Интервью с Леонардом Сасскиндом: квантовая информация, гравитация и голография

Физики уже не одно десятилетие пытаются объединить две монументальные концепции прошлого века: общую теорию относительности и квантовую механику. Хотя окончательное решение еще не найдено, этот путь привел к удивительным открытиям. Одним из ключевых двигателей этих изысканий стал Леонард Сасскинд, внесший огромный вклад в формирование самых поразительных гипотез квантовой гравитации — голографического принципа, ландшафта теории струн и комплементарности черных дыр. Он также известен как блестящий автор и популяризатор сложных научных парадигм. В этой беседе мы затронем тему черных дыр, квантовой механики и наиболее перспективных направлений квантовой гравитации.

Леонард Сасскинд получил докторскую степень по физике в Корнеллском университете и в настоящее время является профессором физики имени Феликса Блоха в Стэнфорде. Его труды обогатили множество областей теоретической физики: от теории струн, решеточной калибровочной теории и динамического нарушения симметрии до голографического принципа, матричной теории, космологического мультиверса и квантовой информации. Сасскинд написал несколько книг, включая знаменитую учебную серию «Теоретический минимум». Среди его многочисленных регалий — премия Сакураи и медаль Оскара Клейна.

Введение

ведущий: Всем привет и добро пожаловать в подкаст Mindscape. Я ваш ведущий, Шон Кэрролл. Думаю, сегодняшний выпуск без преувеличения можно назвать тем, которого сообщество Mindscape ждало с огромным нетерпением. Обычно я довольно упрям: когда множество людей требует от меня определенного шага, во мне просыпается склонность сопротивляться. Но на этот раз коллективный разум указал абсолютно верное направление.

Мы невероятно рады приветствовать в подкасте Ленни Сасскинда. Его научные и научно-популярные труды, включая «Теоретический минимум», мастерски сочетают доступность изложения с математической строгостью. В академических кругах Ленни легендарен как рассказчик, наставник и визионер, определяющий вектор развития всей дисциплины. Тем, кто с ним еще не знаком, предстоит подлинное удовольствие — как от его харизмы, так и от обсуждаемых тем. Ленни стоял у истоков теории струн, внес весомый вклад в квантовую теорию поля и Стандартную модель, а сегодня, в свои 78 лет (интервью записано в 2019 году), он возглавляет работы по разрешению парадокса исчезновения информации в черных дырах.

Эта головоломка досталась нам в наследство от Стивена Хокинга, который в 1970-х осознал, что черные дыры излучают энергию. Возникает вопрос: если бросить в черную дыру информацию, возвращается ли она с этим излучением, и если да, то как? Как уже отмечалось, Ленни — ведущий исследователь этой проблемы, которая служит важнейшим ключом к построению полноценной теории квантовой гравитации. Именно она привела нас к соответствию AdS/CFT, концепции «информации из кубитов» (IT from Qubit) и множеству идей, раздвигающих горизонты нашего понимания.

Поэтому сегодня мы постараемся предельно понятно объяснить эти сложные концепции и передать тот восторг, который мы с Ленни — физики, работающие в смежных областях — испытываем от текущего прогресса и будущих открытий. Так что пристегните ремни, путешествие обещает быть захватывающим. Поехали.

ведущий: Ленни Сасскинд, добро пожаловать в Mindscape.

Леонард Сасскинд: Привет, как дела?

ведущий: Я хотел бы задать вопрос, который часто адресуют специалистам: считаете ли вы себя теоретиком струн? Используете ли этот ярлык для самоопределения?

Леонард Сасскинд: Вообще-то нет, абсолютно. Изначально моя работа была с этим тесно связана, да и позже тоже, но я предпочитаю называть себя просто физиком-теоретиком.

ведущий: Пожалуй, это мудрее, ведь тогда открыты любые горизонты, верно? [посмеивается]

Леонард Сасскинд: Именно. Занимаешься тем, что вызывает интерес. В разное время меня привлекали совершенно разные вещи, и я привык доверять своей интуиции.

ведущий: Верно. Если подвести некий итог: каково ваше видение текущего положения теории струн и ее перспектив?

