Открой коробку: когда день рождения у кота Шредингера
В 2025 году у квантовых механиков состоялся тройной юбилей: 100 лет исполнилось самой квантовой механике, 140 лет — одному из главных ее создателей, Нильсу Бору, а коту Шредингера стукнуло 90 лет! Коты столько не живут? Так он и не… Все сложно, в общем. Рассказываем историю юбиляра и объясняем, зачем ему квантовый компьютер.
Кот Шредингера родился в мысленном эксперименте физика Эрвина Шредингера и стал популярной метафорой странностей квантовой физики. Представьте закрытую коробку, внутри которой кот, радиоактивный атом, счетчик Гейгера и колба с ядом. Если атом распадется, счетчик сработает, колба разобьется — и кот погибнет. Если распада не будет — кот останется жив. По законам квантовой механики, пока коробку не открыли, атом находится в состоянии суперпозиции: он и распался, и не распался одновременно. Поэтому кот «ни жив, ни мертв». Только акт наблюдения — открытие коробки — заставляет систему «выбрать» одно из состояний.
29 ноября 1935 года считается днем рождения кота Шредингера, потому что в этот день вышла статья Эрвина Шредингера «О ситуации в квантовой механике», в которой и содержится описание мысленного эксперимента с котом. Впрочем, у Шредингера это кошка, и сидеть она должна была не в коробке, а в стальной камере. И вообще, Шредингер своего кота недолюбливал. Он ведь придумал его, чтобы показать нелепость и невозможность той картины мира, которую предлагала квантовая механика в интерпретации Нильса Бора. И еще, кажется, он ревновал к славе своего несуществующего кота.
Родился наш кот (тогда еще кошка) в споре о квантовой механике. Бор предложил понимать формулы квантовой механики, придуманные Шредингером, очень странным образом: например, согласно его интерпретации, до момента измерения электрон словно размазан по всему пространству Вселенной. Но не равномерно размазан — при измерении он обнаруживается в разных точках с разной вероятностью, превращаясь в момент измерения/наблюдения в маленький локальный объект, — из-за самого взаимодействия с измерительным прибором.
Эта интерпретация физиков просто возмутила. Они-то надеялись получить логичную умопостигаемую картину реальности, а тут получилась картина абсурдная и парадоксальная.
Эйнштейн саркастически спрашивал Бора: «А существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?» И Шредингеру жаловался в письмах: писал, например, что это как бочонок с порохом, который в любой момент может взорваться, и по Бору получается, что, пока мы его не наблюдаем, бочонок одновременно взорвался и не взорвался, но так же не бывает! Поэтому Бор не прав!
Шредингер тоже не любил бессмыслицу и написал большую полемическую статью о состоянии дел в квантовой̆ механике, выходившую тремя отдельными частями. И вот — барабанная дробь — во второй части есть один маленький абзац, посвященный кошке, попавшей в затруднительное положение. Далеко не сразу эта кошка стала знаменитым и всеми любимым котом Шредингера.
Но Шредингер-то хотел показать, что такого кота не может существовать! Это был сарказм, троллинг, иллюстрация того, что если интерпретация Бора была бы верна, то в нашем мире непрерывно возникали бы парадоксы, невозможные ситуации.
Зачем коту Шредингера квантовый компьютер?
Итак, кот Шредингера был создан, чтобы указать на парадокс, на разрыв в нашем понимании. Если законы квантовой механики верны, то можно сделать ящик с котом Шредингера — но ведь нельзя же, не видим мы вокруг никаких котов Шредингера. А на то, что законы квантовой механики верны, однозначно указывают все экспериментальные факты, собранные за последние 100 лет.
Есть как будто два разных мира — наш и квантовый — с совершенно разными законами, с разной математикой и философией, и мы можем наблюдать это в массе экспериментов. Но на самом деле ведь мир один, мы просто меняем масштаб, смотрим на мир то через лупу, то без нее. И как реальность квантового мира превращается в знакомую нам реальность, непонятно.
Иногда квантовые эффекты удается перенести к нам в макромир. Символично, что в год 100-летия квантовой механики и в 140-й день рождения Нильса Бора Нобелевскую премию по физике присудили за открытие нового вида макроскопических квантовых эффектов, когда квантовые свойства не ограничиваются квантовыми масштабами, а могут проявляться и в более крупных системах.
