dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Провокационные заголовки “про науку” принято относить на счёт журналистов научпоп-изданий, ещё и называя “кликбейтом”. Однако вот в свежей истории про “экспериментально зафиксированное отрицательное время” оригинальный заголовок исходной работы (препринта) даже веселее, чем варианты СМИ. Заголовок гласит: “Experimental evidence that a photon can spend a negative amount of time in an atom cloud” (“Экспериментальное подтверждение того, что фотон может (can) находиться в “атомном облаке” в течение отрицательного промежутка времени”).

То есть, прямо так и сказано, если дословно: “отрицательное количество времени”. А это сильнее, чем “отрицательное время” СМИ. Как говорится: “в аудитории присутствует минус три студента; сейчас ещё трое придут – вообще никого не останется!”. Скаляр – не скаляр, но журналисту тут и придумывать не нужно ничего. Для полноты картины: конечно, тут же, прямо в аннотации работы, уточняется, что речь идёт о значениях, принимаемых переменными (параметрами времени в уравнениях, вообще говоря) в рамках некоторой интерпретации модели, стоящей за экспериментом.

Phys.Org сообщает, что авторы в курсе “споров вокруг провокационного названия работы”, но авторы также указывают, что пока ни один “серьёзный учёный” экспериментальные результаты (видимо, про “отрицательный интервал времени”) не оспаривает.

Интересный аспект, непосредственно связанный с обобщёнными “квантовыми компьютерами”: влияние гравитационного замедления времени. Это достаточно новая тема, но уже определили, что практические “квантовые часы” чувствительны к гравитационному потенциалу Земли на дистанциях, измеряемых сантиметрами. То есть, замедление времени (time dilation), связанное с гравитационным потенциалом, соответствующий генератор частоты определяет при изменении высоты, предположим, на пару сантиметров. Тут, конечно, не очень понятно, что через что определяется: гравитация через замедление времени или наоборот, но это не означает, что данный эффект, – пограничный, грубо говоря, для квантовой механики и общей теории относительности, – нужно сразу отбросить.

Популярные изложения физики нередко определяют пространство для классической механики, с абсолютным временем, как “феномен”, к которому можно привязать оси, образующие кортежи чисел – читай, координаты точки в пространстве-времени: (t, x, y, z). Тут должно быть много оговорок про метрику, векторы и т.д. Но популярные изложения постоянно используют что-то вроде евклидова пространства, так что, наверное, понятно о чём речь. Потому что интереснее другое: редко кто при этом объясняет, почему бы не поступить наоборот, а именно – сказать, что совокупность свойств кортежей чисел это и есть то, что само задаёт пространство, а не описывает. (Что такое тензор? Это элемент тензорного произведения.) При этом, привычно добавляя в кортеж “время” в качестве “ещё одной обычной оси измерения”, можно учитывать, что с алгебраической точки зрения трёхмерное и четырёхмерное пространства заметно отличаются: например, в четырёхмерном пространстве добавляется ещё один правильный многогранник.

Однако, как бы там ни было, но в таком “блочном” пространстве-времени – нет времени. Почти что каламбур. Уж точно нет “хода времени” (совсем другой феномен, между прочим). Поэтому, с одной стороны, гравитационное замедление времени в квантовых часах может быть проявлением некоторого эффекта, блокирующего осуществление квантовых вычислений. Тогда придётся искать то ли какую-то особую “антигравитацию”, то ли “гиперплоское” место в пространстве-времени, где гравитация не мешает. Но, с другой стороны, может же выйти и наоборот: если есть какой-то способ проваливаться в разное “время” на уровне квантовых схем, то так и фантастическая схема с экспоненциальным повышением частоты начнёт срабатывать. Скажем, для завершения вычислений требуется количество тактов, эквивалентное двум триллионам лет, но это если считать по “кварцу” в настенных часах, а если считать по внутреннему квантовому времени, то по настенным часам выйдет одна секунда, не более. Нет, речь тут вовсе не про известный “парадокс близнецов”, поскольку гравитационное замедление времени – это другой эффект: никто никуда не летит на ракете, но изменяется гравитационное искривление где-то там на уровне ниже планковской длины.