Леонард Сасскинд: Да, определенное мнение у меня есть. Я не берусь утверждать, станет ли она так называемой «теорией всего» — терпеть не могу этот термин, но тем не менее, — и сможет ли она в какой-то из своих модификаций досконально описать реальный мир. Однако я точно знаю, чего она уже добилась. Она предоставила нам исключительно точные математические модели, описывающие гравитацию, электродинамику, фермионы, бозоны и другие виды частиц, которые мы наблюдаем в природе. Все эти элементы там действительно присутствуют.

Теория струн создала строгий математический каркас для проверки гипотез. Пожалуй, главным достижением стало доказательство того, что квантовая механика и гравитация могут математически согласованно и непротиворечиво объединяться в рамках единой структуры. Это колоссальный прорыв.

ведущий: Даже если это описание не относится напрямую к нашей Вселенной, сама возможность существования такой модели в математическом пространстве уже показательна.

Леонард Сасскинд: Совершенно верно. Мы теперь точно знаем, что эти две теории совместимы. Идея о принципиальной несовместимости квантовой механики и гравитации оказалась ошибочной.

Парадокс информации в черных дырах

ведущий: Одной из путеводных звезд в этих поисках служат энтропия и испарение черных дыр. Вы написали потрясающую книгу на эту тему — «Война за черную дыру» (The Black Hole War). Вы вообще авторов многих замечательных книг, но эта особенно хороша.

Леонард Сасскинд: Нет, не многих.

ведущий: Ну хорошо, парочки.

[посмеивается]

Леонард Сасскинд: Нескольких.

ведущий: Я писал хвалебные рецензии на пару из них, так что обязан называть их прекрасными.

Леонард Сасскинд: Я спорил не с тем, хороши ли они, а с их количеством.

[посмеивается]

ведущий: Итак, к какому выводу мы приходим? Предположим, наши слушатели слышали об испарении черных дыр, но не вдаются в детали. Многие интуитивно чувствуют, что здесь кроется фундаментальный урок квантовой механики. В частности, информация, составляющая черную дыру, куда-то исчезает. Как вы трактуете эту загадку — это наследие, оставленное Стивеном Хокингом?

Леонард Сасскинд: Верно. Стивен задал поистине глубокий, эпохальный вопрос. Не будем даже спорить о том, был ли его собственный ответ безупречным: порой постановка задачи оказывается важнее и долговечнее попыток ее решить. Полагаю, именно так обстоит дело с наследием Стивена. Этот вопрос доминирует в тех областях физики, которые занимали меня последние два-три десятка лет.

Стивен сформулировал простую дилемму: если в черную дыру падает объект, а сама она со временем испаряется, то по определению упавшее содержимое не может выбраться наружу. Что же происходит с информацией? Можно долго спорить о том, что именно мы подразумеваем под информацией, но в глобальном смысле: можно ли теоретически восстановить упавшее в черную дыру вещество, анализируя выходящее излучение? Предположим наличие фантастических, недоступных нам технологий, но физически допустимых — возможно ли это в принципе?

Напряжение возникло потому, что стандартная квантовая механика постулирует: информация никогда не теряется безвозвратно. Зная состояние системы после процесса, мы всегда можем математически восстановить ее состояние до него. Это незыблемый принцип. Черные дыра же казались ловушками, уничтожающими всё, что пересекало их горизонт событий. Возникло противоречие: выпускают ли они информацию обратно или нет?

ведущий: Именно так.

Леонард Сасскинд: Практический вопрос звучал так: когда черная дыра испаряется, образуются потоки излучения. Можно ли из этих продуктов испарения заново воссоздать упавший в нее предмет? Стивен утверждал: «Нет», опираясь на неизбежность гравитационного пленения. Другие исследователи, включая меня, настаивали: «Нет, это должно быть возможно, поскольку законы квантовой механики этого требуют». Кто же победил? Я бы сказал, что победила квантовая механика.

[смех]

ведущий: Хочу упомянуть забавную статью философа Тима Модлина. Вы ее не читали?

Леонард Сасскинд: Нет, не довелось.

