Физика в «Рассказах о животных»

31

НАМ ПИШУТ

Физика в «Рассказах о животных»

Недавно вышло очередное издание книги известного писателя и знатока природы Канады и Северной Америки Э.Сетона-Томпсона «Рассказы о животных». В книге как живой предстает перед читателем мир этой далекой от нас части света. Героями его рассказов – то трогательных, то трагических – являются звери, повадки которых прекрасно известны. Но посмотрим на книгу через призму физики – ведь каждое явление природы, в том числе и живой, имеет и физическую сторону, не сводясь, естественно, к ней полностью. Те, кто читал эту книгу (что я всем искреннее советую сделать), конечно, помнят рассказ «Джек – Боевой Конек. История кролика». В нем забавно описывается «соревнование в беге» кролика и собак. Когда собаки начинают настигать кролика в беге по прямой, он приступает к лавированию, резко меняет направление бега, увертываясь от них. На его сторону встает известное свойство тел – инертность. Собака массивнее кролика, поэтому ей труднее быстро изменять величину и направление скорости своего тела, чтобы преследовать кролика, чем он инстинктивно и пользуется. Из других благоприятствующих кролику при такой тактике факторов следует назвать прыжки, как обычный способ передвижения, и трудность предугадывания очередного его маневра. В рассказе о почтовом голубе Арно герой становится жертвой соколов-голубятников. Этот хищник пикирует на свою добычу и, разогнавшись, ударяет ее лапами сверху в спину. Причем убивают птицу не когти, которым противостоит упругое и прочное оперение, а переломы шейных позвонков, причина которых – инертность ее головы. Толчок лап сокола сообщает телу птицы настолько большое ускорение, что ее шея не может передать его голове, так как для этого к шее должна быть приложена сила, превышающая ее прочность в этом направлении. Описывая происходящее, часто говорят: «В то время как туловище птицы получило толчок (ускорение), голова продолжает двигаться по инерции». Это верно только для самого первого момента времени после удара, когда действующая на голову птицы со стороны туловища сила мала и не успела сообщить ей заметное ускорение. В подобной ситуации может оказаться и человек, но угрожают ему уже не хищники, а изобретенные им самим средства передвижения. Это часто происходит с пассажирами, сидящими в автомобиле, при наезде на него сзади другого транспортного средства (так называемый «удар хлыстом»). Спасти шейные позвонки от повреждения в этом случае призваны подголовники, устанавливаемые на спинках сидений. При описании поведения преследуемой собаками лисы Сетон-Томпсон прошел мимо одного небезынтересного для нас факта – а к такому приему прибегают как лисы, так и некоторые другие животные. Он заключается в том, что лиса, уходя от погони и резко меняя для этого направление движения, умело использует свой хвост. Поворачивая в одну сторону, она с силой отводит хвост в противоположном направлении. Однако всякому действию всегда есть противодействие, поэтому хвост в свою очередь действует на заднюю часть туловища животного с силой, такой же по величине, но противоположной по направлению. Благодаря этому, животному удается совершить поворот, не допуская «заноса» задней части тела. Вы скажете, что приведенный в движение хвост не бросают на произвол судьбы. Его нужно остановить и затем заставить двигаться со всем телом в противоположную сторону, для

Рисунок Э.Сетона-Томпсона чего нужно снова приложить к нему силу. Это так. Но дело в том, что рассматриваемый прием позволяет, осуществив быстро поворот, растянуть во времени затрату на него сил, не перегружая мышцы и не превышая предел силы сцепления лап с грунтом. Для этого вначале у хвоста «занимают» некоторое количество движения, а немного погодя «возвращают» ему его. Кроме того, если преследователь сосредоточил внимание на самой близкой к нему части догоняемой жертвы – на ее хвосте, то движение хвоста в сторону, противоположную повороту, сбивает преследователя с толку. Неслучайно кончик хвоста имеет выделяющуюся белую окраску. Этим приемом, облегчающим повороты, пользуются многие животные с относительно массивным (по отношению к массе всего тела) хвостом, в том числе и хищники, например лучший бегун – гепард. И чем значительнее доля массы хвоста по отношению ко всей массе тела, тем лучшие результаты дает этот прием. Натуралисты отмечают, что, пользуясь своим относительно массивным хвостом как рулем, или, точнее, противовесом, тушканчик может изменять направление движения самым неожиданным образом, прыгая по сыпучему песку. В одном из рассказов Сетон-Томпсон описывает, как его спутник – опытный охотник – определяет направление ветра, которое необходимо знать, чтобы незамеченным подойти к зверю. Для этого он смачивает одну сторону указательного пальца и, держа его вертикально, медленно поворачивает влажной поверхностью во все стороны. А затем делает вывод – ветер дует с той стороны, в направлении на которую палец чувствует наибольший холод. Далее автор заключает, что животные, видимо, поступают так же, только для этой цели им служит всегда влажный нос. Обсудим это явление с точки зрения физики. С влажной поверхности происходит испарение жидкости, и при этом она охлаждается. Обдувающий воздух уносит испарившиеся молекулы от поверхности и препятствует возвращению их и унесенной ими энергии. Это усиливает испарение и сопровождающее его охлаждение. Наиболее интенсивно этот процесс происходит с наветренной стороны, т.е. обращенной туда, откуда дует ветер.

