В кванты могут все

⇡#2014-2015-й: «Креативность и изобретения»

Главный герой этого – уже абсолютно реального – сюжета, физик-аспирант Университета Южной Калифорнии по имени Крис Кэнтвелл, готовил диссертацию на тему квантовых вычислений. Работа его, однако, как-то застопорилась и начала буксовать, а заскучавшему Кэнтвеллу захотелось переключиться на что-нибудь еще. И вот по рекомендации своей подружки (а ныне уже жены) он записался на дополнительный учебный спецкурс – по развитию творческих способностей и изобретательности, никакого прямого отношения к квантовым вычислениям вроде бы не имевший.

Тем не менее, когда в процессе этой учебы дело подошло к итоговой курсовой работе, по наводке многоопытного в творчестве преподавателя родилась идея о написании несложной компьютерной игры – которая наглядно демонстрировала бы играющим базовые принципы квантовой механики.

⇡#

В процессе предварительной подготовки к своей курсовой Кэнтвелл для начала ознакомился с тем, что уже имеется в этой области, и понял, что сам хотел бы создать нечто совсем другое. Все прежние игры такого рода разными способами просто предоставляли более или менее наглядные аналогии для тех или иных странных принципов квантового мира.

Ну а Кэнтвелл, набравшись азов креативности, сразу решил, что здесь нужно придумать совершенно иной подход – чтобы игра изначально и сразу погружала участников в такую реальность, которая в самих основах своих работает на принципах квантовой механики.

Если говорить чуть иными словами, геймерам в такой игре вообще не требовалось бы заранее знать законы квантовой механики, чтобы играть. Они бы просто естественным образом стали осваивать принципы квантовой реальности, когда в процессе игры им волей-неволей приходилось бы привыкать к действующим тут правилам...

⇡#2015-2016-й: Правила игры

Дабы весьма длинную и непростую историю рождения этой игры сделать покороче (подробности можно найти в тексте «Квантовые шахматы как метафора»), имеет смысл перенестись еще на полтора года вперед, в конец 2015-го, когда первоначально правильная идея Кэнтвелла не без помощи старших-опытных товарищей сумела-таки в итоге воплотиться в абсолютно полноценную «квантово-компьютерную» разновидность классических шахмат.

Есть все основания говорить, что в своей основе «Квантовые шахматы» Кэнтвелла – это симулятор квантовой реальности, с помощью компьютера сооруженный поверх игры и правил совершенно обычных шахмат. Для тех, кто имеет представление о квантовой физике, можно пояснить, что в этой игре естественным образом реализованы феномены суперпозиции и сцепленности, квантовой интерференции и квантового измерения.

Если же пояснять игру для геймеров, смутно представляющих или вообще никак не представляющих особенности квантового мира, то сказанные выше слова означают, что теперь вы получаете в свое распоряжение игру, которая внешне выглядит явно как шахматы, но только с целым рядом весьма необычных новых эффектов и возможностей. Таких эффектов, которые основаны на совершенно четких физических законах микромира, однако классические шахматы в сравнении с новой квантовой игрой начинают выглядеть по сложности примерно как крестики-нолики...

Автор особо подчеркивает, что квантовые шахматы не научат вас математике, лежащей в основе квантовой механики. Но они и не требуют знания квантовой механики для того, чтобы в них играть. Суть забавы в том, что она позволяет игрокам взаимодействовать с квантовыми феноменами таким образом, который прежде был вообще невозможен – как бы погружая геймеров в специфическую квантовую реальность. Если выражаться чуть более формально, новая игра предоставляет людям развивающий способ для освоения и понимания квантовых феноменов на интуитивном уровне – делая это в виде развлечения и стимулирующих разум упражнений.

Дабы предоставить читателям хотя бы первичное представление о тех существенных модификациях, которые внесены автором для превращения общеизвестной игры в шахматы квантовые, следует выделить важные моменты, в особенности касающиеся ходов. Хотя все фигуры на доске следуют тем же самым правилам, что приняты в шахматах, есть тут, однако, и целый ряд примечательных отличий.

Самое главное, что наряду с обычным здесь также есть «квантовый ход». Такую возможность имеют все фигуры, за исключением пешек. Квантовый ход помещает фигуру в состояние суперпозиции с двумя возможными исходами: с вероятностью 50 % эта фигура может перейти на другое поле, находящееся на расстоянии одного или двух стандартных ходов, и с вероятностью 50 % она не двигается с места вообще. В результате такого квантового хода эта фигура существует на доске в обоих местах до тех пор, пока последующее «измерение» в ходе игры не решит исход этой суперпозиции.

Факт существования такой суперпозиции позволяет разным фигурам одного игрока становиться «сцепленными», так что их места расположения на доске оказываются взаимно переплетенными до измерения... Например, движение слона «сквозь» своего же короля, находящегося в состоянии суперпозиции, делает эти фигуры сцепленными.

