| nr. 2 (12) - czerwiec, lipiec, sierpień 2000 [ ISO 8859-2 ] | ( wersja ASCII ) | ( wersja CP-1250 )
Wszechświat jako procesor kwantowy Granice nauki
Mechanika kwantowa przypisuje zdarzeniom świata kwantów amplitudy prawdopodobieństwa. Kwadrat tejże amplitudy jest dopiero prawdopodobieństwem znalezienia np. elektronu w chmurze elektronowej atomu czy detekcji rozproszonego fotonu. Mimo że zdarzenia zachodzą na wiele nieodróżnialnych od siebie sposobów, inżynieria kwantowa nauczyła się niedawno manipulować amplitudami, przypisując im określone wartości. Każda wartość opisuje pewną "historię" zdarzenia, a całe zdarzenie jest "sumą po jego możliwych historiach". Nigdy nie wiadomo, jakie są wszystkie możliwe wartości amplitudy prawdopodobieństwa, niemniej jednak prawdopodobieństwo tego zdarzenia jest to samo. Dwie amplitudy prawdopodobieństwa jednej, wybranej historii jakiegoś zdarzenia kwantowego nazywa się kubitem. W przeciwieństwie do bitu nie ma on jednej wartości (zero lub jeden), lecz wartości dowolne z przedziału zero-jeden. Nie koniec jednak na tym. Te dwie wartości są z sobą związane, czyli splątane. Paradoks EPR mówi, że jeśli znamy (zmierzymy) w zjawisku kwantowym wartość jednej z amplitud, natychmiast znana jest wartość amplitudy drugiej, nawet jeśli te amplitudy rozdzieli cały Wszechświat. Doprowadził ten paradoks mechanikę kwantową do nielokalności, czyli wprowadził natychmiastowy, ponadświetlny związek, korelację pomiędzy wspólnymi stanami kwantowymi danego zdarzenia, nawet bardzo odległymi jak krańce kosmosu. Słynne nierówności Bella potwierdziły to. Gdy zaczęto wnikliwiej poszukiwać odpowiedzialnych za korelacje zmiennych ukrytych w tzw. zjawisku GHZ (gdzie w przeciwieństwie do dwóch amplitud badano wiele, tzn. trzy stany splątane spinów), odkryto inny dziw - teleportację kwantową stanów EPR. Nie ma taka teleportacja nic wspólnego z przesyłaniem materii na odległość; polega jedynie na lokalnym pomiarze amplitudy prawdopodobieństwa stanu cząstki w jednym miejscu i, klasycznie w sensie przekazu informacji, przekształceniu do tej amplitudy prawdopodobieństwa stanu innej cząstki w innym miejscu. Przekaz "ebitu", czyli splątanego stanu dwuwartościowej amplitudy prawdopodobieństwa, zostaje dokonany bitem z kanału klasycznego łączności. Bity są przetwarzane przez uniwersalny, matematyczny komputer (procesor), maszynę Turinga (takimi skończonymi maszynami Turinga są współczesne komputery). Jeśli maszyna taka potrzebuje skończonego czasu do obliczenia danego problemu, problem jest przeliczalny; jeśli czas obliczeń staje się nieskończony, rośnie wykładniczo wraz z wielkością problemu matematycznego - problem staje się nieprzeliczalny. Kubity z kolei mogą być przetwarzane przez kwantowy odpowiednik uniwersalnego komputera Turinga, czyli komputer kwantowy, który wykorzystuje kwantowe splątanie do podniesienia wydajności obliczeniowej. (a którego "podzbiorem" jest klasyczny komputer). O tym, że każdy skończony (odizolowany od otoczenia) rzeczywisty system fizyczny można symulować za pomocą uniwersalnego komputera kwantowego, ujmuje zasada Churcha-Turinga. Procesor kwantowy, wykorzystawszy amplitudy prawdopodobieństwa "po różnych historiach", rozwiązywałby problemy matematyczne niedostępne klasycznym komputerom. Co więcej, w przeciwieństwie do nieodwracalnych obliczeń klasycznych, w których wymazanie informacji wydziela energię (zasada Landauera), komputer kwantowy działa odwracalnie, bez wydzielania ciepła. Logiczna odwracalność obliczeń implikuje fizyczną odwracalność rzeczywistego procesora, logiczna nieodwracalność - fizyczną nieodwracalność. Warto zauważyć nader dziwny związek informacji z rozproszeniem ciepła, czyli dysypacją energii. Mówi się, że procesor kwantowy ewoluuje, działa unitarnie, odwracalnie, o