Сет Ллойд: «У нас хорошие гены и хорошие законы физики, только с политиками иногда не везет»

В России вышла книга профессора Массачусетского технологического университета физика Сета Ллойда «Программируя Вселенную». Основная ее мысль: Вселенная является квантовым компьютером, который постоянно что-то вычисляет. Для презентации русского издания профессор Ллойд приехал в Москву, где с ним встретился корреспондент «РР». За время беседы журналист узнал о том, как делать массаж атомам, почему наш мир похож на компьютер и сколько нужно текилы для понимания квантовой механики

Что было бы, если бы человеческая цивилизация не смогла  додуматься до квантовой механики, квантовых компьютеров и прочих идей и технологий? Ведь Вселенная все равно осталась бы такой же…

Это была бы настоящая трагедия! Потому что тогда не существовало бы Российского квантового центра, он бы не решил перевести мою книгу на русский, я бы не приехал в Москву, мы бы с тобой сейчас здесь не сидели и не разговаривали. Мир был бы беднее.

Печально, что есть другие части Вселенной, в которых нет жизни, человечества, Российского квантового центра, переводов моей книги и журналистов «Русского репортера». Но в этих частях Вселенная тоже вычисляет, только делает это немного по-другому.

«Квантовая механика — это странная штука»

Ну, раз уж нам повезло оказаться в мире, где есть жизнь и цивилизация, то давайте поговорим о вашей книге. Вы утверждаете, что Вселенная — это такой гигантский квантовый компьютер. А вы можете объяснить, что это такое — квантовый компьютер?

Это очень простая вещь! Любой компьютер содержит в себе биты информации, а битом может быть все что угодно с двумя состояниями. Единица — истина, делай это. Ноль — ложь, делай то. Вселенная — самый большой объект, существующий на свете, а бит — самый маленький кусочек информации. Вселенная состоит из битов. Каждая молекула, атом и элементарная частица содержат биты информации. А в любом взаимодействии между этими объектами информация обрабатывается — меняется содержимое битов.

Каждый электрон — это бит информации, правильно? Когда электрон перемещается, он может менять свое состояние — значит, с перемещением электрона перемещается и информация. Но информация содержится во всем. ДНК каждого человека содержит около 6 миллиардов битов, а для того, чтобы описать молекулы в стакане воды или, коль скоро мы в России, в рюмке водки, нам потребуется число Авогадро битов — 6×1023. При взаимодействии электронов или молекул водки информация меняется — происходит вычисление.

Иначе говоря, Вселенная вычисляет постоянно и везде. Независимо от человека — есть он там или нет. При этом биты не только хранят информацию, но и сами себя программируют — взаимодействуют. Вселенная непрерывно программирует сама себя.

Хорошо. Я понял, почему компьютер. Но почему квантовый?

Поведение элементарных частиц, во многом определяющих информацию, описывается квантомеханическими законами. Именно поэтому Вселенная — это квантовый компьютер.

В квантовых компьютерах информация хранится на уровне протонов и электронов, поведение которых описывается законами квантовой механики. Электрон в основном состоянии — это ноль, а в возбужденном — единица.

Но квантовая механика — это странная штука, и здесь для электрона вполне нормально находиться и там и там одновременно. Никто, даже нобелевские лауреаты по физике, не понимает, как такое возможно. Поэтому нам просто придется с этим смириться, хоть и на макроскопическом уровне такое совершенно невозможно. Например, с футбольным мячом — будь вы хоть Лионель Месси, вы не заставите его находиться и там и там одновременно. А вот с электроном такое возможно, и поэтому квантовый бит может быть одновременно и нулем, и единицей, а квантовый компьютер способен одновременно выполнять противоречащие друг другу инструкции.

Повторяю: в обычном бите либо единичка — сделай это, либо нолик — сделай то. А в квантовом компьютере, к примеру, ноль может означать три плюс один, а один — три плюс два. Потому, что электрон может быть и там и там, он способен выполнять сразу и то и то. Это происходит настолько непонятно, что никому не понятно.

«Вы вдохновляете атомы на вычисления»

Но как нам управлять этими квантовыми состояниями? Как записывать информацию? Как считывать информацию? Как заставить атом вычислять?

Заставить атом что-то делать против его воли невозможно.

И как быть?

