Черные дыры помогут ученым создать квантовые компьютеры

Технологии такой мощности сами по себе наводят на мысли о фантастических романах. Но еще более фантастичен тот факт, что помочь ученым сконструировать первые квантовые вычислители способны… черные дыры. Возможно даже, что именно черные дыры являются самыми мощными на свете компьютерами, уже созданными природой.

О науке, опередившей фантастику, рассказывают представители двух поколений ученых - профессор Балтийского федерального университета имени Канта, директор Института физико-математических наук и информационных технологий доктор физико-математических наук Артем Юров и доцент этого же института кандидат физико-математических наук, PhD по математике университета штата Миссури Валериан Юров. Недавно в авторитетном научном журнале Physics Letters вышла их статья, благодаря которой научное сообщество еще на один шаг приблизилось к разгадке тайн черных дыр.

Как черные дыры, расположенные где-то далеко во Вселенной, связаны с квантовыми компьютерами, которые мы хотим сконструировать на Земле?

Валериан Юров: Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе черных дыр. Первым концепцию озвучил еще в конце XVII века великий математик и физик Готфрид Вильгельм Лейбниц. Он предположил: существуют во Вселенной настолько тяжелые объекты, что даже скорости света не хватает, чтобы вырваться из их гравитационных "объятий". А значит, такие объекты должны быть невидимыми, поскольку свет на них падает и навсегда поглощается. Правда, называл он их черными звездами.

Артем Юров: Затем, в начале XX века, как мы все знаем, Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности и показал, как работает гравитация. Попробую объяснить на наглядном примере. Представьте себе натянутую простыню, которую прогнула гирька, положенная в центр. Теперь бросим в это углубление шарик от пинг-понга. Он скатится вниз, и будет казаться, что гирька притягивает шарик. Но это только имитация - на самом деле гирька искривляет простыню. И все тела искривляют вокруг себя пространство - так, что окружающие их предметы начинают двигаться не по прямым, а по искривленным линиям. Это и есть гравитация.

Я не совсем понимаю, при чем здесь черные дыры.

Артем Юров: А вы представьте, что гирька будет очень тяжелой, а простыня - эластичной. Что гирька растягивает простыню бесконечно вниз. Из этой ямы, попав туда, не выберется ни шарик от пинг-понга, ни свет, ни любой другой предмет. Именно по такому принципу, согласно уравнениям Эйнштейна, действуют черные дыры.

Валериан Юров: На вопрос, могут ли возникать такие черные дыры в реальности и как, собственно, это происходит, в 30-е годы XX века ответил молодой американский физик индийского происхождения Субраманьян Чандрасекар. Он изучал звезды, в которых заканчивается топливо для термоядерных реакций - водород и гелий. Вычисления Чандрасекара показали: если у звезды масса менее полутора солнечных, она будет сжиматься и превратится в так называемого белого карлика. Звезда, чья масса колеблется между полутора и двумя с половиной солнечными, сожмется до состояния крайне плотной и тяжелой нейтронной звезды. А вот если масса звезды превышает две с половиной солнечные, никакие силы не будут способны остановить ее сжатие, и она в определенный момент превратится в черную дыру.

Со временем ученые свыклись с мыслью, что такие странные объекты существуют в природе. Второй интеллектуальный взрыв произошел в 80-е годы. Знаменитый Стивен Хокинг вычислил, что черная дыра, если учесть квантовые эффекты, непрерывно излучает разнообразные элементарные частицы, теряя при этом массу и уменьшаясь в размерах. Но ведь это означает, что рано или поздно черная дыра должна испариться. Куда тогда денутся предметы, которые туда затягивались? Если они исчезли бесследно, не оставив после себя никакой информации, общая теория относительности Эйнштейна вступает в противоречие с квантовой механикой. Более того, рушатся основополагающие принципы квантовой механики.

Нерадостная перспектива…

Артем Юров: Это еще мягко сказано! Она повергла в ужас двух физиков - Леонарда Сасскинда и Герарда 'т Хоофта. Лет двадцать у них ушло на то, чтобы справиться с этой проблемой. Результатом стал так называемый принцип дополнительности Сасскинда.

Вот в чем он заключается. Допустим, Валериану надоело, что я все время его перебиваю. Он отправляет меня в черную дыру и видит, что я сгорел в излучении Хокинга. Он, разумеется, раскаялся, оплакал меня. Но все это происходит только в системе отчета стороннего наблюдателя, то есть Валериана.