Прочитайте и вы эту замечательную книгу. Безусловно, она доставит вам истинное наслаждение. А, может быть, вы подметите и другие примеры использования физических закономерностей. Хорошее знание физики способно открыть перед вами «секреты» не только научно-технических, но и художественных произведений. В.Котов

37

ФИЗИЧЕСКИЙ

использовать без второй, передаваемой обычными методами – со скоростью, не превышающей скорость света. Иными словами, Беннет показал, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода «транспортом». Посредством присоединения третьей – «информационной» – частицы к одной из сцепленных частиц можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств. Пионерами по осуществлению экспериментальной реализации канала такой связи стали работы двух исследовательских групп – группы австрийских исследователей из Института экспериментальной физики университета в Инсбруке, возглавляемой А.Цайлингером, и группы итальянских исследователей из университета в Риме под руководством Ф. Де Мартини. Опыты этих групп доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров, т.е. наблюдалась телепортация квантового состояния на гигантских (в масштабах микромира) расстояниях. Вместо того чтобы использовать отдельный «фотон-посланник», итальянские исследователи предложили рассматривать одновременно две характеристики каждой связанной частицы: поляризацию и направление движения. Это позволяет теоретически описывать их как отдельные частицы и в то же самое время, проводя измерения только с первой частицей, получать характеристики второй, не трогая ее, т.е. осуществлять телепортацию. Аналогичные экспериментальные результаты были получены и в других лабораториях Европы, США и Азии, так что фотонная телепортация теперь стала для физиков вполне привычным делом. Однако до сих пор еще никому не удавалось телепортировать столь тяжелые (по меркам микромира) объекты, как атомы с многонуклонными ядрами. Физики из американского Национального института стандартов и технологии добились успеха с ионами бериллия-9, а их коллеги из у ниверситета Инсбрука работали с еще более массивными ионами кальция-40. Поведение каждой квантовой системы, будь то фотон, элементарная частица, атом или молекула, описывается некоторым набором параметров – квантовых чисел. Такие параметры в своей совокупности обеспечивают всю полноту информации об объекте, достижимую в рамках квантовой механики. Например, одиночный электрон, свободно летящий в пустом пространстве, описывается всего двумя параметрами – импульсом и спином. Для полного описания электрона, входящего в состав атома водорода, нужны уже четыре параметра: главное квантовое число, которое определяет его энергию, орбитальное квантовое число, которое задает величину углового момента электрона, магнитное квантовое число, характеризующее ориентацию этого момента, и, наконец, опять-таки спин. Другие квантовые объекты могут требовать иных квантовых чисел. Полный набор квантовых чисел любого квантового объекта, для простоты назовем его частицей, как раз и называется его состоянием. Оба упомянутых научных коллектива, американский и австрийский, работали с плененными в ловушки ионами, которыми они манипулировали с помощью лазерных импульсов. В этих условиях динамику каждой частицы можно было описывать с помощью лишь одного квантового параметра – спина. Величина спина у каждой частицы была одной и той же, а вот его направление могло меняться. Интересно, что каждый акт телепортации занимал лишь 4 миллисекунды, причем он осуществлялся по командам компьютера. У австрийцев точность переноса информации составила 75%, а у американцев – 78%.