Всё это фантастика. Время сложно определить. Понятно, что “ход времени” выглядит воображаемой категорией: в тех или иных часах, на стене или в экспериментальной установке, всё равно какой-то кварц или атомный генератор секунд. Как он срабатывает в заданной реальности – узнать по показаниям часов нельзя. Но если гравитационное замедление в масштабе пикосекунд кажется слишком маленьким, чтобы помешать квантовой реализации алгоритма Шора, то учитывайте, что в формулах, моделирующих квантовое преобразование Фурье, появляются несравнимо меньшие числа, и их необходимо учитывать, строя хронометраж.

Один из долгоиграющих примеров, позволяющих иллюстрировать искажения “физических теорий”, это, конечно “принцип неопределённости Гейзенберга”. Вот в русскоязычной “Википедии” по теме этого принципа не только умные слова про какие-то “некоммутрирующие операторы” написаны, но и сказано, буквально, следующее:

“Согласно принципу неопределённости у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость (импульс)”.

Казалось бы, можно задуматься: а возможно ли вообще измерить какие-то такие параметры точно?

– Периметр шляпки этого гвоздя – один метр точно!
– А вы по орбитам электронов посчитали? А то у меня почему-то всё время три километра получается.

Скажем, не так давно был ещё единственный в мире механический артефакт, который весил абсолютно точно один килограмм. Потому что это был эталон килограмма из международного бюро. Ну так, с одной стороны, измерить его, в общепринятом смысле, все равно было невозможно – как вы станете измерять эталон? Это примерно как время определять через площадь секундной стрелки судового хронометра, упирая на то, что он в латунном корпусе.

С другой стороны, от эталона килограмма сейчас вовсе отказались, ибо фундаментальная физика измерений – это, всё же, про соотношения, а не про точность и тщательность сдувания пылинок. Отсюда, кстати, всего пара шагов до понимания упомянутого принципа неопределённости, но только не нужно идти в сторону “невозможной” точности “одновременных” измерений.

Что произойдёт с лабораторным прибором, которым экспериментатор попытается “точно измерить” импульс частицы, предварительно локализовав эту частицу в пространстве тоже точно? Видимо, из прибора пойдёт дым и отвалится стрелка, показывающая значение импульса. А всё потому, что нет эталона.

Конечно, проблема в том, что частица в исходной иллюстрации принципа неопределённости вполне явно подразумевается в виде “очень маленького синего шарика”. То есть, если частица – электрон, то сперва вводится существование электрона-шарика, с “точным импульсом и положением”, а потом утверждается, что, якобы, эти точные импульс и положение нельзя измерить. Физика, как бы, всё равно “классическая”, но вот введём запрет на одновременную точность – получится уже квантовая физика. Из чего, кстати, повсеместно выводится та самая мнимая “контринтуитивность”, которую потом используют в популярных статьях.

Принцип неопределённости Гейзенберга не запрещает одновременно измерять положение и импульс с любой доступной оборудованию и методу подсчёта погрешностей точностью. Он не про измерения шариков, а про связь результатов измерений. На уровень выше. Этот принцип задаёт интервалы вероятности для “измеримых” величин и, в частности, связывает один параметр с другим (например, условный “импульс” с не менее условными “координатами”) через шкалу, доступную экспериментатору: сжав шкалу для “пространства” – нужно ожидать расширения шкалы для “импульса”. Но данная модель не рассматривает тот же электрон как “маленький синий шарик”, не запрещает никаких “одновременных измерений”.

Интересно, что неравенства, используемые для записи параметров этого самого принципа неопределённости, содержат постоянную Планка. И вот значение этой постоянной не так давно стало подлинным рациональным числом. Это значение, сколь бы квантовым оно ни казалось с популярной точки зрения, теперь можно знать абсолютно точно: 6.62607015*10^(-34) J/Hz. Значение зафиксировали. Что, кстати, имеет непосредственную связь с отменой определения килограмма через эталон.

