НВ, а, наприклад, в Нью-Йорку, існує.  Можна сказати, що вона і в класичній механіці існує. Просто, якщо ми будемо це вимірювати, нам не вистачить всього часу всесвіту перевірити цей експеримент. Але в квантовій механіці на мікросвіті не просто ці ймовірності, це приводить до того, що це впливає на принципи квантової механіки.

Одним з таких принципів є принцип Гейзенберга, який називається принципом невизначеності. Він говорить про те, що якщо ви хочете спіймати  електрон або якусь частинку в одному місці і зафіксувати її, то ви ніколи не зможете поміряти, з якою швидкістю або з яким імпульсом вона рухається. Як тільки ви знаєте її імпульс, от, — ви не знаєте, де вона. Ви не можете спіймати її руками. І цей фундаментальний принцип приводить до багатьох інших речей, про які ми зараз поговоримо. Але ще цікава річ в квантовій механіці: квантова механіка описує будь-який об'єкт як суму різних станів. Тобто ці так звані енергетичні стани можуть бути від найнижчого до вищих, далі. І хвильова функція, тобто, умовно кажучи, те, чим описується частинка, вона складається з різних станів.

Так, наприклад, сам Шредінгер придумав напівжартома, напівіронічно, парадокс, який називається парадоксом з котом Шредінгера. Можливо, хтось, нарешті, зрозуміє, про що йде мова. В квантовій механіці стан кота, уявіть собі, що кіт знаходиться в чорній кімнаті або коробці. В цій коробці знаходиться таке дзеркало, яке пропускає з ймовірністю 1/2 фотон, а з ймовірністю 1/2 не пропускає. Цей фотон. коли він заходить в коробку, приводить в дію або рушницю, або синильну кислоту, яка вбиває кота. І ми запускаємо цей фотон, і ми не знаємо, чи він все ж таки проник туди чи ні. І наперед ми маємо написати, що цей кіт, його хвильова функція складається з двох станів - живого кота і мертвого кота. Наперед ми цього не знаємо, ми, коли виміряємо експеримент і зазирнемо у коробку, ми зрозуміємо. Але в той момент, коли ми цього не знаємо, кіт існує в двох станах — живому і мертвому. І його називають живо-мертвий кіт. Тобто кіт одночасно і живий, і мертвий. І цього ніхто насправді сказати не може. Ви скажете — ідіотизм, шизофренія? В класичній механіці так. А в квантовій механіці саме так все і відбувається. 

Иван Яковина: Был похожий диалог, по-моему, Эйнштейна с Нильсом Бором. Эйнштейн говорил, что: "Неужели вы утверждаете, что из-за этих волновых функций Луны не существует, когда на нее никто не смотрит", потому что когда на Луну никто не смотрит, ее волновая функция не схлопнутая, открытая, и Луна существует как вероятность. И Бор сказал: "А вы разве можете доказать обратное?" То есть, чтобы узнать, не существует ли Луна, надо на нее посмотреть, но когда мы на нее смотрим, функция схлопывается и Луна появляется.  

Святослав Вакарчук: Саме так і працюють всі явища в квантовій механіці.

Иван Яковина: Очень интересно, что именно так работает еще и принцип компьютерных игр, то есть вовсе не обязательно что-то, что мы видим в компьютерной игре, оно существует на самом деле. Оно становится реальным, становится объектом на мониторе только тогда, когда наш герой в компьютерной игре на это что-то смотрит. В другое время оно не существует, оно за экраном, как набор формул  

Святослав Вакарчук: В якомусь сенсі ти правий. Я думаю, що це гарна аналогія. якою можна пояснити.

Иван Яковина: Да. Из квантовой механики очень многие люди, занимающиеся вопросом серьезно, делают вывод, что вполне вероятно, что мы существуем, лишь как симуляция какая-то компьютерная, потому что очень все это неопределенно. Потому что чем глубже мы в микромир уходим, тем менее твердым, менее осязаемым все становится, все превращается в волны и функции, и ничего твердого, ничего такого, что потрогать руками, нет. Даже атом, по сути, это пустота.