ведущий: Он рассуждает в следующем ключе: понятие времени в общей теории относительности устроено тоньше, чем кажется. Мы можем рассматривать Вселенную как совокупность двух областей — пространства снаружи черной дыры и внутри нее. Иными словами, пространство-время распадается на две части. Тогда время идет дальше, а информация технически не теряется на уровне полной волновой функции, а просто навсегда остается запертой в черной дыре, выступающей в роли дочерней вселенной. Близко ли вам такое решение?

Леонард Сасскинд: Нисколько.

ведущий: Почему?

Леонард Сасскинд: Черная дыра испаряется. Она полностью исчезает.

ведущий: Она исчезает при одном разрезе пространственно-временного континуума, но при другом…

Леонард Сасскинд: Послушайте, на практике, в лаборатории, черная дыра аннигилирует. Не остается даже микроскопического остатка, который указывал бы на ее прошлое присутствие. Остается лишь хокинговское излучение. Законы квантовой механики требуют, чтобы оно несло в себе информацию. Можно ли изощряться и придумывать лазейки? Безусловно. Но вернемся к вашему первому вопросу о теории струн: она предоставляет нам безотказный инструмент для проверки подобных гипотез в строгом математическом контексте. И вердикт этой математики однозначен: из черной дыры ничто не исчезает бесследно.

ведущий: То есть все остается на месте.

Леонард Сасскинд: Именно так. Этот результат чрезвычайно надежен. В конце концов, даже Стивен признал…

ведущий: Да, под конец жизни он изменил свою точку зрения и отказался от прежней позиции.

Леонард Сасскинд: В конце концов — да.

ведущий: Он был упрямым человеком.

Леонард Сасскинд: Невероятно упрямым.

ведущий: Но умел признавать правоту при появлении веских доводов.

Леонард Сасскинд: Абсолютно верно.

ведущий: Итак, часто этот парадокс иллюстрируют так: если бросить в черную дыру книгу, то квантовая механика утверждает, что, тщательно изучив все испускаемое излучение, мы принципиально способны эту книгу восстановить.

Леонард Сасскинд: Да. Хотя в квантовой механике само слово «измерить» нагружено глубочайшим смыслом.

ведущий: Безусловно.

Леонард Сасскинд: Действовать нужно осторожно, но в определенном смысле…

ведущий: Книга сохранена, независимо от того, удастся ли нам её прочитать. Информация на месте.

Леонард Сасскинд: Да, да.

ведущий: Давайте разберем мысленные эксперименты. В конце концов, пока мы не умеем создавать черные дыры в лаборатории и наблюдать их испарение, верно?

Леонард Сасскинд: Ну, кто знает. Пока точно не умеем.

Комплементарность и запрет клонирования

ведущий: Верно. Возникает ли при падении книги в черную дыру дублирование информации — когда одна копия уходит внутрь вместе с наблюдателем, пересекая горизонт, а вторая уносится наружу с хокинговским излучением?

Леонард Сасскинд: Это интересная гипотеза. Согласно одной из моделей, информация действительно копируется: одна копия падает под горизонт, позволяя наблюдателю беспрепятственно ее увидеть, а вторая излучается наружу. Как говорится, и волки сыты, и овцы целы.

ведущий: Да, идеальный компромисс.

Леонард Сасскинд: Звучит заманчиво, но загвоздка в том, что квантовая механика запрещает клонирование информации. Подлинную квантовую информацию невозможно продублировать. Поначалу мне казалось, что я открыл этот принцип сам и даже назвал его «невозможностью квантового ксерокопирования», но выяснилось, что до меня это доказали другие теоретики, и в науке это закрепилось как теорема о запрете клонирования.

ведущий: Совершенно верно.

Леонард Сасскинд: Это фундаментальное свойство квантового мира: точное состояние системы скопировать нельзя. Спасти ситуацию простым тиражированием информации не удается. С другой стороны, что, если клонирование все же происходит, но сама вселенская маскировка устроена так, что этот факт принципиально невозможно обнаружить?

ведущий: Должно ли это нас утешить? Важно ли вообще, способны ли мы зафиксировать этот процесс?

Леонард Сасскинд: Разумеется, физика — эмпирическая наука, и введение в теорию ненаблюдаемых сущностей меня настораживает. Я не призываю полностью избегать эмпирически проверяемых абстракций, но определенная осторожность необходима. Тревожно, если законы физики гарантируют, что любая попытка зафиксировать запрещенное дублирование обречена на провал.

