| nr. 2 (12) - czerwiec, lipiec, sierpien 2000 [ ASCII ] | ( wersja ISO 8859-2 ) | ( wersja CP-1250 )
Wszechswiat jako procesor kwantowy Granice nauki
Mechanika kwantowa przypisuje zdarzeniom swiata kwantow amplitudy prawdopodobienstwa. Kwadrat tejze amplitudy jest dopiero prawdopodobienstwem znalezienia np. elektronu w chmurze elektronowej atomu czy detekcji rozproszonego fotonu. Mimo ze zdarzenia zachodza na wiele nieodroznialnych od siebie sposobow, inzynieria kwantowa nauczyla sie niedawno manipulowac amplitudami, przypisujac im okreslone wartosci. Kazda wartosc opisuje pewna "historie" zdarzenia, a cale zdarzenie jest "suma po jego mozliwych historiach". Nigdy nie wiadomo, jakie sa wszystkie mozliwe wartosci amplitudy prawdopodobienstwa, niemniej jednak prawdopodobienstwo tego zdarzenia jest to samo. Dwie amplitudy prawdopodobienstwa jednej, wybranej historii jakiegos zdarzenia kwantowego nazywa sie kubitem. W przeciwienstwie do bitu nie ma on jednej wartosci (zero lub jeden), lecz wartosci dowolne z przedzialu zero-jeden. Nie koniec jednak na tym. Te dwie wartosci sa z soba zwiazane, czyli splatane. Paradoks EPR mowi, ze jesli znamy (zmierzymy) w zjawisku kwantowym wartosc jednej z amplitud, natychmiast znana jest wartosc amplitudy drugiej, nawet jesli te amplitudy rozdzieli caly Wszechswiat. Doprowadzil ten paradoks mechanike kwantowa do nielokalnosci, czyli wprowadzil natychmiastowy, ponadswietlny zwiazek, korelacje pomiedzy wspolnymi stanami kwantowymi danego zdarzenia, nawet bardzo odleglymi jak krance kosmosu. Slynne nierownosci Bella potwierdzily to. Gdy zaczeto wnikliwiej poszukiwac odpowiedzialnych za korelacje zmiennych ukrytych w tzw. zjawisku GHZ (gdzie w przeciwienstwie do dwoch amplitud badano wiele, tzn. trzy stany splatane spinow), odkryto inny dziw - teleportacje kwantowa stanow EPR. Nie ma taka teleportacja nic wspolnego z przesylaniem materii na odleglosc; polega jedynie na lokalnym pomiarze amplitudy prawdopodobienstwa stanu czastki w jednym miejscu i, klasycznie w sensie przekazu informacji, przeksztalceniu do tej amplitudy prawdopodobienstwa stanu innej czastki w innym miejscu. Przekaz "ebitu", czyli splatanego stanu dwuwartosciowej amplitudy prawdopodobienstwa, zostaje dokonany bitem z kanalu klasycznego lacznosci. Bity sa przetwarzane przez uniwersalny, matematyczny komputer (procesor), maszyne Turinga (takimi skonczonymi maszynami Turinga sa wspolczesne komputery). Jesli maszyna taka potrzebuje skonczonego czasu do obliczenia danego problemu, problem jest przeliczalny; jesli czas obliczen staje sie nieskonczony, rosnie wykladniczo wraz z wielkoscia problemu matematycznego - problem staje sie nieprzeliczalny. Kubity z kolei moga byc przetwarzane przez kwantowy odpowiednik uniwersalnego komputera Turinga, czyli komputer kwantowy, ktory wykorzystuje kwantowe splatanie do podniesienia wydajnosci obliczeniowej. (a ktorego "podzbiorem" jest klasyczny komputer). O tym, ze kazdy skonczony (odizolowany od otoczenia) rzeczywisty system fizyczny mozna symulowac za pomoca uniwersalnego komputera kwantowego, ujmuje zasada Churcha-Turinga. Procesor kwantowy, wykorzystawszy amplitudy prawdopodobienstwa "po roznych historiach", rozwiazywalby problemy matematyczne niedostepne klasycznym komputerom. Co wiecej, w przeciwienstwie do nieodwracalnych obliczen klasycznych, w ktorych wymazanie informacji wydziela energie (zasada Landauera), komputer kwantowy dziala odwracalnie, bez wydzielania ciepla. Logiczna odwracalnosc obliczen implikuje fizyczna odwracalnosc rzeczywistego procesora, logiczna nieodwracalnosc - fizyczna nieodwracalnosc. Warto zauwazyc nader dziwny zwiazek informacji z rozproszeniem ciepla, czyli dysypacja energii. Mowi sie, ze procesor kwantowy ewoluuje, dziala unitarnie, odwracalnie, o