Другой важный момент: квантовый ход фигуры не может быть использован для того, чтобы взять фигуру противника. Но при этом вы можете, однако, использовать квантовый ход для того, чтобы переместиться на такое поле, где уже имеется фигура противника в состоянии суперпозиции. Это еще не считается попыткой взятия фигуры. Но вместо этого наступает процедура измерения, которая ведет нас к следующему правилу.

Правило измерения для конфликта-соприкосновения: возможности для фигур существовать в состоянии суперпозиции на разных клетках приводят к ситуациям, когда одно и то же поле может быть занято двумя разными фигурами. Когда такая ситуация случается, происходит «измерение» – дабы сократить общее число фигур в клетке до такой позиции, когда там остается не более одной фигуры.

Фактически измерение означает просто более внимательное рассмотрение ситуации на данном поле, чтобы разобраться, что тут происходит. Через измерение разрешаются все конфликты с вероятностями размещений, а также и с вероятностями для местоположения тех фигур, которые были связаны через сцепленность.

Наконец, еще одно важное новое правило – «убить Короля». Наряду с возможностями существования фигур во множестве мест, для них также становится возможным одновременно быть живыми и мертвыми (состояние «кота Шредингера»). Для победы в поединке, однако, Король должен быть убит на все 100 %.

По ощущениям тех, кто уже успел поиграть в квантовые шахматы (а это в массе своей люди, имеющие отношение к квантовым компьютерам), добавление в игру квантовых ходов предоставляет игрокам возможности непосредственно, на уровне тактильных ощущений взаимодействовать с прежде «неуловимыми» квантовыми феноменами. Здесь в буквальном смысле их можно пощупать своими руками.

Когда люди только-только начинают обучаться этой игре, квантовые шахматы могут показаться такой забавой, где, по сути, изменилось только одно – в классически детерминированную игру добавился сильный элемент случайности. Но так кажется лишь поначалу.

Впоследствии, по мере того как игроки становятся все более и более искушенными в правилах этого мира, они приучаются использовать такие тонкие квантовые эффекты, как сцепленность и интерференция. Благодаря этому опытным игрокам удается изменять вероятности местонахождения своих фигур на полях доски, а значит – и изменять в свою пользу вероятности исходов при столкновениях с фигурами противника.

⇡#2016-й: Будущее опять спасено

Для всех, кто вообще не в курсе или успел подзабыть содержание фильма «Невероятные приключения Билла и Теда», можем быстренько напомнить суть: главной причиной появления в 1988 году гостя из далекого будущего (2688 года) стало желание потомков более надежно обеспечить нужный ход истории.

Поскольку разгильдяи Билл и Тед совсем запустили учебу, возникла реальная опасность их исключения из школы. А поскольку в той версии будущего, откуда явился гость, именно Билл и Тед, успешно окончив школу, станут основателями утопически светлого общества, возникла и насущная потребность помочь им с тем самым докладом по истории, несдача которого чревата исключением...

В тот раз, как известно, все закончилось хорошо. Однако ныне, четверть века спустя, уже близко знакомые с будущим Билл и Тед, а точнее исполнители их ролей Киану Ривз и Алекс Винтер, проведали, что светлое грядущее человечества вновь оказалось под угрозой.

Теперь куда более мрачные перспективы нам грозят от тех высоколобых ученых-физиков, которые уже убедили себя, а теперь пытаются уверить и всех остальных, что окружающий нас мир с научной точки зрения является нелепым и бессмысленным. Разубедить же их в этом – и одновременно спасти мир для более светлого будущего, наполненного красотой и смыслом, – смогут лишь вполне обыкновенные люди, освоившие «как свою» реальность квантового мира и замкнутую-компактную геометрию пространства-времени.

Ну а поворотным этапом истории, где решается дальнейшая траектория эволюции человечества, было суждено оказаться поединку в квантовые шахматы между обычным голливудским актером Полом Раддом (знакомым с квантовой реальностью лишь благодаря роли «человека-муравья») и корифеем теоретической физики, профессором Стивеном Хокингом...

Так, во всяком случае, преподносит нам события фильм «Кто угодно может в кванты», режиссером которого стал Алекс Винтер, а роль ведущего – по возможности подготовившего Пола Радда к трудному поединку – взял на себя Киану Ривз.

Благодаря своевременному вмешательству этих людей наше светлое будущее опять оказалось спасено. Однако для закрепления успеха реальность квантового мира все равно желательно осваивать всем. И да помогут нам квантовые шахматы.

Дополнительное чтение

• Про удивительное упорство Ричарда Фейнмана в навязывании публике идей о «принципиальной непостижимости» природы квантового мира, и про то, почему это неправда: «Квантовая физика как она есть»
• Более подробно о правилах и об истории рождения «Квантовых шахмат» – в контексте их взаимосвязей с дискретной «шахматной моделью» Ричарда Фейнмана: «Квантовые шахматы как метафора»