dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Исходная мотивация для квантовых вычислений состоит не в кубитах, а в поиске механизма, который позволил бы вычислить “невычислимое”, ну или хотя бы “сложновычислимое”. Кстати, едва ли не первое описание концепции дано в книге Ю. И. Манина “Вычислимое и невычислимое”, 1980 года (изд. “Советское радио”) – там несколько абзацев в предисловии (с.15) посвящено “квантовым автоматам”, уже эти несколько абзацев точно и полно описывают концепцию того, как квантовые вычисления далее и развивались. Сама книга не о квантовых вычислениях. Тем не менее, в тексте предисловия на примере проблем моделирования известными “классическими” методами простых физико-химических явлений, показана связь с несравнимо большей мощностью пространства квантовых состояний – вот эту мощность и предлагается использовать в реализации будущих вычислительных механизмов.

В вычислительном моделировании белковых молекул ситуация и сейчас, спустя более чем сорок лет, примерно такая же – расчёты требуют многих дней работы суперкомпьютера, но соответствующий процесс геометрического превращения белка происходит за доли секунды. Это одно из направлений, на котором, как считается, могут помочь квантовые компьютеры той или иной системы.

Почему вычислительное моделирование вообще должно работать на скорости, сравнимой с моделируемым процессом? Это моделирование больше похоже на попытку перебора состояний, то есть на обращение некоторой сложной функции-свёртки. Можно было бы попробовать придумать небольшой алгоритм, который моделировать ничего не будет, но вывод даст похожий на какую-нибудь сворачиваемую молекулу. Другими словами, обязательно ли предполагать, что упавшая на каменный пол стеклянная ёлочная игрушка, прежде чем разбиться, вычисляет набор осколков, на которые она разлетится?

Предположим, в симуляции вселенной игрушка могла бы и “зависнуть”, вот буквально в момент удара об пол – если расчёт осколков достаточно сложен; другое дело, что прочие персонажи внутри симуляции всё равно этого не заметили бы, так как ход последовательности событий, споткнувшись на ёлочной игрушке, одинаково приостановился бы для всех находящихся внутри – иначе событие разбития игрушки начало бы отставать по времени от момента падения; впрочем, известно, что такие эффекты относительно легко корректируются позже; кроме того, “разбивку” осколков можно и предвычислить, оформив в виде процедуры, выдающей, как калейдоскоп, разные наборы, которые вычислительно непредсказуемы изнутри симуляции, но укладываются в прочие ограничения, что позволяет пытаться их считать: вычислительная непредсказуемость тут как раз и выводится из экспоненциального роста сложности определения свойств исходной внешней процедуры по её внутреннему выводу.

Впрочем, концептуальная идея квантовых вычислений основана на обратной трактовке ситуации: предположим, есть физический процесс, который явно опережает “по скорости сходимости” все известные для моделирования похожих процессов вычислительные методы, – давайте используем сам этот процесс для вычислений, хоть бы и по какой-то другой задаче. Некая запредельная квантовая процедура быстро определяет конфигурации осколков ёлочной игрушки (волка там какого-нибудь, это не так важно) – давайте сводить другие задачи к модели, полезный результат которой отобразится в конфигурацию осколков. Это больше похоже на “квантовый отжиг” (quantum annealing), но, собственно, такой же подход реализуется и в алгоритме Шора, который описывает, как перевести задачу отыскания периода функции в квантовомеханические “операторы”. Алгоритм математический, а для успешной его работы остаётся найти подходящий физический процесс. С этим могут быть трудности. Естественно, это всё напрямую связано с тем, что пока что толком не понятно, откуда именно берётся “мощность”, стоящая за конкретным, пусть и гипотетическим, квантовым вычислением.

Один из исторических подходов к выводу понятийных основ квантовой механики состоит в следующем сравнении “меньше-больше”: пусть исследователь изучает всё меньшие и меньшие аспекты окружающего мира, тогда, с соответствующим уменьшением инструментов измерения, эти инструменты начинают всё больше и больше влиять на измеряемое. Отсюда хрестоматийное определение: влияние прибора убрать нельзя, а чем выше полагаемая точность измерения, тем больше измеритель влияет на измеряемое – например, на элементарную частицу, на электрон.

Нужно заметить, ничто не мешает пытаться, собственно, измерять параметры скорости хорошо локализованных в пространстве электронов с высокой точностью – проблемы начинаются с предсказуемостью результатов последовательных измерений в одной и той же конфигурации оборудования. Предсказуемо определить измерением, получается, нельзя, а значит – нельзя и знать, то есть, феномен скрывается из области реального. При дальнейшем обобщении, учитывающем прочие эксперименты, включая мысленные (как двухщелевой опыт с фотонами и наблюдателем над щелями), в этом месте и появляется “поле вероятности” из которого можно “выбивать” измерениями разные значения, но уже с хорошо определяемым распределением. Получается, за всеми этими “частицами” стоит некоторое большее поле вероятности, а в нём возможны некоторые волны изменений, порождаемые разными шагами квантового эксперимента, при этом интерференция данных волн влияет на распределение будущих результатов измерений. И если правильно устроить экспериментальный прибор (квантовый компьютер), то, возможно, получится применить результаты превращения вероятностей в измерениях и вычислениях. Однако тут возможны разные интерпретации.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2023/10/15/11222/