Синглетон

Комментарии переводчика

В каком же мире мы живем? Теоретики разработали несколько ответов на этот вопрос - так называемых интерпретаций. В настоящее время большинство физиков склоняется к «интерпретации многих миров» (ИММ), которую мы и рассмотрим более подробно.

Что такое ИММ? Эта интерпретация, связанная с квантовой теорией, известна под многими названиями: "интерпретация Эверетта», "относительного состояния», "мультиисторическая» или "мультивселенная». Автор ее, физик Хью Эверетт-третий, дал свои наименования: «метатеория относительного состояния» или "теория универсальной волновой функции», но после работ Де Витта ее чаще всего называют ИММ.

ИММ включает два предположения и несколько следствий.

Метафизическое предположение: волновая функция не просто кодирует всю информацию об объекте, но существует независимо от наблюдателя и реально является объектом.

Физическое предположение: наблюдатель не играет особой роли, и, следовательно, коллапса волновой функции не происходит. Для нерелятивистских систем хорошим приближением к реальности является волновое уравнение Шрёдингера.

Главное следствие (остальные для краткости опустим) состоит в том, что каждое измерение вызывает разложение, или декогерентность, универсальной волновой функции на невзаимодействующие и по большей части не перекрывающиеся ветви, истории или миры. Эти "истории» образуют ветвящееся дерево, которое объединяет все возможные исходы каждого взаимодействия. Каждое историческое "что если», совместимое с начальными условиями и физическими законами, реализуется.

ИММ есть реформулирование опубликованной Эвереттом в 1957 году теории, рассматривающей процесс наблюдения или измерения целиком в рамках волновой механики квантовой теории, без при влечения дополнительных предположений, как в "копенгагенской интерпретации» (см. ниже). ИММ - это возврат к классическому, доквантовому взгляду на Вселенную, в котором все математические сущности физической теории реальны. Например, в классической физике электромагнитные поля Максвелла или атомы Дальтона считаются реальными объектами. Эверетт обращается с волновой функцией сходным образом. Он также предполагает, что волновая функция во время наблюдения или измерения подчиняется тому же волновому уравнению, что и в остальное время. Это и есть главное предположение ИММ: волновое уравнение соблюдается универсально и всегда.

Эверетт обнаружил, что новая, более простая теория «относительного состояния» предсказывает: взаимодействие между двумя (или более) макросистемами расщепляет объединенную систему на суперпозицию (то есть наложение) продуктов относительных состояний. Любой элемент суперпозиции - а каждый из них есть продукт состояний субсистемы - развивается независимо от других ее элементов. Состояние макросистем, ставших взаимно «сцепленными», становится невозможно понять в изоляции друг от друга, поэтому они должны рассматриваться как одна композитная система. Уже нельзя говорить о состоянии одной (суб)системы в изоляции от другой (суб)системы. Вместо этого мы вынуждены иметь дело с состояниями субсистем относительно друг друга.

Если одной из систем является наблюдатель, а взаимодействием - наблюдение, тогда эффектом наблюдения станет расщепление наблюдателя на несколько копий. Отдельно взятая копия будет наблюдать лишь один из возможных результатов измерения и не подозревать о других результатах и существовании других наблюдателей-копий. Взаимодействие между системами и окружающей средой каждой из них, включая общение между различными наблюдателями в одном и том же мире, вызывает локальное расщепление (или декогерентность) на невзаимодействующие ветви универсальной волновой функции. Таким образом, весь мир весьма быстро расщепляется на взаимно ненаблюдаемые, но одинаково реальные миры.

В соответствии с ИММ все возможные исходы квантового взаимодействия реализуются. Волновая функция, вместо того чтобы коллапсировать в момент наблюдения, продолжает эволюционировать детерминистским образом, охватывая все заключенные внутри нее вероятности. Все исходы существуют одновременно, но более не взаимодействуют друг с другом, а каждый мир-предшественник расщепляется на взаимно ненаблюдаемые, но одинаково реальные миры.

Возникает логичный вопрос: а есть ли другие теории, кроме ИММ? Да сколько угодно. Впрочем, как пишет Прайс, кроме ИММ, ему «неизвестны другие квантовые теории, являющиеся научными в смысле описания модели реальности и свободные от внутренних противоречий».

Возьмем для примера "копенгагенскую интерпретацию». Она постулирует, что наблюдатель подчиняется другим физическим законам, чем не-наблюдатель, а это уже возврат к витализму. Статус волновой функции здесь также допускает двоякое толкование. Если волновая функция реальна, то теория не является локальной (это не смертельно, но неприятно). Если же волновая функция не реальна, то теория не предлагает модели реальности.

Для очистки совести просто перечислю названия других теорий: "скрытых переменных», "квантовой ЛОГИКИ», "растянутой вероятности», "многих разумов» и так далее. Желающие могут попытаться разобраться в них самостоятельно.

Ладно, будет и примерчик. Возьмем многострадальную (во всех отношениях) кошку Шрёдингера: многие о ней хотя бы слышали. Садист-физик (Садист - это тот, кто сажает, правильно? (Прим. авт.)) сажает бедное животное в ящик, снабженный неким устройством, которое выбрасывает смертельную дозу цианида в случае, если происходит некое случайное событие, например, счетчик Гейгера регистрирует распад атома радиоактивного элемента (да-а, их бы фантазию да в мирных целях…). Для простоты вообразим, что закрытый ящик полностью изолирует кошку от окружающей среды. Через некоторое время физик открывает ящик и проверяет, жива кошка или мертва.