Святослав Вакарчук: Дуже важливо: перед тим, як Шредінгер і Гейзенберг придумали принцип квантової механіки, була проміжна квантова механіка, яку придумав Нільс Резерфорд. Ідея полягає в тому, що насправді атом складається з ядра, навколо якого крутиться на великій відстані електрон. Щось подібне до Сонячної системи — Сонце, а навколо планети. Вона пояснювало деякі експерименти, але вона не пояснювало, чому, коли електрон під час взаємодії електромагнітної втрачає енергію, чому він не падає на ядро, оскільки в нього нема сили відштовхуватися від ядра. Вона не могла пояснити.

Якраз квантова механіка пояснює, що насправді нема ніякого... Що це ядро, яке ми ніби бачимо як атом, це насправді таке, як у Вінні-Пуха з його роєм бджіл, які навколо нього були, це насправді такий "рій бджіл", рій ймовірностей, що цей атом, що це ядро, або ці електрони знаходяться саме в цьому місці в цей момент.  І коли ми хочемо порухати його руками, воно розпливається. 

Иван Яковина: Оно исчезает.

Святослав Вакарчук: Да.

Иван Яковина: Мы даже в общем не можем точно сказать, существует она или нет. 

Святослав Вакарчук: Я думаю, що поки ми це бачимо, значить це існує. А якщо ми цього не бачимо, то чому воно нас має цікавити?

Иван Яковина: Да. С квантовой механикой связан самый интересный, наверное, раздел физики, потому что мы совершенно себе не представляем, до сих пор идут споры о том, как оно все так выходит. Почему всякие вещи, которые с нашей точки зрения, они просто волшебные. Они противоречат всему, что мы знаем об этом мире, но они работают идеально. И квантовая механика является одной из наиболее проверенных теорий в мире. То есть она точно работает, идеально точно. Но почему она так работает, мы не представляем себе. 

Крістіан Рус з Інсбрукського університету проводить дослідження з телепортації атомів. Фото: EPA

Святослав Вакарчук: Тут дуже важливо декілька філософських речей сказати. Перше: фізики-теоретики завжди вірять в простоту і красоту формул. А друге: всі фізики, не тільки теоретики, вірять в експеримент. Ці дві речі, як правило, завжди існували поруч. Але Ейнштейн був перший, хто сказав, що: "Мені не подобається те, як описана квантова механіка, не може це все так виглядати, не може, Господь Бог в кості не грає, він не оперує ймовірностями, в нього все красиво, просто, як Е=mc2, або як F=ma, все має бути дуже просто, красиво і описуватися маленькою формулою". Не так все просто в квантовій механіці. Зрозуміти це складно, але експеримент ніяк не можна обійти.

Поки що ще жоден експеримент в світі за ці сто років не довів, що квантова механіка не працює. Навпаки, все далі і далі ми пересвідчуємося, що вона саме працює. Якби не квантова механіка, зараз би в нас не було Айфону, не було би цього телевізора, екрана, ми би не бачили цього електронного годинника. З рештою, половина речей, без яких ми сьогодні не уявляємо свого життя, не було би. Світ би закінчився на електриці. Все би закінчилось на електриці.

Иван Яковина: Компьютеров не было бы, не было бы нашей информационной революции, потому что все это базируется на разных абсолютно постулатах квантовой механики. Там на всех проявлениях разных волшебных, как я их называю, потому что возможность электрона или фотона проходить сквозь стены — это квантовое туннелирование. То есть, когда мы кидаем мячик об стену, мы предполагаем, что он от стены отобьется и отлетит назад к нам, но в квантовой механике этот мячик совершенно спокойно может пролететь сквозь стену.

Святослав Вакарчук: Якщо м'ячик буде квантово-механічним об'єктом, тобто дуже маленьким, то так. 