ФАКУЛЬТАТИВ

Телепортация не только фотонов, но и других частиц – электронов, атомов и даже ионов – позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, будет храниться на ионах, изолированных от окружающей среды. После создания надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем. Телепортация обеспечит надежную передачу и хранение информации на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными, и может быть использована для связи между несколькими квантовыми компьютерами. Кроме того, разработанные исследователями методы имеют огромное значение для будущих экспериментов по квантовой механике, для проверки и уточнения целого ряда современных физических теорий. В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Скорость работы и объемы информации квантовых компьютеров будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров. Квантовая телепортация может сыграть значительную роль в будущих системах передачи информации. Если когда-либо будет создана квантово-механическая ЭВМ, теоретические основы которой были заложены Р.Фейнманом в конце 70-х – начале 80-х годов прошлого столетия, то информация в ней будет храниться в виде набора квантовых состояний. Эффекты ЭПР и квантовой телепортации позволят вести копирование и обмен информацией внутри квантового компьютера. И не только компьютера – можно будет телепортировать данные в любых цифровых системах. Преимущество телепортационного способа передачи информации заключается в том, что из одной точки пространства в другую переносится точная копия состояния, являющегося элементарной ячейкой памяти. Таким образом, появляется возможность передавать информацию без потерь, со 100-процентной эффективностью. Именно перспектива создания принципиально новых систем связи с абсолютной невозможностью несанкционированного доступа к данным и определяет нынешний научный ажиотаж вокруг квантовой телепортации. Впрочем, что касается инженерных решений этой задачи, то не следует думать, что они будут найдены завтра: технологические проработки только начались. По сути дела, до самого последнего времени физики отрицали возможность телепортации прежде всего потому, что любые частицы являются одновременно и частицами, и волнами. В этом и заключается сложность: чтобы создать точный дубликат какой-либо частицы, необходимо прежде определить ее скорость и ее волновые свойства, в частности импульс. Но это запрещено принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, невозможно одновременно определить и волновые, и корпускулярные свойства частицы. А теперь (как уже было сказано) во многих научно-исследовательских лабораториях мира экспериментально разрешается этот «квантовый парадокс». Опыты, проведенные датскими учеными в конце сентября 2001 года, доказали практическую возможность такой телепортации. Экспериментаторы добились квантовой связи между двумя облаками охлажденных почти до абсолютного нуля паров цезия, расположенными на значительном расстоянии друг от друга. Датчанам удалось связать около миллиона атомов цезия, правда на очень короткое время – на доли миллисекунды. Связь должна приводить к взаимному влиянию облаков пара. По версии экспериментаторов, воздей-

38

КВАНТ 2008/№4

ствие на оригинал влечет аналогичное изменение параметров копии. Исследователи планируют изучение свойств полученного канала с целью реализации в будущем возможности передачи копий структур из атомов. Даже при самых успешных разработках именно этого вида телепортации «переносить» человека таким способом не получится – он содержит на 20 порядков больше атомов, а методов считывания структуры такой сложности пока не существует даже в принципе. Летом 2002 года появилось сообщение от физиков из Австралии: им удалось телепортировать луч лазера на расстояние 1 метр. Выглядело это как исчезновение луча в одной точке и появление его в другой. В Японии объявлено о прорыве в области мгновенной передачи данных на неограниченные расстояния, открывающем путь к созданию сверхскоростных квантовых компьютеров и неуязвимых для взломов систем шифровки информации. Группа физиков во главе с профессором Токийского университета А.Фурусавой впервые в мире осуществила квантовую телепортацию между тремя частицами. Физики из Венского университета сумели телепортировать частицы света на расстояние 600 метров – с одного берега Дуная на другой. Для этого эксперимента использовалась канализационная система под руслом реки, по которой был протянут оптоволоконный кабель. Линия, проложенная под Дунаем, соединила между собой две лаборатории, одну из которых назвали «Алиса», а другую – «Боб». Алиса передала три разных квантовых состояния фотонов, а Боб сумел их воспроизвести. При этом процесс телепортации происходил не мгновенно, поскольку он ограничен скоростью света. Ученые говорят, что ценность нынешнего эксперимента заключается в том, что он проведен в условиях, максимально приближенных к реальным. Две любопытные статьи – теоретическая и экспериментальная – были недавно опубликованы в журнале «Nature» («Природа«). Они ведут разными путями, но к одной заветной цели – к созданию квантового компьютера, способного решать задачи, принципиально непосильные современным вычислительным машинам. В теоретической статье профессор Национального института стандартов и технологии США Э.Нилл предложил новую иерархическую архитектуру квантового компьютера. По утверждению автора, эта архитектура позволяет построить квантовый вычислитель на основе уже реализованных в эксперименте компонентов. Главным препятствием на пути создания квантовых компьютеров является быстрое разрушение нежной квантовой информации внешним шумом. Единица квантовой информации, кубит, способная представлять либо логический ноль, либо единицу, либо то и другое одновременно, реализуется в виде квантового состояния фотона, атома, иона или другой микрочастицы. Это – базовый блок квантового компьютера. Пока в научных лабораториях удалость провести квантовые вычисления лишь для нескольких кубитов, чего, разумеется, недостаточно для практических расчетов. И чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем быстрее разрушается информация. Чтобы обойти эту трудность, Нилл предложил организовать все кубиты квантового компьютера в простую пирамидальную структуру из небольших блоков кубитов. Квантовые данные будут телепортироваться с уровня на уровень и постоянно проверяться на целостность. При такой иерархической структуре компьютера вычисления можно будет проводить, даже если вероятность ошибки одного кубита за время расчетов составляет три процента. А этот уровень уже достигнут в экспериментах на ионных квантовых компьютерах. Нет проблем и с телепортацией квантовой информации. Сегодня, чтобы обеспечить надежную работу всего пары кубитов, нужно будет создать три уровня иерархии и оперировать с 36

