Физики создали квантовый «предсказатель» будущего

Австралийские и сингапурские ученые создали установку, которая позволяет просчитывать все варианты поведения сложной хаотической системы в будущем и сравнивать их между собой. Описание этого "предсказателя будущего" было представлено в журнале Nature Communications.

"Работа этого устройства базируется на идее Ричарда Фейнмана. Когда он начал изучать квантовую физику, он заметил, что когда частица путешествует из точки А в точку Б, она не обязательно двигается по одной траектории. На самом деле, она одновременно движется по всем возможным путям. Мы расширили и приспособили эту мысль для моделирования будущего", — рассказывает Джейн Томпсон (Jayne Thompson) из Национального университета Сингапура.

Многие процессы в нашем обществе и в природе, к примеру, движение турбулентных потоков воздуха или флуктуации курса акций, нельзя описать, используя классические линейные закономерности и наборы уравнений. Все эти процессы, как выражаются математики, имеют хаотический или стохастический характер.

Яркий пример этого — так называемый "эффект бабочки", открытый известным математиком и метеорологом Эдвардом Лоренцом в 1961 году, когда он пытался просчитать погоду на несколько дней. Ученый обнаружил, что малейшие изменения в изначальных условиях расчетов очень сильно меняют их результат, причем делают это малопредсказуемым и непросчитываемым образом.

Сам Лоренц сравнивал подобные изменения с тем, как взмах крыла чайки или бабочки в одном уголке Земли может кардинальным образом поменять погоду на один день, неделю или более долгое время в другой части планеты. Так родилась современная математическая теория хаоса, описывающая поведение подобных нелинейных систем.

"Число возможных вариантов развития событий даже в таких системах растет экспоненциально. К примеру, представьте себе, что вам нужно совершать два случайных выбора каждую минуту. Меньше чем через полчаса у вас будет больше 14 миллионов различных вариантов будущего, а через сутки их число превысит количество атомов во Вселенной", — объясняет Майл Гу (Mile Gu), коллега Томпсон по университету.

Все это, как отмечают физики, сильно ограничивает возможности по просчету свойств подобных систем на обычных компьютерах. Этой проблемы, однако, лишены квантовые вычислительные системы благодаря одному свойству, хорошо знакомому всем по истории знаменитого кота Шредингера.

Это вымышленное животное, как повествует мысленный эксперимент, находится в так называемой суперпозиции — кот одновременно остается и живым, и мертвым, что представляет два возможных сценария развития событий в будущем. Сингапурские исследователи и их австралийские коллеги проверили, можно ли использовать квантовые объекты, находящиеся в состоянии суперпозиции, для просчета различных стохастических процессов.

Для этого они создали набор лазеров, призм, зеркал, расщепителей лучей и прочих оптических устройств, который позволял им "запутывать" пары фотонов, частиц света, между собой, и кодировать в их квантовых свойствах состояние хаотической системы. Эта установка была устроена таким образом, что она "запоминала" прошлые шаги просчета и прошлый облик системы, почти не тратя на это памяти.

Ее работу ученые проверили, просчитывая то, как поведет себя монетка, которую несколько раз подбрасывают внутри непрозрачной коробки. В соответствие с постановкой этой задачи, вероятность выпадения решки и орла далеко не всегда равна 50%, и сама монета может перевернуться или остаться на месте с некоторым случайным шансом.

Тот или другой исход событий в данном случае выражался в том, какой из запутанных фотонов первым достигнет светочувствительной матрицы. Как показали эксперименты с этой системой, она может не только просчитывать все возможные варианты развития событий, но и сравнивать различные стохастические процессы между собой.

Более масштабные версии подобного квантового "оракула", способные просчитывать больше 16 разных вариантов будущего, по словам ученых, помогут не только избавиться от пробок и решить многие другие практические задачи.