Впрочем, всю рациональность портит деление на π – ведь там “h с чертой”. Так что можно продолжать уточнять цифры десятичного разложения.

Сейчас много новостей про то, что в Google “совершили прорыв в квантовых вычислениях”, представив “метод коррекции ошибок”. Обычное для текущего уровня “хайпа” состояние, тем более, когда в источнике новости упоминается Google.

Вообще, если почитать соответствующий препринт, то окажется, что действительно интересных выводов там три, но ни один из них не попадает в заголовки СМИ: во-первых, в предложенной схеме коррекции тут же обнаружились новые “ошибки, природа которых пока не ясна”; во-вторых, очередной раз указано, что так как для дешифрования вывода “квантовых вычислений”, использующего коды коррекции, требуется классический вычислитель, то ещё предстоит определить, не окажется ли задача дешифратора экспоненциально сложной для этого классического компьютера; в-третьих, речь вообще не про универсальные квантовые вычисления, а про реализацию некоторых кодов для небольшого количества кубитов конкретных лабораторных устройств.

Первый аспект – “новые ошибки”, – выглядит как намёк на те самые дополнительные кубиты, которые необходимы для коррекции ошибок в схеме коррекции ошибок: такая иррациональная рекурсия, в стиле вычисления точной десятичной записи значения корня из двух.

Второй аспект, про необходимый “классический вычислитель”, указывает на то, что без классического компьютера квантовый аналоговый вычислитель бесполезен даже в качестве лабораторной установки, и при этом экспоненциальный рост сложности, соответствующий моделированию квантовых алгоритмов на классических компьютерах, вполне может вылезти в процессе коррекции ошибок (что, наверное, будет особенно обидно).

Занятно, что в исходной работе нет хотя бы примерных описаний используемой “классической аппаратуры” – она как бы подразумевается существующей “за кадром”, в виде “специализированной рабочей станции” с доступом по Ethernet. Наверное, это не имеет отношения к теме публикации (хотя, казалось бы – ведь классический вычислитель точно необходим, чтобы вся эта квантовая коррекция ошибок как-то заработала).

Ну и аспект третий, – “квантовые вычисления”, – самый “хайповый”: исходная работа – про оценки порога для реализации коррекции ошибок в “квантовой памяти” (что бы это ни значило), а не про универсальные вычисления, требующие, дополнительно, совсем других элементов.

Нобелевскую премию по физике присудили за “создание неросетей”. Это, конечно, несколько условное определение: если почитать прилагаемое к решению “научное описание“, то окажется, что речь про новые методы – про “нейросети”, используемые в качестве инструмента при обработке данных.

Используются ли в современной физике нейросети с машинным обучением? Используются, и достаточно широко, и не только в экспериментальной части. Даже хоть бы вот и при написании статей (читай – LLM). Но и кроме этого – машинное обучение и нейросети обозначаются в качестве инструмента в работах, результаты которых сами физики считают существенными. А в профильных вузах “методы машинного обучения в обработке данных” – входят в программу обучения (не машинного, а студенческого), в том или ином виде. Да, это методологическое явление, конечно, но и деятельность Нобелевского комитета – тоже относится к области методологии и администрирования, с прицелом на общую медийную реальность.

Хорошо ли, что в физике используются нейросети с машинным обучением? Это уже определяется не нейросетями. Если физик-пользователь сохраняет понимание, что исследователь – это он, а “нейросети с обучением” всего лишь дают компьютерный метод подбора коэффициентов при помощи оптимизированного перебора, то всё неплохо. В конце концов, при взгляде со стороны, предположим, современная “физика элементарных частиц” всё больше похожа на странное торжество принципа опровержимости, выразившееся в непрекращающихся попытках уточнения коэффициентов, с которыми в формулы входят всё более дальние знаки записи десятичного разложения числа Пи. Но физики, скорее всего, представляют процесс совсем иначе.