Иван Яковина: Более того, он преодолеет стену быстрее, чем скорость света. Это мы тоже не очень понимаем, как оно работает. Но этот отрезок пути он преодолеет...

Святослав Вакарчук: Тут не зовсім так. Давай ми краще розкажемо про три або два найбільш незвичайних застосувань квантової механіки, які сьогодні відбуваються. Це буде телепортація, квантові комп'ютери і трошки про квантову криптографію, шифрування. 

Иван Яковина: Я почитал про квантовый компьютер. Оказывается, в прошлом 2017 году и в начале этого года произошло невероятно важное событие в мире, связанное с квантовой механикой. Амриканские ученые впервые создали компьютер из, примерно, 51 кубита, то есть на 51 атоме, обычно это атомы бора. Впервые этот компьютер показал себя лучше, чем обычный традиционный компьютер, который есть почти у каждого, хотя бы в виде Айфона того же. 

Святослав Вакарчук: Як правило, ми можемо робити дуже примітивні речі з квантовими комп'ютерами. Але я поясню швидко, що це таке. В звичайних комп'ютерах, думаю, навіть школярі знають вже, весь принцип обчислення базується на двійковій системі. Оскільки в  напівпровідниках або електрон може пройти, або може не пройти, тобто заряд або буде, або не буде, і ти електричний струм… Це можна легко перетворити в двійкову систему обчислення. Одиничку або нуль. Вся інформація в комп'ютерах передається через одиниці і нулі. Безмежна кількість одиничок і нулів може передати все.

В квантовій механіці, оскільки ідея квантового комп'ютера полягає в тому, що коли ми описуємо ймовірність, то насправді квантовий біт інформації складається не з одиничок і нулів, а з суперпозиції одиничок і нулів. Тобто є ймовірність, що там є і одинички, є ймовірність, що нулі, а є ймовірність, що будь-яка цифра між нулем і одиницею. 

Иван Яковина: Это как тот электрон, который может зайти в любой подъезд. Точнее, заходит во все подъезды одновременно.

Святослав Вакарчук: Так. Це означає, що насправді в нас є не дві цифри, — нуль і один, — а безмежна кількість можливостей і вимірювання між нулем і одиницею, які збільшують в мільйони, в мільярди разів виробничі можливості і потужності такого комп'ютера. Є тільки одне "але". Як тільки ми починаємо міряти результат, ми не знаємо, який результат ми поміряли по принципу невизначення Гейзенберга.

Иван Яковина: Сейчас мы поговорим о том, что такое квантовый компьютер, о сферах его применения, потому что это самое главное и перспективное, что мы можем выжать. Как люди из квантовой механики и вообще этой теории...

Святослав Вакарчук: Ми вже багато витиснули. Ми вже говорили про те, що і комп'ютери, і телевізори, і телефони, все інше, що ми маємо навколо сьогодні, це все наслідок існування квантово-механічних принципів і використання цих принципів. Просто зараз ми поговоримо про ті речі, зокрема про квантові комп'ютери, які в майбутньому можуть щось змінити, які можуть принципово бути проривом. Перше, я вже сказав, якщо в звичайних комп'ютерах ми все описуємо нулями і одиничками, так званими бітами інформації, то тут ми можемо описувати квантово-механічним способом як суперпозицію станів “нуль” і “один”. Це означає, що всі можливі значення від нуля до одинички, вони є носіями інформації. Тобто в нас стає їх набагато більше. І безмежна кількість таких: замість нулів і одиниць ми можемо впихнути набагато більше інформації на одиницю площі.