кубитами только на нижнем уровне. Однако это все же лучше, чем ничего. И баланс между избыточностью и надежностью вычислений в схеме Нилла заметно лучше, чем при других подходах. Тем более что требования к избыточности архитектуры компьютера могут быть значительно снижены при уменьшении уровня ошибок. Пока работоспособность новой архитектуры проверена лишь в многомесячных вычислительных экспериментах на обычной рабочей станции. Выводы автора еще нуждаются в строгих математических доказательствах и в экспериментальной проверке. В работе большой группы европейских ученых, координируемой из Венского университета, впервые удалось экспериментально реализовать «однонаправленные» квантовые вычисления, предложенные теоретиками. Однонаправленный квантовый компьютер принципиально отличается от обычного квантового компьютера и даже заставляет ученых переосмыслить саму концепцию квантовых вычислений. В обычном квантовом компьютере сначала приготовляются начальные квантовые состояния кубитов, затем алгоритм вычислений реализуется путем последовательности обратимых во времени манипуляций с состояниями кубитов, а результат вычислений измеряется. Именно осуществление обратимых манипуляций, т.е. «перепутывания» состояний кубитов, которые легко разрушаются любым шумом, и вызывает основные трудности. В однонаправленном квантовом компьютере кластер из квантовых частиц изначально приготовляется в сильно «перепутанном» состоянии, а алгоритм квантовых вычислений сводится к последовательности необратимых измерений состояний кубитов. Необратимость вычислений, которые гораздо меньше портятся шумом, и заставляет называть такой компьютер однонаправленным. Теоретики показали, что однонаправленным способом можно реализовать алгоритм поиска, к которому удается свести все остальные «неподъемные» алгоритмы, решаемые на обычном компьютере лишь прямым перебором всех вариантов ответа. В эксперименте был сооружен однонаправленный компьютер на четырех кубитах, физически реализуемых состояниями поляризации четырех фотонов. Экспериментальная установка представляет собой сложную комбинацию импульсных лазеров, поляризационных фильтров, нелинейных оптических кристаллов и фотоприемников. Четыре фотона были приготовлены в «перепутанном» квантовом состоянии, а затем ряд измерений их поляризации позволил успешно выполнить упомянутый алгоритм. Разумеется, четыре кубита – это немного, но на данном этапе важнее всего экспериментальное подтверждение концепции. Пока сравнительно молодое направление однонаправленных квантовых вычислений развито слабее традиционного. Однако именно с ним ряд специалистов связывают большие надежды на создание в обозримом будущем квантовых компьютеров для практических вычислений. Удастся ли это ученым, сказать трудно, но, судя по тому что постоянно предлагаются новые решения старых проблем, их надежды отнюдь не беспочвенны. В последнее время происходит слияние квантовых компьютеров с квантовой коммуникацией (телепортацией), естественно воображаемое, поскольку ни того, ни другого пока не существует. Поговаривают уже о квантовом Интернете. Дело в том, что в квантовом компьютере очень сложно устроить двухкубитные операции, которые как раз и приводят к запутанным состояниям – основе квантовых вычислений. Может оказаться более простым (дешевым) приемом поставлять потребителю уже готовые запутанные кубиты с некоего суперкомпьтера, подключенного к сети квантовой коммуникации. Схем телепортации квантовых состояний уже было предложено огромное количество. Ученые из Англии, например,