Если же на первый план выходит “искусственный интеллект”, который “видит непостижимые закономерности“, а исследователя-физика предлагается заменить на динамические результаты машинного перебора, то это уже не так хорошо, но всё равно не плохо: куда деваться – в условиях Нового средневековья просто должен быть именно такой аспект, связанный с ИИ, как с “волшебной коробкой” или, если хотите, как с “чёрным ящиком”.

Как понять, что факторизация числа 15 не может ничего говорить о реализации квантового алгоритма Шора? Понять это несложно: один из делителей числа 15 должен быть меньше 4 (потому что 4^2 == 16), единица не рассматривается по условиям задачи, и это не 2 (потому что только нечётные подходят). Так что любой процесс поиска, каким бы аналоговым он ни был, если вообще сходится, то неизбежно попадёт в 3, что и будет верным ответом.

Заметьте, что ещё и 5 = 3 + 2, а простых чисел, меньших 15, только шесть: поэтому, учитывая, что умножение здесь коммутативно (это очень важно для квантовых алгоритмов), число 2 отбрасывается, а схема поиска расщепляется на пары, то, в самом худшем случае, вероятность, что аналоговый аппарат, состояния которого переключаются по возможным узлам дерева, промахнётся – меньше трети. (На практике, ещё раз, для промахов там просто нет места.)

Продемонстрировано извлечение данных, раскрывающих секретный ключ ECDSA, из аппаратных токенов YubiKey при помощи ПЭМИН (то есть, побочных электромагнитных излучений и наводок). Используется утечка информации о внутреннем состоянии микроконтроллера при выполнении математических операций (алгоритм Евклида при вычислении обратного элемента, которое необходимо в ECDSA). По ссылке выше – очень большое описание, потому что атака сложная, требуется достаточно хитрая аппаратура и нужен не просто физический доступ, но необходимо разобрать токен. (via)

С одной стороны, сразу вспоминается контейнер, механически защищённый от несанкционированного доступа: то есть, если бы было предусмотрено физическое разрушение токена при попытке вскрытия корпуса, то атака стала бы ещё сложнее (понятно, что всё равно можно вскрыть и разобрать, но трудностей, при правильной конструкции, можно добавить немало – есть даже специальное направление исследований: как лучше устроить саморазрушаемые чипы).

С другой стороны – работающая аппаратура так или иначе уязвима к утечкам по побочным каналам: если состояние изменяется, то это изменение можно отследить и использовать. Большой вопрос: можно ли вообще на практике вычислять что-то содержательное (типа подписи с постквантовой стойкостью, скажем) так, чтобы внешний наблюдатель, в электромагнитных деталях фиксирующий “переключения триггеров”, не мог вычислить секрет. Скорее всего – нет, нельзя, а данные через побочные каналы утекают даже при передаче уже обработанной информации, и даже при использовании абсолютно стойких (математически) шифров.

Кстати, не совсем по теме алгоритма Евклида в микроконтроллерах, но тоже интересно: квантовая криптография, которую, почему-то, повсеместно называют “абсолютно защищённой законами физики” (или что-то такое) – тут тоже не помогает никак: утечки состояния оборудования, создающего “квантовый канал”, вполне себе раскрывают “нераскрываемые” секреты. Понятно, что квантовая криптография – это про передачу данных. Однако декларируемая защита “физическими законами” – это лишь результат экспериментального применения некоторой модели, которая явно неполна, а дополнения и уточнения к ней – вполне себе могут принести каналы утечки уже на квантовом уровне.

Объяснение, что “кубит находится одновременно в двух состояниях” – не слишком хорошее. Гораздо лучше говорить, что состояние кубита, взятое “в нулях и единицах”, не определено до момента измерения. Изменение распределения этой неопределённости при помощи преобразований конфигурации системы, с учётом будущих и потенциально возможных измерений, как раз и составляет теоретическую полезность квантовых вычислений. То есть, нет “нулей”, нет “единиц” – есть взаимодействующие неопределённости и теоретические алгоритмы, сужающие конфигурацию пространств вариантов, доступных на границах, по которым происходит взаимодействие (квантовое преобразование Фурье, предположим).