І це означає, що, якщо ми навчимося оперувати цими квантово-механічними принципами в комп'ютерному обчисленні, сила обчислень комп'ютерів зросте неймовірно. В чому проблема сьогодні? Проблема в тому, що, згідно з законом Мура, кожні два роки потужність процесорів зростає вдвічі. Це означає, що кількість мікросхем на одиницю площі зменшується і зменшується. І скоро на цьому кремені, на якому будуються ці мікросхемні плати, вони дійдуть до рівня молекул і атомів, де далі вони не зможуть їх будувати, тому що на них почнуть впливати квантово-механічні ефекти, і вони почнуть бути неточними. Це означає, що в якийсь момент ці комп'ютери, які оперують нулями і одиницями, зупиняться, ми не зможемо зробити їх більш потужними. Що робити далі? Спасіння в квантових комп'ютерах.  

Иван Яковина: Как это объяснить простым языком? Например, у нас есть дом, в котором миллиард квартир. И в одной из этих квартир находится человек. Чтобы обычному компьютеру узнать в какой, он должен зайти в каждую квартиру и выяснить. И он должен перебрать миллиард вариантов. Квантово-механический компьютер заходит одновременно во все квартиры и выдает результат моментально. А обычному компьютеру понадобятся годы, чтобы зайти в каждую из этих квартир и обыскать. 

Квантовий комп'ютер D-Wave. Фото: dwavesys.com

Святослав Вакарчук: Але є одне але. Тому що, згідно з принципом невизначеності, ми не можемо одночасно поміряти імпульс, швидкість і перебування квантово-механічної частинки. Цей принцип передається і на вимірювання у квантових комп'ютерів, як тільки ми починаємо, тобто ми щось поміряли. А потім ми хочемо побачити результат. Щоб побачити результати, ми мусимо вмішатися в нього, подивитися туди. Як тільки ми дивимося туди, стани схлопуються, і що ми отримуємо в кінці, ми не знаємо.

Умовно кажучи, ми хочемо порахувати “два помножити на два”, — не факт, що якщо ми виміряємо це один раз, ми отримаємо чотири, ми можемо отримувати... Нам потрібно безмежну кількість раз повторити вимірювання, і ймовірність того, що це буде чотири буде найбільша. І тепер вчені б'ються над тим, як зробити так, щоб ефективність отримання інформації перевищувала ефективність самої швидкості обчислення. І зараз ти розкажеш про нові досягнення, які зробили в Google. 

Иван Яковина: Да. Компания Google нас порадовала. Это было в марте текущего года, создали квантовый компьютер на 72-х сверхпроводниковых кубитах. То есть это, условно говоря, 72 атома выстроили рядком. Эти атомы завезли в суперпозицию, то есть они непонятные, в какой позиции они находятся. И с помощью этих атомов начали проводить вычисления. И получилось у них настолько хорошо, что фактически они достигли так называемого квантового превосходства. Что это такое? Это тот самый момент, когда даже самый простой, элементарный квантовый компьютер начинает делать вычисления лучше, чем обычный, основанный на микросхемах.  

Святослав Вакарчук: Я не розбирався сам, яким чином вони вирішують задачу точності вимірювань. Мені буде дуже цікаво подивитися на це, але як тільки ми вирішимо задачу точності вимірювань, це буде величезний прорив дуже швидко.

Иван Яковина: Уже несколько есть способов, причем разные группы создали. Компания IBM создала на 49 кубитах. Есть еще группа российского ученого Михаила Лукина, который уехал в Америку, они составили на 51 кубите. И группа ученого Кристофера Монро создала на 53 кубитах. То есть это разные команды, они используют разные способы для увеличения времени декогеренции, то есть времени существования и работы этого компьютера. И чем дальше, тем быстрее и быстрее. Потому что до недавнего времени лучшее, что мы могли сделать, это на трех кубитах, а сейчас уже на десятки кубитов идет счет.