Приведу пример. Гейзенберг доказал, что невозможно одновременно с абсолютной точностью узнать и положение, и импульс частицы. На первый взгляд кажется странно: частица — это просто маленький объект, у нее есть координаты в разные моменты времени, значит, она движется с определенной скоростью, почему же нельзя измерить все сразу?

ведущий: Отличная аналогия.

Леонард Сасскинд: Верно. Но квантовая механика устроена так, что попытка измерить один параметр неминуемо нарушает другой. Природа сама устанавливает запрет на одновременное точное знание и позиции, и скорости. Было бы идеально, если бы теория изначально исключала даже постановку подобных экспериментов, либо доказывала, что обнаружить нарушение принципа никому не удастся.

ведущий: Как эвереттианец, я бы сказал, что понятий «положение» или «скорость» в классическом смысле вообще не существует — есть только волновая функция.

Леонард Сасскинд: Называйте как угодно.

ведущий: Суть та же.

Леонард Сасскинд: Моя позиция в том, что квантовая механика не запрещает частице обладать координатами и скоростью одновременно. Она говорит лишь о том, что любой измерительный прибор неизбежно повлияет на систему. Возвращаясь к черным дырам: дублируется ли информация при падении? Если законы квантовой гравитации устроены так, что любая попытка зафиксировать дублирование обязательно провалится — измерив внешнее излучение, вы упускаете внутреннее, и наоборот, — то мы имеем дело с аналогом принципа неопределенности. Это моя текущая точка зрения.

ведущий: То есть наблюдатель, стоящий снаружи, собирающий излучение, а затем стремительно ныряющий внутрь, чтобы прочесть книгу, — такого сценария быть не может?

Леонард Сасскинд: Можете попробовать, но результат будет плачевным. Расчеты показывают, что пока вы ждете снаружи накопления информации из излучения, прыгнув внутрь, вы обнаружите, что первая копия уже упала в сингулярность и уничтожена.

ведущий: Достать ее уже не выйдет.

Леонард Сасскинд: Именно. Это не просто умозрительное заключение, а следствие геометрических расчетов. Узнать одновременно о содержимом внутри и снаружи не удастся: на расшифровку излучения уходит столько времени, что к моменту вашего прыжка упавший объект уже достигает сингулярности.

ведущий: Разумеется, прыгнув внутрь сразу, книгу прочесть можно, но…

Леонард Сасскинд: Обратного пути нет.

ведущий: Вырваться наружу уже не удастся. Получить доступ можно лишь к одной из копий, но никогда к обеим сразу.

Леонард Сасскинд: Совершенно верно.

ведущий: Каковы глобальные выводы для нашего понимания черных дыр и квантовой механики?

Леонард Сасскинд: Нам придется смириться с тем, что квантовый мир гораздо строже классического. Классическая физика разрешала одновременно знать координаты и импульс, фазу и энергию волны. В квантовой механике требуется железобетонная последовательность. Столкнувшись с кажущимися противоречиями, нужно перепроверять исходные допущения, особенно когда в ход идут принципиально ненаблюдаемые величины.

ведущий: Для неподготовленного слушателя проблема сохранения информации в черных дырах может показаться эзотерической абстракцией. Однако она имеет революционные последствия для самой природы пространства и времени, которые мы привыкли считать ареной для размещения объектов.

Леонард Сасскинд: Совершенно верно.

ведущий: А теория говорит, что вопрос «где именно находится информация?» некорректен.

Леонард Сасскинд: Да, вопрос о точных координатах информации бессмыслен. Осмыслен лишь вопрос о том, где мы ее обнаружим при конкретном протоколе измерений. Разные способы сбора данных могут давать разные ответы — один скажет «здесь», другой «там», — и противоречия не возникнет, поскольку провести обе процедуры одновременно ни один наблюдатель не в силах.

ведущий: Не несет ли такой подход привкус антропоцентризма, возвращая субъектность наблюдателя в физику?

Леонард Сасскинд: Как говорится, поезд уже ушел.

[смех]

Леонард Сасскинд: Вернее, лошадь уже сбежала из конюшни.