ile nie kontaktuje się z otoczeniem. I nie może w toku obliczeń ze światem się kontaktować, nie czyni zapisów, w przeciwnym razie uległby dekoherencji, zniszczeniu. Jest podczas obliczeń "czarną skrzynką", albowiem nic nie wiadomo o stanie jego obliczeń dopóty, dopóki nie skontaktuje się ze światem, by przyjąć lub wyprowadzić dane. W swoim wnętrzu procesor może wykonać obliczenia po wszystkich możliwych drogach. Takie nieodróżnialne od siebie historie obliczeń to jakby wykonywanie "płaskich" transformacji Fouriera, a potem scalenie ich do pełnej "sumy po historiach". Nie sposób stwierdzić, którą drogą (historią) ewoluuje jego unitarność, jest to niemożliwe. I uważa się, że mógłby dzięki temu symulować obliczeniowo dowolną fizyczną rzeczywistość. Pod względem konstrukcyjnym procesor kwantowy mieć powinien system reprezentacji danych oraz bramki kwantowe do wejścia, przetwarzania danych i wyjścia. Wymyślono już wiele odwracalnych bramek kwantowych, jedno-, dwu- i wielo-kubitowych, odpowiedników bramek klasycznych, które można układać w obwody kwantowe. Kombinacje bramek kwantowych pozwalają na przeprowadzanie obliczeń kwantowych według logiki kwantowej. Kubity to sposób na zapamiętywanie danych. Bramki kwantowe - na przetwarzanie danych. I okazuje się, iż procesor kwantowy może dla wielu danych wejściowych wykonywać równolegle, dzięki amplitudom prawdopodobieństw, różne obliczenia po wszelkich możliwych historiach w wyprowadzać wiele danych obliczeniowych naraz. Dawać może wszystkie możliwe wyniki dla określonych danych wejściowych. Nie trzeba przeprowadzać sekwencyjnie obliczenia po obliczeniu, jak w klasycznym procesorze, one dzieją się jednocześnie. Procesor kwantowy daje superpozycję wszystkich możliwych wyników. Jeśli zadamy mu łańcuch zero-jedynkowy długości N , otrzymamy superpozycję 2 w potędze N łańcuchów binarnych danych wyjściowych. Oto potęga paralelizmu obliczeń kwantowych. Oczywiście do wykonywania obliczeń potrzebne jest też oprogramowanie, a więc algorytmy kwantowe użyteczne w obliczeniach kwantowych na kubitach. Jest algorytm Shora do rozkładania liczb na czynniki pierwsze szybciej aniżeli dzieje się to klasycznie. Pozwala on na kwantową kryptografię, skuteczniejszą w szyfrowaniu aniżeli klucz publiczny RSA, oraz wzbudza obawy o możliwość przełamania dotychczasowych metod szyfrowania RSA. Jest algorytm Grovera po przeszukiwania kwantowych rejestrów, który czyni to szybciej niż klasyczne algorytmy (ilość kroków poszukiwań to pierwiastek z N). Mechanika kwantowa nie wyróżnia kierunku upływu czasu, dlatego w ogóle możliwe są odwracalne, unitarne obliczenia kwantowe. Otwarcie procesora kwantowego na środowisko, a zwłaszcza na niekontrolowane zmienne mikroskopowe, powoduje dekoherencję (rozspójnienie) superpozycji obliczeniowych danych wejściowych lub wyjściowych. Zapobiega się temu stosując umiejętnie kubity kontrolne, dzięki którym nie ulega się dekoherencji obliczeń kwantowych. Tradycyjne komputery, pomimo że teoretycznie są nieodwracalne, w rzeczywistości jednak poprzez umiejętne stosowanie bitów korygujących zakłócenia działają jednak odwracalnie. Korekty, kubitowe czy bitowe, to odpowiedź na nieubłagany, termodynamiczny i kosmologiczny kierunek upływu czasu, któremu globalnie podlega Wszechświat. W wielu laboratoriach trwają intensywne prace. Owoce tych prac można przeglądać pod adresem http://xxx.sissa.it, mirrorze http://xxx.lanl.gov, w dziale quant-ph. To prawdziwe targowisko wyobraźni i dedukcji naukowej, raj dla tych, którzy potrafią wyobraźnię naukową wcielać w literaturę sf. Oto tytuły ciekawszych prac z tego zakresu: Kanoniczna teleportacja kwantowa. Przeszukiwanie przestrzeni robotem kwantowym. Fizyczne implementacje kwantowych obliczeń. Generatory algorytmów