Святослав Вакарчук: Я думаю, що на цьому квантово-механічне застосування не зупиниться. Ми не можемо не згадати про так звану квантову телепортацію. В звичайному світі телепортація можлива тільки в фільмі Стартрек або в іншій фантастиці. Це означає, що якщо Ваня знаходиться тут, то він не може бути телепортований в Нью-Йорк. А якщо ви побачите Ваню Яковину в Нью-Йорку зараз в цей момент, це означає. що там знаходиться його двійник, який насправді живе, якого звати, наприклад, Петро Яковина або Джон Сміт, просто він випадково дуже подібний на Ваню. В квантовій же механіці в цю секунду Іван Яковина може опинитися в Нью-Йорку, на будь-якому іншому місці. Ви запитаєте: “Як це можливо?”. Можливо це через те, що в квантовій механіці існують так звані явища сплутаних станів.

Це означає, що коли по принципу невизначеності Гейзенберга ви не можете поміряти одночасно координату і імпульс частинки, але ви можете поміряти їхній спільний імпульс і різницю координат, де вони перебувають. І як тільки ви знаєте їх, то куди би вони не розлетілися, ви знаєте про них двох всю інформацію. Якщо підібрати інформацію так, що про одну частинку ви щось точно знаєте, а про іншу ви не знаєте, але вона почне змінюватися, то ви побачите зміну в першій частинці. Це означає, що ви зможете знати, виміряти щось, що пов'язано з першою частинкою. До чого це приводить? Ми можемо взяти, нехай в нас є дві частинки із сплутаними станами: А і В. І ми беремо частинку С і сплутуємо її з частинкою В. А частинка А про це не знає. Але після того, як частинка С сплутана з частинкою В, це означає, що частинка С сплутується з частинкою А, яка може бути зовсім в іншому місці. І це означає, що взявши частинку А, ми можемо отримати точно таку саму за мільйони кілометрів звідси.

Якщо ми візьмемо таких багато частинок, мільйони, мільярди, і складемо, умовно кажучи, людину, це означає, що цю людину, яку ми побачили тут , ми можемо отримати в Нью-Йорку. Але навіть якщо це станеться, по-перше, я не думаю, що це найближчим часом можливо, перейти з експериментів з поодинокими атомами цезія, як зараз відбувається, до реальних речей, але навіть якщо це станеться, ви мусите зрозуміти, що, якщо Іван Яковина раптом опиниться в цю секунду в Нью-Йорку, це не означає, що саме Іван Яковина опиниться в Нью-Йорку. Це означає, що Іван Яковина буде змушений тут зникнути, його більше не буде існувати, а там звідкись, з нічого, з'явиться зовсім нова людина, яка на 100% буде нагадувати повністю Івана Яковину. 

Иван Яковина: Да. Тут уже возникает вопрос о душе.

Святослав Вакарчук: Так. Але теоретично це можливо. Я думаю, якщо вже є експерименти з атомами цезію, які телепортують на 600 метрів, у Відні вже такий експеримент був проведений під Дунаєм по тунелю.

Иван Яковина: Уже больше. Сейчас телепортируют с Канарских островов в Испанию.  Была интересная история, когда телепортировали нейтрино и подумали, что нейтрино телепортировался быстрее скорости света. 

Святослав Вакарчук: Одна з проблем телепортації зараз, це те, що дуже важливо розуміти, яку інформацію ми телепортуємо. Бо те, що ми можемо передати через ці сплутані стани електронів інформацію з одного місця в інше миттєво, швидше за швидкість світла, умовно кажучи, з цим електроном щось відбувається, інший відчуває, як голочка Вуду. Раз, ти вколов, і там, в іншому місці щось відбулось. Да, це правда. Але осмислену інформацію дуже тяжко так передати. Фактично ми знаємо те, що вона не буде мати для нас ніякого змісту.

Це якщо Ваня, наприклад, має два носка постійно, ми знаємо, що він ходить з синім носком і червоним носком, і одного разу нам покажуть синій носок, і ми будемо знати, що, значить на іншій нозі у Вані червоний носок. Супер. Тільки в чому суть, що це нам дасть? Тому тут дуже важливо навчитися правильно передавати інформацію, яка в квантово-механічному сенсі має інші розуміння, ніж в класичному. 

