В квантовой механике есть список разрешённых операций, и до недавнего времени считалось, что любая операция из этого списка рано или поздно найдёт своё воплощение в лаборатории. Оказалось, что это не так. Некоторые измерения похожи на дверь, для которой математика выписала ключ, но физический мир отказывается его изготавливать.
Ключ к этой двери — задача, которую компьютерщики называют «3SAT». Это как головоломка, где нужно расставить истину и ложь в длинной цепочке условий так, чтобы все они одновременно выполнились. Проверить готовое решение легко, а вот найти его — мучительно долго, если условий много. Авторы работы построили хитрое квантовое измерение, которое, если бы его удалось выполнить, щёлкало бы такие головоломки одну за другой. И вот тут начинается самое интересное.
Если бы такое измерение существовало, оно решало бы задачи, которые даже квантовый компьютер, по общему убеждению, не осилит за разумное время. Значит, этого измерения нет. Не «пока не изобрели», а нет в принципе — как нет ключа от двери, которая ведёт в никуда. Такие измерения назвали ненаблюдаемыми.
Из этого простого вывода вырастают странные следствия. Если измерение нельзя выполнить, то и превращение квантового состояния, которое ему соответствует, тоже невозможно. А значит, существуют пары состояний, которые нельзя перевести друг в друга никакой допустимой эволюцией. Хуже того: суперпозиция таких состояний — когда система находится в обоих сразу — неотличима от простой смеси, где система либо в одном, либо в другом. Никакой прибор не увидит разницы.
Это похоже на правило, которое физики называют суперотбором: некоторые комбинации состояний просто запрещены. Обычно запрет объясняют законами сохранения или взаимодействием с окружением. Здесь же запрет вырастает из вычислительной сложности. Дверь заперта не потому, что замок сломан, а потому, что ключ потребовал бы решения задачи, которую мир не умеет решать быстро.
До сих пор считалось, что квантовый мир становится классическим из-за того, что крупные системы непрерывно обмениваются информацией с окружением — этот процесс называют декогеренцией. Новая работа добавляет второй, независимый источник: даже без всякого окружения некоторые квантовые эффекты остаются ненаблюдаемыми просто потому, что их наблюдение потребовало бы вычислений за гранью возможного. Классический мир, возможно, не столько возникает, сколько остаётся — как единственное, что можно увидеть из-за запертой двери.
Для отмены нежелательного результата измерения используется квантовый код с четырьмя кубитами, который кодирует два логических кубита. Это минимально возможный код, способный исправить одну ошибку с известным положением.