Откуда планируется брать “вычислительные мощности” для квантовых вычислений? Представление об этом позволяет составить полезная интерпретация двухщелевого опыта: здесь отдельный фотон в элементарной итерации регистрируется в одной (случайной) точке экрана и не регистрируется во всех других точках; при этом накопленная картина для двух щелей не совпадает с наложением картин, которые даёт каждая из щелей в отдельности. То есть, можно предположить, что регистрация фотона моментально отключается для прочих точек экрана в результате работы некоторого механизма, обеспечивающего и вычисление изменений в картину для двухщелевой конфигурации. Вот на этом загадочном гипотетическом механизме и предлагается выполнять квантовые вычисления.

Фольклорная интерпретация термина “квантовый компьютер” строится на предположении, что характеристика “квантовый” отражает последовательное уменьшение линейных размеров микроэлектронных элементов: “сначала процессоры строили по “микрометровой” технологии, потом – из сотен нанометров, потом – уменьшили до десятков нанометров, а следующий шаг уменьшения – это уже и есть “квантовые” компьютеры”. Занятно, что, с некоторыми оговорками, это описание вполне годится в качестве верхнеуровневого объяснения наблюдаемой на практике ситуации.

Так, во-первых, попытка создания универсальных квантовых компьютеров – это попытка пройти на уровень, находящийся ниже не только всех этих полупроводников, но и ниже отдельных электронов. Во-вторых, для того, чтобы на этот уровень пройти, требуется создание инструментов для манипулирования отдельными частицами, с минимальными затратами энергии на вычисления и с минимальным временем выполнения операций, так что, когда (и если) окажется, что квантовый компьютер сделать не получается, технические результаты можно будет попробовать использовать для создания “ультракомпактных” вычислительных элементов, возможно, с трёхмерной вычислительной архитектурой.

Существует много интерпретаций квантовой механики, а та упрощённая теория, собирательно называемая “квантовой механикой” в массовом научпопе, неполна. Это, как минимум, означает, что за квантово-механическими опытами и явлениями стоит более глубокий механизм (отдельная тема), свойства которого пока что физиками-теоретиками не схвачены в точности, а поэтому даже в экспериментах ещё не используются – есть только предварительные гипотетические описания и предположения.

Но тут проявляется занимательный практический момент: вот есть “квантовая криптография” – способ создания физического защищённого канала связи, в котором оценка надёжности сигнализации об утечке основана на действующих квантово-механических допущениях; но может так оказаться, что через какое-то время предложат гипотетический “постквантовый компьютер” (условное название), который, используя ту или иную новую интерпретацию, позволит моделировать состояние квантовых систем на основе детектирования ранее скрытых параметров и, тем самым, предсказывать результат измерения для схем квантового распределения ключей достаточно точно и даже постфактум, из другой точки привычного пространства. (Аналогично тому, как сейчас побочные сигналы позволяют определять конфигурацию аппаратуры.) Конечно, эти скрытые параметры могут образовывать сложную, рекурсивную структуру, что делает затруднительным вычисление на “обычном компьютере”, и только поэтому соответствует описаниям современного аппарата квантовой механики. Однако тот самый гипотетический “постквантовый компьютер”, используя новые физические процессы, позволит, в теории, сложности даже не преодолеть, но обойти.

Возникнет ситуация, когда стойкости квантового распределения ключей (“квантовой криптографии”) будет угрожать создание “постквантового компьютера”. Естественно, “квантовая криптография” – это, в математическом смысле, не криптография, а поэтому ситуация отличается от современных постквантовых криптосистем и “угрозы квантового компьютера” (без “пост-“), но это только добавляет занимательности, поскольку тут развитие фундаментальной физики позволит повлиять на физический же метод обнаружения перехвата сигналов.