Иван Яковина: Сейчас над этим тоже очень активно работают. Я думаю, еще ни одна Нобелевская премия будет получена за исследования в этой сфере. Я хочу рассказать, для чего нам могут понадобиться квантовые компьютеры. Иногда говорят: "Ну да, сделаем, а что они дадут?" Во-первых, они много чего дадут. Например, квантовые компьютеры смогут идеально обсчитывать квантовые эффекты. Соответственно, если у нас есть какая-то молекула, молекулы тоже могут быть в квантовом состоянии, или молекула какого-то лекарства. И мы можем заранее посчитать, как эта молекула будет взаимодействовать с другими молекулами, и как это лекарство будет действовать.

То есть у нас есть какая-то болезнь, например, и нам ее надо вылечить. Мы можем с помощью квантового компьютера создать лекарство, которое будет лечить эту болезнь. То есть это очень полезная вещь. Нам не надо будет пробовать миллион разных лекарств, чтобы найти нужное, мы можем сразу создать нужное. Это огромное дело. Плюс мы сможем очень сложные системы моделировать. Такие, например, как погоду. И мы уже не будем ругаться на метеорологов, у нас будет погода известна.

Святослав Вакарчук: Ми просто зможемо набагато швидше рахувати, а це важливо однозначно. Ти дуже правильно сказав аналогію, не треба буде заходити одночасно в кожну квартиру.

Квантовий комп'ютер IBM. Фото: IBM Research

Иван Яковина: То есть мы не перебирать варианты будем, а у нас сразу будет появляться нужный вариант. И с помощью этого будет решаться гигантское количество. Тут возникает еще такой этический вопрос, потому что ничего нельзя будет держать в секрете, поскольку любой пароль будет подбираться за полсекунды. 

Святослав Вакарчук: Так, це також цікава тема. Нова область науки, яка називається квантова криптографія, тобто шифрування даних. І ти правий, з одного боку. З іншого боку і навпаки, якщо, умовно кажучи, Іван і Слава передають один одному інформацію квантово-механічним способом, то, з точки зору квантової механіки, якщо хтось захоче перехопити цю інформацію, то він змінить стан системи, і насправді, якщо Іван передає Славі інформацію, то Слава отримує в кінці не ту інформацію.

І Слава знає, що оскільки в нього є шифр до правильної інформації, ключ, то він знає, що насправді хтось вліз і прочитав це. І той, хто туди вліз, не може випадково зайти і побачити це так, щоб це було не помічено. Це буде неможливо.  Єдине, що залишається, це бути впевненим, що справді Ваня послав мені цю інформацію, а не хтось інший, який прикинувся Ванею. Але це вже інша історія з класичного світу.  

Иван Яковина: Еще интересный момент. Квантово-компьютерные нейросети. То есть будет сделан огромный шаг вперед для создания полноценного искусственного интеллекта. То есть наши компьютеры смогут думать, смогут становиться умнее нас. И здесь могут быть опять какие-то этические штуки. Потому что это может быть опасно для людей. Если наши компьютеры начнут разбираться в чем-то лучше, чем мы. То есть вообще во всем. Потому что даже нынешние компьютеры, основанные на обычных микросхемах, становятся настолько хороши, что мы уже не до конца понимаем, что внутри них происходит. 

Святослав Вакарчук: Душу ніхто не відміняв. І людську інтуїцію, поки що, навіть близько жоден комп'ютер не зможе моделювати.

Иван Яковина: Мы на это надеемся, Но на самом деле, как оно выйдет, мы не знаем, потому что пока еще нет у нас настолько мощных квантовых компьютеров. 