kwantowych. Kwantowanie solitonowych automatów komórkowych. Kwantowa dysypacja i dynamika sieci neuronalnych. Maszyny, logika i kwantowa fizyka. Jak zachodzą zdarzenia: rozszerzona zdarzeniowo mechanika kwantowa, przenoszenie cząstek, kwantowy chaos i fraktale, tunelowanie czasu. Kwantowanie i czas. Kwantowe obliczenia, problemy nieprzeliczalne i dynamiki chaosu. Hierarchie pamięci w dysypatywnym kwantowym modelu mózgu. Atomowe chipy. Kwantowa logika von Neumana kontra jego logika klasyczna. Czy kwantowa kosmologia może zaproponować obserwację efektów interpretacji wieloświatowej? Czy istnieje kwantowa nielokalność? Uniwersalna konstrukcja obliczeniowych sieci kwantowych za pomocą nadprzewodzących złączy Josephsona. Niekonwencjonalne urządzenia do obliczeń kwantowych. Obliczenia kwantowe a pojęcia geometryczne. RISQ - zredukowany zbiór instrukcji komputerów kwantowych. Kwantowe obliczenia z zastosowaniem dysypacji. Geometryczny model wielokubitowych systemów kwantowych. Wszechświat jako komputer kwantowy. Kwantowe algorytmy a kod genetyczny. Komputer kwantowy jako maszyna interferencyjna. Teleportacja i kwantowy internet. Holografia, kwantowa geometria i kwantowa teoria informacji. I tak dalej. Każdy tydzień przynosi coraz bardziej intrygujące tytuły. Po co pisać o komputerach kwantowych? Po co czytać takie prace, pełne czasem niepojętej matematyki? Oto trochę naukowej fikcji, nośnych problemów filozoficznych wynikających z kwantowych obliczeń, nieco spekulacji dla fantastów. 1. Mechanika kwantowa ma trzy interpretacje w tradycyjnym formalizmie matematycznym przestrzeni Hilberta. Jedna z nich to interpretacja wieloświatowa: każdy pomiar amplitudy prawdopodobieństwa rozszczepia świat na dwa światy równoległe. Jeżeli w toku obliczeń procesor kwantowy nie może się kontaktować ze światem, toteż jego historie obliczeń mogą zachodzić w wielu światach równoległych naraz, w tylu, ile dokonał historii obliczeń. Co więcej, obliczeniami tymi może taki komputer zaistnieć, wirtualnie bądź realnie, w każdym z tych światów. Może i zaistnieć w naszym świecie. Może, gdyby mógł zapisywać swe stany, mógłby nam coś o tych światach "powiedzieć"? Może byłby procesor kwantowy takim "tunelem" do innych światów, "tunelem" innym aniżeli te czasoprzestrzenne, wynikające z ogólnej teorii względności? Może, mając dostęp do innych światów alternatywnych, nie tyle przebywa w nich, ile je sam stwarza, po prostu obliczeniowo? 2. R. Penrose uważa, że myślenie człowieka ma podłoże kwantowe, że mózg jest komputerem kwantowym. Istnieje kwantowy model ludzkiego mózgu, tak jak kiedyś powstał holograficzny model pamięci ludzkiej. Aczkolwiek wielu naukowców nie podziela tego zdania, może to jest i prawdą? Jeśli powstanie kwantowy komputer, złączony z iluś tam procesorów kwantowych, zacznie - po zadaniu mu programu - myśleć w oderwaniu od naszego świata i dać może początek jakiemuś GOLEM-owi którejś tam generacji? Co wówczas by powiedział, jeśli by przebywał w światach równoległych? 3. Korelacje kwantowe pomiędzy amplitudami prawdopodobieństwa pozwalają na teleportację stanów splątanych. Może jeden procesor kwantowy, drugi, i wiele, uodpornionych kubitami korekcyjnymi na dekoherencję, automatycznie, spontanicznie zaczną teleportować swe stany i wiązać się w sieć kwantową o neuropodobnej, internetowej strukturze. Co powstanie? Superkomputer kwantowy, kwantowa supersieć neropodobna czy superumysł? Jak taki system zacznie wpływać na stan świata, na Wszechświat? Czy symulując dowolną rzeczywistość wytwarzać pocznie w naszym świecie już nie wirtualne, ale rzeczywiste "mikroświaty", które mogą wprost ingerować w nasz świat, a nawet z nim "interferować". 