Нужно научиться понимать язык атома, а потом попытаться убедить его, что наши цели совпадают. Ему нужно сделать массаж. А потом, если ему это понравится, если он расслабится, то, возможно, выполнит то, что вы от него хотите. Иногда, может быть, имеет смысл и в сауну его сводить.

И как это выглядит — делать массаж атому?

Возьмем один атом, который содержит один бит информации. У него есть два возможных состояния. Электрон с одним спином — ноль. С другим — единица. И вы хотите заставить его перевернуться, превратиться из нуля в единичку. И тогда вы начинаете щекотать этот атом, посылая на него луч света, который заставляет его вибрировать. Атому это начинает нравиться, он начинает возбуждаться.

Он от возбуждения переворачивается?

Не сразу.о мере того как он возбуждается, он, все еще в нулевом состоянии, понемногу перемещается в состояние единицы. Потом он одновременно и ноль, и единица. Продолжаете его щекотать, и он уже превращается большей частью в единицу. И если на него вовремя воздействовать, остановится в состоянии единицы. Бит перевернулся! Атом может отдыхать.

Утомится от щекотки?

Атомы никогда не устают! Только мы устаем, но не атомы.

Получается, вы хитростью заставляете атомы делать что-то им совершенно не нужное?

Давайте я расскажу вам историю. Несколько лет назад я был на свадьбе у своего двоюродного брата, антрополога. Я сидел за столом с его коллегами, и они спросили, чем я занимаюсь по жизни. Я сказал, что я эксплуатирую законы квантовой механики и атомы с целью производить вычисления. Они были в ужасе! Они сказали, что это квантовый колониализм. Квантоализм! И после ужина ко мне подошел негритянский американский активист из города Гринвилл, Северная Каролина, и сказал мне: «Сет, в следующий раз, когда будете рассказывать о своих занятиях, я советую вам говорить, что вы не эксплуатируете атомы, а вдохновляете их на вычисления». И с тех пор я атомам только даю силы и никогда их не эксплуатирую. И атомам это нравится.

Что могут посчитать для нас вдохновленные атомы?

Квантовые компьютеры могут моделировать все, что не противоречит законам физики, но пока компьютеры, которые мы строим, невелики, и мы стоим на уровне моделирования относительно простых систем. Вооб-ще существуют два типа квантовых компьютеров.

Фото: предоставлено Российским квантовым центром

Первые — неспециализированные и одновременно наиболее мощные, которые в основном используются для моделирования других квантовых систем. Их в мире около дюжины.

А еще есть неспециализированные компьютеры послабее, они для самых разных задач — отладки программного обеспечения, тестирования аэродинамических свойств самолетов, определения пространственной структуры белка по его последовательности аминокислот. Канадская компания D-wave продает коммерческие версии таких компьютеров и обещает, что они могут стать гораздо мощнее обычных.

«Наш мозг — это маленький кусочек общей программы»

Хорошо. Если вы не против, давайте вернемся в квантовую Вселенную.

Конечно! Но я всегда в квантовой Вселенной. Я никогда ее не покидал.

Вот когда человек включает компьютер, он может на нем подсчитать бюджет своей фирмы или обработать результаты физического эксперимента. А что вычисляет Вселенная?

Что угодно! Вселенский компьютер по определению может производить абсолютно любые операции и вычисления. Все, которые выполняются нашими компьютерами и айфонами. Все, которые существуют. Все, которые можно представить. И все, которые даже невозможно себе представить.

Как только Вселенная возникла, она тут же начала вычислять. Сначала были относительно простые объекты: элементарные частицы и фундаментальные законы физики. Со временем, обрабатывая все больше и больше информации, Вселенная создавала штуки посложнее: галактики, звезды и планеты. Ну а дальше — жизнь, язык, люди, общество, культура, интервью для журнала. Это все благодаря тому, что вещество и энергия обладают естественной способностью вычислять.

Но кроме процессора в компьютере, например, еще должно быть запоминающее устройство…

Здесь надо быть очень осторожным. Потому что, когда мы говорим «устройство», то подразумеваем нечто созданное человеком. Но компьютер не обязательно должен быть создан человеком. Живые клетки тоже выполняют очень сложные вычисления, чтобы выживать и воспроизводиться. Точно так же химические вещества при взаимодействии друг с другом вычисляют свои продукты. Я не уверен, что назвал бы химическое вещество или клетку устройством. То же самое со Вселенной — она производит вычисления, хоть и не создана человеком. Скорее, наоборот, наш мозг — это маленький кусочек общей программы.

Так, может быть, через квантовые вычисления мы когда-нибудь поймем, как работает наш мозг?

Я не уверен. Я не знаю насколько, но квантово-механические механизмы работы нашего мозга немного отличаются от вычислений компьютера Вселенной. Вообще, мы гораздо больше знаем о Вселенной, чем о жизни. Например, гораздо лучше понимаем, как появилась Вселенная, чем как появилась жизнь. Ведь каждая молекула ДНК содержит миллионы битов информации, и только несколько вариантов этих комбинаций, когда-то отобранных вычисляющей Вселенной, приводят нас к жизни. Это потрясающая вещь!

Может теория вычисляющей Вселенной нас когда-нибудь приблизить к ответу на эту загадку?

Почему нет? Например, сейчас ученые поняли, что квантовая механика очень важна в фотосинтезе. Лет пять назад в Университете Беркли провели эксперименты, в ходе которых установили, что растения и бактерии используют во время фотосинтеза те же самые квантовые уловки, что и мы пытаемся применить для эффективной транспортировки энергии в солнечных батареях. Ведь передача энергии в твердых телах — это вещь очень запутанная.

В определенный момент в материале фотоячейки возникает экситон, воображаемая квазичастица из связанного электрона и дырки — отсутствия электрона. Этот экситон перемещается из одной точки в другую и несет с собой энергию. Но ничего идеального не бывает — микроскопический беспорядок, посторонние шумы от других частиц мешают его перемещению. И с помощью квантовой механики мы ищем оптимальное соотношение между порядком и беспорядком, которое уже нашла природа. Можно сказать, мы идем по стопам природы. Открываем то, что природа уже нащупала самостоятельно, и надеемся, что эффективность органических солнечных батарей когда-нибудь приблизится к эффективности фотосинтеза.

«Наверное, текилы у них мало было»

Многим людям ваша теория о вычисляющей Вселенной может показаться чистой метафизикой.

Нет-нет! Это полностью физическое утверждение, никакой метафизики! Да и что такое метафизика? Первая книга, которую написал Аристотель, называлась «Физика». И эта книга была о том, как появились окружающие нас вещи. А потом он написал книгу под названием «Метафизика», что буквально переводится как «Книга после книги о физике».

Вопрос о том, является ли Вселенная громадным квантовым компьютером, не может считаться метафизическим или философским. А самое главное, ответ на него — да! Потому что законы физики и математики обеспечивают обработку информации таким вселенским компьютером…

Но, позволь, я задам тебе встречный вопрос: ты сам веришь теперь, что Вселенная — это квантовый компьютер?

Я как тот атом в суперпозиции. Когда я вас слушаю, то все больше верю в квантовую Вселенную. Но когда отхожу от щекотки, понемногу возвращаюсь в свое основное, невозбужденное состояние.

Тогда я расскажу еще одну историю. Есть такая рэп-группа Wu-Tang Clan. И лидера этой группы зовут Джиза (GZA). Это очень известный рэпер, но еще и солидный ученый. Мы с ним не раз общались по поводу вычисляющей Вселенной, и он попросил выслать ему книгу. А потом рассказал, что пил текилу со знаменитым актером Биллом Мюрреем и потратил немало времени, чтобы объяснить ему содержание книги. Но Билл с его слов так ничего и не понял. На что я сказал Джизе, что, наверное, текилы у них мало было.

У нас текилы совсем нет, так что придется как-то через физику… Скажите, а какие ограничения есть у теории о вычисляющей Вселенной? Ведь у любого физического утверждения должны быть ограничения.

Чтобы быть вселенским компьютером, нужно обладать способностью производить вычисления. Даже если принимаем решение их остановить. Однако возможно, что как раз в нашей части Вселенной вычисления могут происходить только ограниченное количество времени. Потому что для них нужны биты и нужна энергия, чтобы эти биты менять. Закончится энергия — закончатся вычисления, больше никакой вычисляющей Вселенной. Такое вполне возможно, и это отстойно.

«Простая программа сможет создать весь сложный мир»

Вы рассказали, что будет в конце. А с чего начались вселенские вычисления?

Как ни банально, с Большого взрыва. А что было до этого, еще большой вопрос. Единственное понятно, что после Большого взрыва появились законы физики, которые и программируют Вселенную. Мы не можем заставить атомы идти вразрез с законами физики, нарушать их. Так что, по крайней мере в квантовом мире, есть хоть какая-то справедливость, и это сильно отличается от мира человеческого, где законы нарушаются на каждом шагу.

Кстати, может быть, еще важно, что законы физики очень просты: мы можем запросто выписать все уравнения, которые определяют поведение элементарных частиц, на майке. Это буквально несколько битов информации. Точно так же и состояние Вселенной до Большого взрыва было очень простым. Оно содержало очень мало битов, а может быть, вообще не было битов. Сейчас же Вселенная, как ни крути, содержит гораздо больше информации. Миллиарды миллиардов миллиардов… битов. Десять в 90-й степени битов информации.

Откуда же взялось такое изобилие информации?

Ответ очень интересный, и здесь мы в значительной степени обязаны знаменитому российскому математику Колмогорову. Он показал, что даже очень сложные вещи могут быть вычислены с помощью компьютера, содержащего небольшое количество битов информации. Маленький программный код позволяет вычислить бесконечное количество знаков числа пи, вопрос только во времени. То есть если взять нечто способное производить квантовые вычисления — Вселенную — и запрограммировать это с помощью законов физики элементарных частиц и квантовой механики, то такая простая программа сможет создать весь сложный мир, который мы видим вокруг себя.

Хорошо. Но кто напишет этот маленький программный код?

Корректным ответом будет: «Я не знаю». Но могу сказать, что утверждают некоторые физики: есть такой процесс, как спонтанное нарушение симметрии. Например, в случае с квантовыми вычислениями есть у нас электрон, который находится сразу в двух состояниях одинаковое время. А потом в результате взаимодействия со средой он начинает предпочитать только одно из них — симметрия состояний нарушена. Вполне возможно, что до появления законов физики Вселенная была абсолютно симметрична. Она содержала в себе возможность для появления любых законов физики, а потом в результате спонтанного нарушения симметрии мы получили именно наши законы. И если они нам не нравятся, то уже слишком поздно.

«Мы живем в хаотичном мире, но можем управлять своей жизнью»

Я слышал, что законы физики во время развития Вселенной менялись. Во всяком случае могли меняться значения постоянных.

Да, это вполне возможно. Возможно, наши законы физики сформировались в результате череды квантовых случайностей. Но давайте возьмем пример квантовой случайности поприще и, может быть, важнее. У тебя есть брат или сестра?

У меня есть старший брат.

А у меня два брата. И вот почему мы отличаемся от своих братьев? Когда ваши родители занимались любовью, их ДНК в результате рекомбинации образовали некую общую комбинацию — ваше ДНК. Половина генов пришла от отца и половина — от матери. Но какой именно набор ты получаешь, полностью зависит от случайности, от беспорядочного движения атомов в момент оплодотворения. Эта случайность описывается законами квантовой механики. Значит, это — квантовая случайность.

Но как же влияние среды? Ведь даже два организма с абсолютно одинаковыми наборами генов будут обладать разными признаками, потому что гены по-разному активизируются под действием внешней среды.

Конечно, окружающая среда тоже играет роль. И это такой вечный спор о соотношении природы и воспитания. Я ответа не знаю. Но если брать реальность, то смотрите: в Москве сейчас идет дождь. Почти тропический ливень, которого я никак не ожидал от Москвы. Но погода известна тем, что она  непредсказуема. На самом деле она даже хаотична. В том смысле, что погода в данный конкретный момент зависит от серии крошечных случайностей в прошлом. Эффект бабочки: пару месяцев назад какая-то бабочка хлопнула крыльями, и сейчас у нас идет дождь.

Вот такие случайности определяют погоду. Но если их свести к источнику, то опять получится квантовая природа. Бабочка хлопнула крыльями потому, что какой-то сигнал причудливым образом прошел по ее нервной системе. Так что погода — это квантовые случайности, усиленные хаотичными законами природы. Начинает казаться, что все является случайностью, но это неправда. Случайности только сформировали программу вычислений, в результате которых Вселенная пошла по вполне рациональным и разумным путям. Мы живем в хаотичном мире, но вполне можем управлять своей жизнью.

Так мы пришли к свободной воле.