Святослав Вакарчук: Це правда. Я хотів би сказати про інше, хоча це зв'язано з темою нашої розмови. Це трошки соціальна історія. Я згадую свої часи студентські і аспірантські. І в нас була прекрасна теоретична група, нас було дев'ять людей. Всі закінчили фактично з червоним дипломом університет. І ми про це говорили, про що ми з тобою говоримо, кожного дня. Ми обговорювали задачі. В нас було дуже цікаве інтелектуальне середовище. Шестеро з людей, які зі мною закінчили університет, виїхали за кордон і працюють фізиками. Двоє тільки, включаючи мене, не працюють і залишилися в Україні. Тобто я постійно думаю про те, що ми зараз читаємо новини, що Массачусетський технологічний інститут, Калтех, Гарвардський університет, Відень, Іспанія.

І мені згадується, що в нас чудова школа підготовки фізиків, особливо теоретична, вона до сих пір існує. Мені хотілося би звернутися до тих, хто нас слухає, хто має до цього відношення, що давайте пам'ятати, що щоденна політика, якою займаються наші політики, не врятує нас в майбутньому. Нас врятує наука і освіта. І хочеться, щоб ці люди, які зі мною починали цю науку, не виїжджали і робили ці речі для когось, а починали робити їх в нас, тому що в нас є величезний потенціал до цього.

Давайте пам'ятати, що щоденна політика, якою займаються наші політики, не врятує нас в майбутньому. Нас врятує наука і освіта

Иван Яковина: Я могу тебе здесь возразить, потому что люди, которые работают на Западе, они работают не только на Запад, тот же Гейзенберг, тот же Бор, тот же Эйнштейн, они работают на все человечество, работали. 

Святослав Вакарчук: Це правда. Я не говорю, що наука належить якійсь країні. Я просто кажу, що в нас зараз є таке відношення, що: “От, ми втратили нашу науку, ми відстали”. Це неправда. Це в певній мірі правда, оскільки фізично ми не можемо втримати найбільш яскравих і найбільш талановитих вчених, вони їдуть в ті місця, де їм створюють умови для творчості.

Але в певній мірі це неправда, в нас великий потенціал, просто на нього треба звернути увагу. І ми тоді будемо одними з тих, хто зможе бути на передовому краю науки, тому що країна, яка є на передовому краю науки, або яка в принципі має сильну науку і культуру, це набагато більш серйозне і набагато сьогодні фундаментальніше капіталовкладення, ніж корисні копалини або якісь ресурси, або бурштин. 

Иван Яковина: Добавлю, что для нормальной продуктивной работы теоретического физика нужна только ручка и бумага.

Святослав Вакарчук: І правильне середовище. Просто ручка і папір — ні. Фізик-теоретик не існує сам по собі. Він, як квантові частинки, існує в заплутаному стані з іншими такими самими фізиками-теоретиками, з якими можна сперечатися, обмінюватися думками і  знаходити нові теорії, і підтверджувати їх. 

Иван Яковина: Значит, вся советская ядерная физика была родом из Украины и действовала довольно успешно.  

Святослав Вакарчук: Великою мірою, так. Харківський фізико-технологічний інститут був в свій час дуже серйозним.

Иван Яковина: В принципе можем, если захотим. 

Святослав Вакарчук: Читайте розумні книжки, і не обов'язково розуміти квантову механіку, її не розуміє ніхто, навіть той, хто її придумав. Головне, що вона працює і допомагає нам жити. 

Авторская программа Ивана Яковины Світ огляд выходит в эфире радио НВ каждую среду в 20:00 - 21:00

Журнал Новое Время №38

Тема номера – Спецназ Кремля. Російське ГРУ перетворилося в монстра з багатомільярдним бюджетом, який смішить світ безглуздою поведінкою своїх «шпигунів».

Читати журнал онлайн
Ukraine-2020

Читайте термінові новини та найцікавіші історії у Viber та Telegram Нового Времени.

Коментарі

1000

Правила коментування
Показати більше коментарів

Останні новини

ТОП-3 блога

Фото

ВІДЕО

Читайте на НВ style

Світ Огляд ТОП-10

опитування

Погода
Погода в Киеве

влажность:

давление:

ветер: