Дэвид Дойч: физик, воспринявший многомирие буквально

В 1985 году оксфордский физик опубликовал статью, описывающую машину, которую никто не построил и которую мало кто считал нужной: универсальный квантовый компьютер. Его аргумент заключался не в том, что он будет полезен. Он утверждал, что глубочайший принцип информатики — утверждение Тьюринга (Alan Turing) о том, что одна машина может смоделировать любой физический процесс, — не верен в таком виде, потому что Вселенная квантовая, а машина Тьюринга — нет. Исправление этого принципа требовало нового типа компьютера. Почти четыре века (прим.: в оригинале четыре десятилетия — nearly four decades, переведено как четыре десятилетия) спустя эти машины существуют, вокруг них выросла индустрия, а Дэвида Дойча (David Deutsch) обычно называют отцом квантовых вычислений.

От Хайфы до Оксфорда

Дэвид Элиезер Дойч (David Elieser Deutsch) родился 18 мая 1953 года в Хайфе, Израиль, в еврейской семье. Он учился в школе Уильяма Эллиса в Лондоне, изучал естественные науки в Клэр-колледже Кембриджа, а затем продолжил работу над докторской диссертацией в Вольфсон-колледже Оксфорда под руководством Денниса Сиамы (Dennis Sciama) и Филипа Канделаса (Philip Candelas), занимаясь квантовой теорией поля в искривленном пространстве-времени. Сиама, среди учеников которого были Стивен Хокинг (Stephen Hawking) и Роджер Пенроуз (Roger Penrose), был научным руководителем целого поколения британских теоретиков, готовых серьезно относиться к странным идеям, — полезное ученичество для того, что Дойч сделал дальше.

Принцип Чёрча — Тьюринга — Дойча

В статье 1985 года была представлена квантовая машина Тьюринга и то, что стало известным как принцип Чёрча — Тьюринга — Дойча. Первоначальная идея Тьюринга касалась математики: универсальная машина может вычислить все, что поддается вычислению. Дойч переформулировал это как утверждение о физике: универсальное вычислительное устройство должно быть способно моделировать любой физический процесс, и поскольку физические процессы являются квантовомеханическими, сама универсальная машина должна быть квантовой.

Это типичный маневр Дойча. Он взял абстрактный результат в логике и настоял на том, что на самом деле это утверждение о мире, а затем следовал за последствиями, куда бы они ни вели. То, что получилось, стало теоретической основой целой технологии.

За этим последовали конкретные результаты. Вместе с Ричардом Джоззой (Richard Jozsa) он разработал алгоритм Дойча — Джоззы — одну из первых демонстраций того, что квантовый алгоритм может быть экспоненциально быстрее любого возможного детерминированного классического алгоритма. Он решает искусственную проблему, не представляющую практического интереса, но это не главное: это было доказательство существования того, что квантовые компьютеры не просто быстрее, а категорически другие. Он также работал над квантовыми логическими вентилями и квантовым исправлением ошибок — дисциплиной, которая делает машины пригодными для сборки в зашумленном мире.

Четыре нити

В книге Дойча 1997 года «Структура реальности» (The Fabric of Reality) утверждалось нечто немодное: способ понять реальность заключается не в сведении всего к физике частиц, а в признании четырех глубоких теорий, которые взаимно поддерживают друг друга. Многомировая интерпретация квантовой механики Хью Эверетта (Hugh Everett) является первой и важнейшей. Эпистемология Карла Поппера (Karl Popper) с ее акцентом на реализм и смелые предположения — вторая. Теория вычислений Алана Тьюринга (Alan Turing), расширенная собственным принципом Тьюринга Дойча от универсальных машин Тьюринга до универсальных квантовых компьютеров, — третья. Уточнение дарвинизма Ричардом Докинзом (Richard Dawkins) с репликаторами и мемами — четвертая.

Прием был теплым, но не лишенным критики. The Guardian назвала ее глубокой и амбициозной книгой. The New York Times нашла в ней освежающе косвенные, провокационные идеи, задаваясь вопросом, держится ли все вместе. «Начало бесконечности» (The Beginning of Infinity) последовала в 2011 году, расширив аргумент в пользу утверждения, что объяснительное знание не имеет внутренних пределов.

Вклад Дойча в философию науки заключается в критерии, на котором он настаивает: хорошие объяснения трудно варьировать. Теория, детали которой можно заменить без ущерба, ничего не объясняет; у хорошего объяснения есть части, которые жестко ограничены той работой, которую они выполняют.

Конструкторная теория

С 2012 года, работая с Кьярой Марлетто (Chiara Marletto), Дойч разрабатывает конструкторную теорию — попытку обобщить квантовые вычисления в рамки, охватывающие все физические процессы. Вместо того чтобы описывать, что происходит при заданных начальных условиях и законах движения, конструкторная теория предлагает заявить, какие физические преобразования возможны, а какие невозможны, и почему. Это заявка на перестройку основ физики на другой основе. Успешна ли она — вопрос совершенно открытый.

Почему Дэвида называют гением

Отличительное качество Дойча — отказ относиться к любой теории как к простому инструменту для вычислений. Когда квантовая механика заявила о существовании множества миров, большинство физиков отнеслись к этому как к интерпретационному курьезу, от которого можно отмахнуться; Дойч воспринял это буквально и спросил, как будет выглядеть машина, использующая это. Универсальный квантовый компьютер вырос из этого буквализма. Этот же подход повторяется во всей его работе: рассмотрение принципа Тьюринга как физики, а не логики, рассмотрение объяснения, а не предсказания в качестве цели науки.

Признание существенно: премия Дирака от IOP в 1998 году, членство в Лондонском королевском обществе в 2008 году, медаль Дирака от ICTP в 2017 году, медаль Исаака Ньютона в 2021 году и Премия по фундаментальной физике 2023 года. «Отец квантовых вычислений» — широко используемое описание, а не рекламное.

Контрдоводы вполне реальны. Фундаментальные положения Дойча остаются позициями меньшинства — многомировая интерпретация является лишь одной из нескольких интерпретаций, а конструкторная теория еще не привела к результатам, которые привлекли бы внимание этой области. Он теоретик того, что возможно в принципе, а огромная практическая работа по созданию квантовых компьютеров была проделана другими людьми, работавшими над «железом», которое он не проектировал. Его книги скорее являются произведениями аргументации, чем доказательствами, и их масштаб навлекает на них обвинение в том, что они объясняют все и поэтому ничего не ограничивают. Также справедливо отметить, что Эверетт предложил многомировую интерпретацию, Поппер — эпистемологию, Тьюринг — вычисления, Докинз — эволюционные рамки; синтез Дойча действительно оригинален, но его составляющие заимствованы. Его гениальность заключается в том, чтобы видеть, что следует из восприятия существующих теорий за чистую монету, что реже, чем кажется, и уже, чем подразумевает почетный титул.

Наследие

Дойч работает в Центре квантовых вычислений в Оксфорде, и область, которую он основал на бумаге, превратилась в глобальное исследовательское предприятие с миллиардами долларов за спиной. Независимо от того, что ждет конструкторную теорию или многомировую интерпретацию, статья 1985 года остается незыблемой: она определила форму вычислений, которую никто не воображал, доказала, что она подразумевается самой физикой, и стала ждать, пока инженеры догонят ее. Они все еще догоняют.