4. Kod informacyjny DNA składa się z czterech liter-zasad: adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy. Otóż jedna z ostatnich prac sugeruje, że replikacja DNA i synteza białek kodu genetycznego jest pochodną zasad logiki kwantowej, konsekwencją kwantowego algorytmu Grovera przeszukiwania bazy danych, czyli problemu optymalizacji. Powstaje naturalne wyjaśnienie, iż w żywych organizmach muszą być tylko 4 podstawowe nukleotydy oraz 20 aminokwasów (jest ich nieco więcej, lecz nie wykorzystanych), oraz że enzymy zapobiegają kwantowej dekoherencji kodu. Zatem nie tylko Wszechświat, ale i życie jest konsekwencją praw kwantowych! To już jest zadziwiające, ale można wyobrazić sobie i wydedukować inny kod genetyczny oparty na innym kwantowym algorytmie optymalizacyjnym, a stąd wyprowadzić inne, nie darwinowskie, zasady ewolucji naturalnej i światy tymi zasadami stwarzane... 5. Zasada holograficzna w przybliżeniu powiada, że informacja zawarta pod horyzontem czarnej dziury jest proporcjonalna do powierzchni horyzontu zdarzeń wyrażonej w pikselach o wielkości kwadratu długości Plancka, dziesięć do minus trzydziestej piątej metra w potędze drugiej. Z pikselem tym wystarczy tylko związać jeden kubit informacji, aby otrzymać kwantowo-obliczeniowy obraz wszesnoinflacyjnego Wszechświata, gdzie stany próżni są logicznymi bramkami kwantowymi, pojawia się fizyczny czas i następuje w tymże wczesnym etapie ewolucji Wszechświata utarta informacji. Jeśli horyzont ma jeden piksel, nastaje kwant czasu, chronon, dziesięć do minus 44 sekundy. Gdy horyzont ma po czasie dwóch chrononów 4 piksele powierzchni, są 4 kubity, a następuje utrata 3 bitów informacji. Przy 9 pikselach po trzech chrononach jest 8 kubitów - i tracimy 8 bitów informacji, przy 16 - pozostaje już 5, i tak dalej, coraz mniej. Dochodzi się do kwantowego wzoru na entropię podobnego do klasycznego wzoru Shannona oraz, ostatecznie, do końca inflacji zakończonej... kolapsem kwantowej funkcji Wszechświata. W tymże modelu powiedzenie "It from bit" przechodzi w "It from qubit" i Wszechświat staje się gigantycznym, rzeczywistym procesem obliczeniowym jakiegoś abstrakcyjnego procesora kwantowego, wykreowanym ex nihilo, z niczego, poprzez kwantowe tunelowanie z próżni. Powiedzmy, że takie wszechświaty kreowane będą właśnie we wnętrzu czarnej skrzynki, jaką będzie procesor kwantowy, że osiągniemy taką technologię. Będziemy kreatorami dowolnych, i to fizycznych, światów, a może i da się w nie wkraczać! Jakie będą konsekwencje tak osiągniętej technologii, jakie zastosowania, jakaż intrygę z tą technologią związaną można wymyślić. Handel światami? 6. Uważa się, że jeśli komputer kwantowy może symulować każdą rzeczywistość, to może i Wszechświat jest komputerem kwantowym, jednym wielkim procesem obliczeniowym na hardwarze - cząstkach materii i oddziaływaniach, skutkiem którego to procesu powstała matematyka i prawa fizyki? D.Deutsch uważa, dowolny fragment Wszechświata jest w stanie zasymulować cały Wszechświat, że kwantowy komputer byłby zdolny stworzyć wirtualną rzeczywistość, nowy świat. Co zatem powstanie, jeśli superkomputer kwantowy, czy superumysł, pocznie światy takie stwarzać już nie wirtualnie, ale realnie, udawać nasz świat, nawet nieumiejętnie pocznie tworzyć rzeczywiste, nowe, ułomne światy, z innymi matematykami i prawami fizyki, może starać się replikować świat, który go wydał, nakładać na naszą rzeczywistość, generować zadziwiające fenomeny? Oto kilka tzw. pomysłów na niebanalne fikcje literackie pod nazwą science-fiction. Oto przykłady, jak rzeczywiste postępy w nauce są bardziej fantastyczne, aniżeli tematyki poruszane w literaturze sf. IV.2000 Grog { korespondencję prosimy kierować na adres redakcji }
| 27 |  |
The VALETZ Magazine : http://magazine.valetz.art.pl { redakcja@valetz.art.pl } (c) by The VALETZ Magazine. Wszelkie prawa zastrzeżone.