ведущий: Да уж.

Леонард Сасскинд: Это произошло еще в 1926 году.

ведущий: С приходом квантовой механики.

Леонард Сасскинд: Именно так.

ведущий: Справедливо. Кстати, разделяете ли вы многомировую интерпретацию Эверетта или остаетесь агностиком в вопросах фундаментов квантовой теории?

Леонард Сасскинд: Пожалуй, я бы назвал себя агностиком.

ведущий: Понятно.

Леонард Сасскинд: Процитирую моего старого друга Ричарда Фейнмана: «Эта тема настолько запутанна, что я даже не могу сформулировать, в чем здесь проблема».

[посмеивается]

Леонард Сасскинд: Когда ему задали вопрос об интерпретациях, он ответил ровно так же. Квантовая механика работает безотказно, и я не жду экспериментов, которые ее опровергнут. Но связь между математическими символами и тем, что мы называем реальностью — это глубочайшая, возможно, неразрешимая загадка.

Я разделяю как фейнмановский скептицизм, так и убежденность Хью Эверетта в том, что квантовую реальность следует описывать без искусственного коллапса волновой функции. Одно я знаю наверняка: мы не дойдем до конца истории, пока не построим теорию квантовой гравитации.

ведущий: Интригующе.

Леонард Сасскинд: Слишком многое в квантовой механике и гравитации переплетено нетривиальным образом. Без понимания этой связи, а также космологических горизонтов, формулировать окончательные ответы преждевременно.

ведущий: На это может уйти много времени.

Леонард Сасскинд: Боюсь, при моей жизни это не случится.

ведущий: Ну, я оптимист, мы работаем над этим. [посмеивается]

Леонард Сасскинд: Вы оптимист, а мне 78. [посмеивается]

ведущий: Мы трудимся в поте лица. Вы отлично выглядите, кстати. [посмеивается] Итак, возвращаясь к теме: если информация не имеет единственной локализации, это подтверждает идею о черной дыре как о проявлении комплементарности?

Леонард Сасскинд: Да. В том же смысле, в каком Боровская дополнительность описывала взаимоисключающие эксперименты для координаты и импульса. Нельзя измерить всё сразу, выбор зависит от метода эксперимента. Я заимствовал этот термин именно в таком ключе.

ведущий: К счастью, Нильс Бор выражался достаточно туманно…

Леонард Сасскинд: Верно, его формулировки давали простор для трактовок.

ведущий: Вы в безопасности.

Леонард Сасскинд: Абсолютно.

Голографический принцип

ведущий: С испарением черных дыр тесно связана другая концепция, в развитие которой вы внесли ключевой вклад — голографический принцип. Почему кому-то вообще пришла в голову идея о том, что вся информация о внутреннем объеме черной дыры закодирована на ее поверхности?

Леонард Сасскинд: Всё упирается в ограничения на максимальный объем информации, вмещающийся в заданную область пространства. Труды Бекенштейна, Хокинга, ‘т Хоофта и мои собственные показали: объем информации (число битов) в некоторой области не может превышать площадь ее поверхности.

ведущий: Да.

Леонард Сасскинд: В привычной физике мы привыкли считать, что информационная емкость пропорциональна объему. Казалось бы, помести по биту в каждую точку пространства — и дело с концом.

ведущий: Логично. [посмеивается]

Леонард Сасскинд: Логично, пока вы не вспомните, что такая плотность энергии неминуемо создаст черную дыру, чьей горизонт окажется больше исходной области. Опираясь на термодинамику черных дыр, мы с ‘т Хоофтом независимо пришли к выводу: предел информационной емкости задается исключительно площадью в планковских пикселях. Из этого следует поразительный вывод: описание трехмерного объема должно быть эквивалентно теории, записанной на его двумерной границе.

ведущий: Поясните для непосвященных, что такое «степень свободы»?

Леонард Сасскинд: По сути, это бит информации.

ведущий: Бит информации.

Леонард Сасскинд: Ноль или единица в квантовом исполнении. Если вместимость строго ограничена площадью границы, значит, реальность изнутри описывается процессами на ее внешнем периметре. Когда ‘т Хоофт впервые опубликовал эту мысль под названием «Понижение размерности в гравитации», ее почти никто не понял.