Это было неизбежно. Нам всем дана свободная воля, чтобы мы могли рассуждать о свободной воле. Ну, или о ее иллюзии. Подобно многим другим людям за последние пять тысяч лет, я интересовался свободной волей, довольно долго ей интересовался.

И как?

Некоторые утверждают, что у нас нет свободной воли, поскольку работа мозга носит механистический характер. В последних экспериментах нейроученые научились предсказывать наши решения за несколько секунд до их принятия. Но разве для этого нужна такая серьезная наука? Я прихожу в свой любимый ресторан, долго смотрю в меню, ищу, что выбрать, и после этого останавливаюсь на привычном решении. Есть у меня свободная воля? А моя жена вообще предсказывает 99% моих решений.  Но мне это неважно. Когда я принимаю решение, я сам не знаю, что решу. Это и есть смысл свободной воли. Или иллюзия свободной воли, как хотите.

Когда принимаешь решение, которое может повлиять на жизнь многих людей, тогда свободная воля особенно ярко проявляется. Тут даже ваша жена становится бессильна. I’m decider, как сказал Джордж Буш-младший!

Кстати, все это касается не только людей, но и машин и компьютеров. Потому что ваш компьютер постоянно принимает огромное количество решений: как распределить память, как оптимизировать вычисления, в какой момент упасть, чтобы окончательно вас разочаровать.

Получается, нам теперь нужно согласовывать свою свободную волю не только с другими людьми, но и с вычисляющими машинами, которыми мы себя окружили?

Да, конечно. Сейчас попробую показать (достает айфон). С программой распознавания голоса Siri я стараюсь поменьше взаимодействовать, но (произноситв микрофон: «Сири, ты не хочешь выпить пивка?» Айфон молчит) у нее нет мнения! Первый раз, когда я ее спросил такое, она сказала: «Это касается тебя, Сет, а не меня». Так что не знаю, есть ли у нее свободная воля. Но во всяком случае она достаточно умна, чтобы послать меня куда подальше. Это тоже проявления свободной воли.

На самом деле здесь речь опять про математику. У Алана Тьюринга есть теорема, в которой он показал, что любой объект, способный создать образ самого себя, включая человека и компьютер, не может предсказать свои действия. Когда мы принимаем решение, мы создаем образ себя в будущем. В результате мы не знаем, чем все закончится. Свободная воля из математической теории. И то же самое с вычисляющей Вселенной  — она не сможет спрогнозировать свое будущее. Единственный способ узнать, что произойдет, — это подождать и посмотреть.

Но как нам жить в этом мире? Мои гены случайны, погода случайна, законы физики случайны. Свободная воля сомнительна, а с окончанием вычислений вселенского компьютера закончится и мир…

К счастью, у нас хорошие гены и хорошие законы физики. Правда, с политическими руководителями не всегда везет. Но это не главное. Don’t worry, be happy, как поется в одной песне. Или — вспоминая, что жизнь невозможна без вычислений, — Keep bites flipping!

Сет Ллойд

Профессор Массачусетского технологического института, специалист по квантовой механике и теории информации. До этого работал в Гарварде, Кембридже, Калифорнийском технологическом институте и Лос-Аламосской национальной лаборатории. В Москву профессор Ллойд приехал в качестве специального гостя крупнейшей в мире Второй международной конференции по квантовым технологиям, организованной Российским квантовым центром в Москве. Одним из мероприятий конференции была презентация русской версии его книги «Программируя Вселенную».

В предисловии к русскому изданию Сет Ллойд пишет: «Я имел счастье начинать свою научную карьеру в 1980-е годы, в момент, когда российские и советские ученые начали выезжать за границу после многих десятилетий разобщения с остальным миром. Помимо открытия сокровищницы фундаментальной научной информации, которая до этого была опубликована только на русском языке, эти ученые придали научному дискурсу уникальный и чудесный дух. В юности я читал Толстого и Достоевского и потому был знаком с богатством русской интеллектуальной дискуссии, но я никогда до этого не участвовал в настоящем русском научном споре, когда начинают говорить на повышенных тонах, когда стучат кулаком по столу, когда кусок мела могут в сердцах разбить о доску, но в конце, когда задачу удалось решить, все снова становятся друзьями».

http://expert.ru/russian_reporter/2013/36/vselennaya-lyubit-vyichislyat/