Проблемы квантовомеханической теории измерений, перепутанные состояния, квантовые информация и вычисления

Проф. Д.А.Славнов

В настоящее время интенсивно развивается новое направление, которое лежит на стыке квантовой физики и теории информации: "Квантовая информация" ("Физика квантовой информации", Постмаркет 2002). Это направ-ление имеет очень заманчивые перспективы. Элементарной единицей информации является "бит". Это информация, которую, например, содержит выключатель: включен-выключен (два состояния). Такую же информацию содержит простейшая квантовая система. Так у частицы со спином 1/2 проекция спина на выделенное направление может равняться либо +1/2, либо -1/2 (один "кубит"). Разница между клас-сическими битами и кубитами состоит в том, что возможна квантовая интерференция состояний. Поэтому, квантовые системы потенциально могут хранить и одновременно обрабатывать несравненно больший объем информации, вычисления, требующие N операций над N битами, в квантовом компьютере можно реализовать за 1 операцию над N кубитами.

Рис. 1 Телепортация запутанности. Япония, 2011.

Недавно было объявлено о создании первого рабочего кубита (см. http://www.rnd.cnews.ru/tech/news/line/index_science.shtml?2012/09/20/503734). В действительности это легкое преуве-личение - первым квантовым компьютерам с двумя рабочими битами уже десяток лет, а сейчас созданы квантовые компьютеры с несколькими десятками кубит. Достижение в том, что этот рабочий кубит реализован на кремниевом чипе, а не на жидкости, составленной из органических молекул.

Однако, управлять квантовыми системами гораздо более сложно, чем классическими. Именно поэтому пока удалось создать квантовые системы, содержащие лишь небольшое количество кубитов. Помимо чисто технических сложностей, это связано с тем, что мы еще недостаточно ясно понимаем физические основания законов, которые управляют квантовыми системами. Собственно, в применимости математического аппарата квантовой теории для вычисления средних значений наблюдаемых величин мало кто сомневается. Однако интерпретация и описание отдельного измерения требуют дополнительного исследования (Славнов Д.А., ЭЧАЯ 2010, т. 41, вып. 1, с. 149).

Последнее время вопросы, посвященные фундаментальным основаниям квантовой теории вызывают особенный интерес благодаря успехам квантовой оптики - удалось реализовать в железе все мысленные эксперименты, придуманные еще основоположниками квантовой теории. Более того, удалось придумать и реализовать новые эксперименты, которые трудно наглядно интерпретировать, если только не предполагать "влияние будущего на прошлое" ( A.Zeilinger et al, Nature Physics 2012, v.8, p.479).