[посмеивается]

Леонард Сасскинд: И на то были причины. Термин «понижение размерности» в физике тогда использовался совсем в другом ключе, поэтому я даже не заглядывал в его статью.

ведущий: Урок молодым ученым: даже гениальные идеи теряются, если выбрать невнятное название.

Леонард Сасскинд: Верно. Мы пришли к схожим выводам независимо, но я вынес слово «голограмма» прямо в заголовок.

ведущий: Настоящая голограмма — это двумерная пленка, кодирующая трехмерную картинку.

Леонард Сасскинд: Именно. Под микроскопом это хаотичный узор точек, но в нем зашифрован полный объем. Моя статья привлекла всеобщее внимание, в то время как работа ‘т Хоофта осталась незамеченной.

ведущий: Хотя ‘т Хоофт — лауреат Нобелевской премии и создатель Стандартной модели.

Леонард Сасскинд: Да, один из моих величайших кумиров.

ведущий: Безусловно.

Леонард Сасскинд: Тем не менее, поначалу многие коллеги крутили пальцем у виска. Единственным, кто сразу оценил масштаб идеи, был Эдвард Виттен.

ведущий: Серьезно?

Леонард Сасскинд: Да.

ведущий: Эд Виттен — один из самых авторитетных современных физиков.

Леонард Сасскинд: Без сомнения. Но окончательную математическую строгость и статус железобетонного принципа этой концепции придал Хуан Малдасена.

ведущий: Идея превратилась из дикой спекуляции в рабочий инструмент.

Леонард Сасскинд: Именно так.

ведущий: То есть трехмерная реальность спроецирована на границу.

Леонард Сасскинд: На границу, да. Малдасена вывел точнейшую математическую формулировку в рамках теории струн, которую мы сегодня называем соответствием AdS/CFT.

Соответствие AdS/CFT

ведущий: Давайте разберем эту аббревиатуру. Что такое AdS и CFT?

Леонард Сасскинд: AdS — это анти-деситтеровское пространство-время. Виллем де Ситтер был астрономом начала XX века, нашедшим особое решение уравнений Эйнштейна. Я шутил, что анти-деситтеровское пространство открыла его «теушка» (игра слов: *auntie* и *anti*).

[посмеивается]

ведущий: Но де Ситтер был астрономом?

Леонард Сасскинд: Да, и выдающимся математиком, решившим уравнения общей теории относительности.

Леонард Сасскинд: Найденное им пространство де Ситтера описывает космос, в котором мы, судя по всему, живем — с положительной плотностью темной энергии.

ведущий: Верно.

Леонард Сасскинд: Но математически пространство анти-де Ситтера — с отрицательной вакуумной энергией — изучено гораздо лучше, и теория струн чувствует себя в нем превосходно, в отличие от реального деситтеровского мира.

ведущий: Пространство с отрицательной энергией вакуума звучит чужеродно для нашей Вселенной, но именно оно поддается строгому анализу.

Леонард Сасскинд: Именно. Малдасена взял теорию струн, построил на ее базе анти-деситтеровское пространство и обнаружил реализацию голографического принципа. Эд Виттен независимо описал то же самое в терминах голографии.

ведущий: Иными словами, Малдасена продемонстрировал конкретный пример: у нас есть дуальное описание физической системы. В одном случае это квантовая теория поля без гравитации на границе, в другом — гравитационная теория в объеме с дополнительным измерением. Чему нас учит этот парадокс?

Леонард Сасскинд: Гравитация не является чем-то, что нужно «квантовать» привычным методом Дирака. Обычно мы берем классическую теорию и применяем к ней процедуру квантования. С гравитацией этот фокус всегда приводил к бесконечностям и потере информации.

На мой взгляд, причина в другом: квантовая механика и гравитация настолько глубоко переплетены, что попытка искусственно разделить их на «классический фундамент» и «последующее квантование» изначально ошибочна. Они едины.

ведущий: То есть квантовую гравитацию нужно с самого рождения мыслить квантовой?

Леонард Сасскинд: Более того, признаки гравитации присущи практически любым сложным квантовым системам, даже далеким от астрофизики.