Один из важнейших вопросов современной физики — как увеличить размер системы, способной на квантово-механические эффекты. От его решения зависит, сможем ли мы создать функциональные квантовые компьютеры. Ведь квантовый компьютер — это квантовая система, которую мы постепенно все увеличиваем и увеличиваем в масштабе. Создать его можно, только раздвинув границы квантовых эффектов, чтобы законам этого странного микромира подчинялась большая система.
Физикам уже было известно несколько макроскопических квантовых эффектов, когда свойства квантовой механики, обычно проявляющиеся на атомном уровне, становятся заметны в поведении объектов, видимых невооруженным глазом: например, лазеры, сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Лауреаты 2025 года добавили к ним еще один — квантовое туннелирование. Так называют способность квантовых частиц проходить сквозь барьеры, даже если их энергия меньше высоты барьера. Эксперименты лауреатов, проведенные еще в 1980-х, показали, что в системе, состоящей из двух сверхпроводников, разделенных диэлектриком, ток протекает между двумя сверхпроводящими слоями, несмотря на препятствие в виде диэлектрика — даже в макроскопических системах, то есть эффект квантового туннелирования возможно как бы перенести в наш мир, подчиняющийся законам классической механики. Сплоченный коллектив заряженных частиц в этих экспериментах вел себя как единая квантовая сущность.
Разработчики квантовых компьютеров тоже пытаются построить мостик между нашим и квантовым миром — решить инженерными методами то, что не может решить теория. Вот что об этом рассказывает Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий физического факультета МГУ и руководитель научной группы Российского квантового центра:
«Работы по квантовым вычислениям прощупывают границу между макромиром и микромиром. На квантовый компьютер можно смотреть как на квантовую систему, которую мы постепенно все увеличиваем и увеличиваем в масштабе. Сам факт создания таких устройств возможен, только если мы сумеем раздвинуть границы квантовой сети, если сможем распространить законы микромира на большие системы.
Многие считают, что процессы, протекающие в квантовом мире отдельных частиц, невоспроизводимы в больших системах, потому что они неизбежно трансформируются в классические либо становятся неуправляемыми. Словно есть неизвестный нам фундаментальный принцип, который запрещает существование кота Шредингера. Ведь шредингеровские котики по улицам не бегают. А почему? Как происходит эта смена физических законов при переходе от “микро-” к “макро-”? Квантовой механике в 2025 году — 100 лет, но по сей день нет полной ясности, как именно классический мир возникает из квантового при росте масштаба.
Поэтому экспериментально создать квантовую систему большого масштаба очень сложно. Некоторые ученые полагают, что и невозможно, что мы никогда не научимся управлять сотнями кубитов. В том числе поэтому так важен прогресс в области создания квантовых компьютеров, который мы наблюдаем в последние несколько лет. Теперь мы точно знаем, что можем делать большие системы, работающие по законам квантового мира.
Эта граница между классическим и квантовым миром, конечно, условная. Неизвестно, с какого числа начинается куча. Но понятно, что чем больше частей взаимодействует, тем больше система стремится вести себя как классическая. Мне кажется, очень важное достижение состоит в том, что мы эту границу постоянно отодвигаем. Если десять лет назад система из десятка кубитов считалась достижением мирового уровня, то сегодняшние разработки насчитывают десятки и сотни кубитов. Рекордсмен, чип Condor от компании IBM, и вовсе содержит 1121 кубит. Но это скорее демонстрация возможности масштабирования, потому что использовать тысячу кубитов одновременно мы пока не умеем».
Получается, секрет создания квантового компьютера — это и ключ к одной из главных тайн Вселенной, которая, кстати говоря, в каком-то смысле и сама громадный квантовый компьютер, который сам себя симулирует — с нашей помощью, конечно, хоть вы нас и не цените, ведь без наблюдателя все бы так и осталось квантово-неопределенным.
А что же кот Шредингера? Поначалу его никто не любил, физики этим понятием скорее ругались. А потом его полюбил народ, и физики смирились. Тем более что спор о том, как интерпретировать формулы квантовой механики, не разрешен до сих пор. А значит, приключения кота Шредингера продолжаются!