А в моей системе отчета никакой трагедии не случилось - я остаюсь жив-здоров! В это сложно поверить, но оба эти описания являются верными. Главное, не применять их одновременно, выбирать либо одно, либо другое в зависимости от внешних условий.

При этом Сасскинд задавался вопросом: возможно, информация о предметах, которые поглотила черная дыра, каким-то образом зашифрована в излучении Хокинга? А Даниэль Харлоу из Принстонского университета пришел к следующему выводу: хокинговское излучение закодировано так мудрено, что на его расшифровку требуется колоссальное количество времени. Даже если ученые на Земле создадут мощнейший квантовый компьютер, он все равно не успеет "взломать" информацию, зашифрованную в излучении черной дыры, до момента ее окончательного испарения.

Следовательно, нельзя исключать и следующее предположение: черная дыра, помимо всего прочего, является идеальной шифровальной машиной. Это фактически самый мощный на свете квантовый компьютер, работающий по предельным алгоритмам. И его не надо создавать людям, его уже создала природа. Мы должны либо научиться использовать "вычислительные" возможности черных дыр, либо, изучая черные дыры, найти подсказки, эффективные алгоритмы (а пока их очень мало) для квантовых компьютеров, создаваемых сейчас в лабораториях.

Какие тогда открываются перспективы - ни одному фантасту и не снилось! Ведь когда-то и теория относительности, и квантовая механика были в чистом виде фундаментальными науками. Однако позже эти теоретические открытия позволили нам использовать энергию атомного ядра, создать мобильные телефоны, систему GPS и так далее.

Но как изучать черные дыры? Ведь они, как вы сами говорили, невидимые.

Валериан Юров: Правильный вопрос. Зато мы можем увидеть, как они взаимодействуют с другими объектами - звездами, газопылевыми облаками, светом и даже другими черными дырами. Динамические колебания "поверхности" черной дыры - так называемого горизонта событий, возмущенного из-за взаимодействия с каким-то предметом, называются квазинормальными модами. Именно им было посвящено наше исследование.

Для расчета квазинормальных мод используются уравнения Эйнштейна. И вдруг оказывается, что поведение мод в разных задачах и при разных условиях иногда бывает одинаковым. Ранее группа ученых пыталась связать эту "одинаковость" с преобразованием Дарбу. Речь идет об удивительной математической симметрии: скажем, вы нашли решение одного дифференциального уравнения, потом выполнили с этим решением несложную математическую операцию и - алле-оп! - получили точное нетривиальное решение похожего, но более сложного уравнения. В физике преобразование Дарбу с успехом применяется уже достаточно давно, правда, как раз не в теории гравитации, а в квантовой механике. Идея же применить его к черным дырам стала закрадываться в головы теоретиков лишь относительно недавно. И вот группа наших коллег из университетов Арканзаса (США), Тюбингена (Германия) и Мурсии (Испания) публикует статью, в которой предлагает своеобразное "обобщение" преобразования Дарбу. После чего коллеги выражают надежду, что вот это новое, "проапгрейженное" преобразование позволит связать между собой не просто некоторые, а вообще все возможные квазинормальные моды для черных дыр.

Артем Юров: Если бы так и произошло, это был бы прорыв! Зная одно решение, мы могли бы восстановить все возможные решения задач, связанных с черными дырами. А дальше уже до разгадки "вычислительных" тайн черных дыр - рукой подать. Но мы, к сожалению, выяснили, что некоторые далеко идущие предположения наших коллег были преувеличены. Да, какие-то двери с помощью преобразования Дарбу мы сможем открыть, но далеко не все. И у физиков, изучающих черные дыры, впереди еще много, очень много работы.

Я слышала, что принципы квантовой механики в перспективе позволят создать телепорт. Так ли это?

Валериан Юров: Механизм квантовой телепортации уже существует. Правда, телепортируют сейчас только микрообъекты - фотоны, ионизированные атомы и сверхпроводящие наноэлементы. А разбор человека на атомы - дело довольно рискованное.

Артем Юров: Теоретически мы понимаем, как это сделать. Но на практике технологии не позволяют создать телепорт, который описывают в своих книгах фантасты. А вот если люди создадут квантовый компьютер или научатся использовать шифровальные способности черных дыр… Мы за 20-30 лет проделаем колоссальный путь, который до этого прошли за две тысячи лет, получим ответы на многие вопросы. В том числе, возможно, и на те, что связаны с телепортом.