ведущий: То есть искривленное пространство-время можно промоделировать в обычной лаборатории?

Леонард Сасскинд: Грубо говоря, построив определенную квантовополевую оболочку, мы обнаружили бы внутри эффекты гравитации и черных дыр, хотя физически внутри ничего бы не оказалось.

[смех]

Леонард Сасскинд: Поразительно, но факт.

ведущий: Как далеко мы от практической реализации?

Леонард Сасскинд: Мы движемся к этому через квантовые компьютеры. Симуляция подобных систем на квантовом процессоре воспроизведет физику внутренних процессов черной дыры. Взаимодействуя с таким компьютером через интерфейс, мы в определенном смысле будем иметь дело с гравитационной системой, хотя внутри находятся лишь полупроводниковые схемы.

ведущий: Вы имеете в виду разработку совершенных алгоритмов и кодов коррекции ошибок?

Квантовые компьютеры и коррекция ошибок

Леонард Сасскинд: Коррекция ошибок — краеугольный камень квантовых вычислений. Квантовые системы невероятно хрупки: в отличие от классического бита, на который можно случайно чихнуть без последствий, кубит находится в суперпозиции, и любое внешнее возмущение разрушает данные.

ведущий: Классический бит надежен — монетка лежит себе на столе.

Леонард Сасскинд: Именно. Чихание на кубит приводит к катастрофе. Поэтому квантовым процессорам жизненно необходима аппаратная избыточность и алгоритмы коррекции ошибок. И здесь кроется невероятный сюрприз: лучшие теоретические наработки по коррекции ошибок за последние годы пришли из… физики черных дыр. Сообщество квантовых вычислений и исследователи голографии слились в мощный междисциплинарный диалог.

ведущий: Джон Уилер говорил «информация из бита», а вы утверждаете, что в основе лежит квантовая информация.

Леонард Сасскинд: Верно. С одной стороны — теоретики гравитации (Малдасена, Виттен, я), с другой — инженеры-железячники, строящие квантовые процессоры. Последние лет пять идет интенсивнейший обмен идеями.

ведущий: Например?

Леонард Сасскинд: В квантовой гравитации мы используем кротовые норы, соединяющие запутанные черные дыры. Оказывается, это точный аналог квантовой телепортации — протокола защищенной связи, передающего состояние без перемещения частиц через пространство.

ведущий: Квантовая телепортация — это реальность?

Леонард Сасскинд: Абсолютная реальность. Эксперименты проводятся в лабораториях по всему миру.

ведущий: Хотя звучит как научная фантастика — объекты не исчезают и не материализуются в духе «Звездного пути», телепортируется именно квантовое состояние.

Леонард Сасскинд: Передается информация, воссоздавая точную копию на приемном конце. И математика передачи данных через кротовые норы в точности описывает квантовую телепортацию. Сверхсветовой связи или машин времени из этого не построить, но для сверхзащищенных коммуникаций это бесценно.

ведущий: Вы упомянули совместную работу со Скоттом Ааронсоном — выдающимся специалистом по компьютерным наукам.

Леонард Сасскинд: Если бы мне сказали десять лет назад, что я буду писать статьи с информатиком, я бы посмеялся. Сегодня мы постоянно общаемся, возникло целое содружество физиков-гравитационщиков и экспертов по квантовым вычислениям.

ведущий: Займу скептическую позицию. Мы сидим в комнате со столами и стульями, а вы утверждаете, что это всего лишь проекция двумерного экрана. Насколько это обоснованно?

Леонард Сасскинд: Математическая безупречность соответствия AdS/CFT доказана для анти-деситтеровского пространства. Относится ли это к нашему деситтеровскому миру — вопрос открытый, но надежность самого математического аппарата бесспорна.

ведущий: То есть это мощнейший инструмент.

Леонард Сасскинд: Безусловно.

Вычислительная сложность и физика черных дыр

ведущий: Поможет ли это нам понять реальное пространство-время или останется уделом разработчиков квантовых алгоритмов в Google?

Леонард Сасскинд: Кстати, мы беседуем в офисе Google X, где я консультирую специалистов. Но влияние взаимно. Пожалуй, важнейшим заимствованием из информатики стала концепция «вычислительной сложности», нашедшая прямее применение к внутренностям черных дыр.