В соответствии с "копенгагенской интерпретацией», кошка не является ни живой, ни мертвой до момента, когда ящик будет открыт, вследствие чего волновая функция кошки (а как звучит!) коллапсирует в одну из двух альтернатив: кошка живая или кошка мертвая. По Шрёдингеру, парадокс заключается в том, что кошка, предположительно, знала, жива ли она, еще до того, как ящик был открыт. По теории ИММ, устройство расщепляется на два состояния (цианид выпущен или не выпущен) в момент радиоактивного распада, который является термодинамически необратимым процессом. Когда «цианид-да-/-цианид-нет» взаимодействует с кошкой, та расщепляется на два состояния живая или мертвая. С точки зрения выжившей кошки, она обитает в другом мире относительно своей покойной копии. Наблюдатель расщепляется на две копии, только когда ящик открывается, и эти копии различаются состоянием кошки.

Кошка расщепляется, когда устройство срабатывает, причем необратимо. Наблюдатель расщепляется, когда они открывают ящик. Живая кошка понятия не имеет о том, что наблюдатель расщепился, равно как не сознает, что в соседнем, «отщепившемся» мире находится мертвая кошка. Наблюдатель же может прийти к выводу (уже после события, осмотрев механизм выброса цианида или заглянув в память кошки), что кошка расщепилась до того, как ящик был открыт.

Покончив С объяснением одной из заложенных в повесть идей, рассмотрим суть второй идеи квантовый компьютер и принципы его работы.

Квантовый компьютер - это (пока) гипотетическая машина, производящая вычисления, основанные на поведении частиц на субатомном уровне. Такой компьютер теоретически будет в миллионы раз мощнее любых современных. Это станет возможно благодаря тому, что единицы данных в нем могут существовать более чем в одном состоянии одновременно. В каком-то смысле машина будет «обдумывать» несколько идей одновременно, и каждая такая «мысль» будет независима от остальных, хотя все они и произошли от одного и того же набора частиц. Базовой единицей данных в КК является кубит.

Наибольшая трудность в создании КК связана с тем, что заставить частицы вести себя должным образом в течение значительного отрезка времени чрезвычайно сложно. А из-за малейшего внешнего воздействия машина перестает вести себя «по-квантовому» и переходит в режим «одной мысли», как у обычного компьютера. Такой помехой могут стать электромагнитные поля, физическое перемещение или даже очень слабый электрический разряд.

Кубит (кьюбит) - это квантовый бит, аналог двоичного числа, бита, из классического компьютера. Подобно тому как бит является базовой единицей информации в классическом компьютере, так и кубит есть базовая единица информации в квантовом компьютере (КК).

Такой компьютер может использовать элементарные частицы (например, электроны или фотоны), у которых заряд или поляризация служат репрезентацией О и/или 1. Каждая из таких частиц называется кубит, а их природа и поведение являются основой квантовых вычислений. Два наиболее важных аспекта квантовой физики - это принципы суперпозиции и сцепления.

Представим кубит как электрон в магнитном поле. Его спин (вращение) может быть направлен или вдоль поля (состояние «спин-вверх»), или навстречу полю (состояние «спин-вниз»). Изменить состояние спина можно с помощью импульса энергии, например, лазера. Допустим, на это мы потратим 1 единицу энергии лазера. Но что если мы используем лишь 0,5 единицы энергии лазера и при этом полностью изолируем частицу от всех внешних влияний? Тогда по законам квантовой физики частица войдет в суперпозицию (наложение) состояний, в которой она ведет себя так, словно находится в обоих состояниях одновременно. Каждый из наших кубитов может находиться в суперпозиции как О, так и 1. Отсюда число вычислений, которые может произвести КК, есть 2", где n - количество использованных кубитов. КК из 500 кубитов будет иметь потенциал до 2500 параллельных вычислений за каждый шаг - это число неизмеримо больше числа атомов в известной Вселенной! Причем это будут истинно параллельные вычисления, а не много процессоров, работающих одновременно в современных компьютерах.

Но как эти частицы будут взаимодействовать? Через так называемое квантовое сцепление.

Частицы, которые в какой-то момент взаимодействовали, сохраняют определенную связь и могут быть сцеплены в пары в ходе процесса, называемого корреляцией. Знание состояния спина одной из сцепленных частиц (вверх или вниз) позволяет понять, что у второй частицы он противоположный. Но еще поразительнее то, что из-за феномена суперпозиции измеряемая частица до момента измерения не имеет четкого направления спина, а находится одновременно в состояниях «спин-вверх» и «спин-вниз». Состояние спина измеряемой частицы определяется в момент измерения и передается сцепленной частице, которая одновременно приобретает противоположное направление спина. Это реальный феномен (Эйнштейн назвал его «призрачное воздействие на расстоянии»), механизм которого пока не может объяснить ни одна теория - его просто следует принимать как факт. Квантовое сцепление позволяет кубитам, даже разведенным на огромное расстояние, мгновенно взаимодействовать, причем скорость процесса не лимитируется даже скоростью света. Независимо от расстояния, коррелированные частицы остаются сцепленными до тех пор, пока они изолированы.

Взятые вместе квантовая суперпозиция и сцепление порождают огромную вычислительную мощь. 2-битовый регистр обычного компьютера может хранить в конкретный момент лишь одну из четырех бинарных конфигураций (00, 01, 10 или 11). А 2-кубитовый регистр КК может хранить все четыре числа одновременно, потому что каждый кубит представляет два значения. При добавлении новых кубитов вычислительная мощность возрастает экспоненциально.

Андрей НОВИКОВ