ведущий: Что такое сложность в данном контексте?

Леонард Сасскинд: Это минимальное количество элементарных шагов, необходимых для перехода из состояния A в состояние B. Меня всегда завораживало, почему одни математические теоремы доказываются легко, а другие требуют титанических усилий вроде проблемы четырех красок. Сложность объекта или теоремы измеряется минимальной длиной логической цепочки из базовых операций.

ведущий: И как это связано с черными дырами?

Леонард Сасскинд: Эволюционирующая черная дыра производит квантовое вычисление. Колоссальным открытием стало то, что рост внутреннего объема черной дыры в точности соответствует нарастанию вычислительной сложности ее квантового состояния.

ведущий: Потрясающе. Конвергенция физики черных дыр и теории алгоритмов.

Леонард Сасскинд: Это передний край науки. Подобные идеи проникают и в физику конденсированного состояния — науку о материалах. Горизонт черной дыры обладает вязкостью, электропроводностью и колебаниями, математически неотличимыми от поведения квантовых жидкостей.

Ярчайший пример — модель SYK (Сачдев-Йе-Китаев). Сачдев придумал ее для описания «странных металлов», а физик-теоретик и специалист по квантовым компьютерам Алексей Китаев разглядел в ней математический портрет черной дыры. Теперь это одна из самых горячих тем в гравитационной физике.

ведущий: Потрясающе, когда специалисты по материаловедению и квантовым вычислениям находят черные дыры в лабораторных моделях.

Леонард Сасскинд: Взаимное обогащение дисциплин дает мощнейший импульс. Полагаю, этот синергетический эффект продлится еще добрых десять-пятнадцать лет и навсегда войдет в учебники.

Космологическая мультивселенная и тонкая настройка

ведущий: В завершение беседы вернемся к космологии и теории струн. Вы отстаиваете концепцию космологической мультивселенной, несмотря на критику.

Леонард Сасскинд: Я написал об этом книгу «Космический ландшафт». У критиков мультивселенной вызывает раздражение то, что ее элементы ненаблюдаемы в принципе. Но у меня есть стандартный ответ: предложите идею лучше. Лучшего объяснения феномена «тонкой настройки» параметров нашей Вселенной у науки сегодня нет.

Мультивселенная вырастает из того факта, что Вселенная неизмеримо больше видимой части — точно так же, как Земля намного шире обозримого с холма поля. Наша локальная область с ее физическими константами — лишь крошечный обитаемый оазис в бесконечной мозаике миров с иными законами. Теория струн предоставляет колоссальный спектр таких решений («ландшафт вакуумов»). Это объясняет тонкую настройку без привлечения мистики.

ведущий: Эти передовые концепции — квантовая информация, кубиты, голография — пока еще не до конца интегрированы в космологию ранней Вселенной?

Леонард Сасскинд: Абсолютно верно. Это открытое поле для будущих прорывов.

Преподавание и «Теоретический минимум»

ведущий: Напоследок хочу спросить о вашей просветительской деятельности. Помимо науки и работы в Google X, вы написали серию книг «Теоретический минимум». Что для вас эта работа?

Леонард Сасскинд: Корни уходят в детство. Мой отец был сантехником с пятиклассным образованием, но вокруг него собиралась компания таких же суровых работяг-интеллектуалов, часами обсуждавших историю и псевдонаучные теории. У них не было инструментов для отливки подлинных знаний от заблуждений.

Став физиком, я пытался просвещать отца. Позже, преподавая для взрослых энтузиастов в программе непрерывного образования Стэнфорда, я начинал с научно-популярного уровня, пока слушатели не потребовали: «Хватит упрощений, давайте уравнения».

ведущий: И вы сдались. [посмеивается]

Леонард Сасскинд: Да, вел эти курсы больше десяти лет, а затем оформил лекции в книги. Важно объяснять науку честно: используя аналогии, но открыто говоря об их границах.

ведущий: И вы справляетесь с этим блестяще. Спасибо огромное за беседу, Ленни!

Леонард Сасскинд: Спасибо, Шон.

 

Источник