ile nie kontaktuje sie z otoczeniem. I nie moze w toku obliczen ze swiatem sie kontaktowac, nie czyni zapisow, w przeciwnym razie uleglby dekoherencji, zniszczeniu. Jest podczas obliczen "czarna skrzynka", albowiem nic nie wiadomo o stanie jego obliczen dopoty, dopoki nie skontaktuje sie ze swiatem, by przyjac lub wyprowadzic dane. W swoim wnetrzu procesor moze wykonac obliczenia po wszystkich mozliwych drogach. Takie nieodroznialne od siebie historie obliczen to jakby wykonywanie "plaskich" transformacji Fouriera, a potem scalenie ich do pelnej "sumy po historiach". Nie sposob stwierdzic, ktora droga (historia) ewoluuje jego unitarnosc, jest to niemozliwe. I uwaza sie, ze moglby dzieki temu symulowac obliczeniowo dowolna fizyczna rzeczywistosc. Pod wzgledem konstrukcyjnym procesor kwantowy miec powinien system reprezentacji danych oraz bramki kwantowe do wejscia, przetwarzania danych i wyjscia. Wymyslono juz wiele odwracalnych bramek kwantowych, jedno-, dwu- i wielo-kubitowych, odpowiednikow bramek klasycznych, ktore mozna ukladac w obwody kwantowe. Kombinacje bramek kwantowych pozwalaja na przeprowadzanie obliczen kwantowych wedlug logiki kwantowej. Kubity to sposob na zapamietywanie danych. Bramki kwantowe - na przetwarzanie danych. I okazuje sie, iz procesor kwantowy moze dla wielu danych wejsciowych wykonywac rownolegle, dzieki amplitudom prawdopodobienstw, rozne obliczenia po wszelkich mozliwych historiach w wyprowadzac wiele danych obliczeniowych naraz. Dawac moze wszystkie mozliwe wyniki dla okreslonych danych wejsciowych. Nie trzeba przeprowadzac sekwencyjnie obliczenia po obliczeniu, jak w klasycznym procesorze, one dzieja sie jednoczesnie. Procesor kwantowy daje superpozycje wszystkich mozliwych wynikow. Jesli zadamy mu lancuch zero-jedynkowy dlugosci N , otrzymamy superpozycje 2 w potedze N lancuchow binarnych danych wyjsciowych. Oto potega paralelizmu obliczen kwantowych. Oczywiscie do wykonywania obliczen potrzebne jest tez oprogramowanie, a wiec algorytmy kwantowe uzyteczne w obliczeniach kwantowych na kubitach. Jest algorytm Shora do rozkladania liczb na czynniki pierwsze szybciej anizeli dzieje sie to klasycznie. Pozwala on na kwantowa kryptografie, skuteczniejsza w szyfrowaniu anizeli klucz publiczny RSA, oraz wzbudza obawy o mozliwosc przelamania dotychczasowych metod szyfrowania RSA. Jest algorytm Grovera po przeszukiwania kwantowych rejestrow, ktory czyni to szybciej niz klasyczne algorytmy (ilosc krokow poszukiwan to pierwiastek z N). Mechanika kwantowa nie wyroznia kierunku uplywu czasu, dlatego w ogole mozliwe sa odwracalne, unitarne obliczenia kwantowe. Otwarcie procesora kwantowego na srodowisko, a zwlaszcza na niekontrolowane zmienne mikroskopowe, powoduje dekoherencje (rozspojnienie) superpozycji obliczeniowych danych wejsciowych lub wyjsciowych. Zapobiega sie temu stosujac umiejetnie kubity kontrolne, dzieki ktorym nie ulega sie dekoherencji obliczen kwantowych. Tradycyjne komputery, pomimo ze teoretycznie sa nieodwracalne, w rzeczywistosci jednak poprzez umiejetne stosowanie bitow korygujacych zaklocenia dzialaja jednak odwracalnie. Korekty, kubitowe czy bitowe, to odpowiedz na nieublagany, termodynamiczny i kosmologiczny kierunek uplywu czasu, ktoremu globalnie podlega Wszechswiat. W wielu laboratoriach trwaja intensywne prace. Owoce tych prac mozna przegladac pod adresem http://xxx.sissa.it, mirrorze http://xxx.lanl.gov, w dziale quant-ph. To prawdziwe targowisko wyobrazni i dedukcji naukowej, raj dla tych, ktorzy potrafia wyobraznie naukowa wcielac w literature sf. Oto tytuly ciekawszych prac z tego zakresu: Kanoniczna teleportacja kwantowa. Przeszukiwanie przestrzeni robotem kwantowym. Fizyczne implementacje kwantowych obliczen. Generatory algorytmow kwantowych. Kwantowanie solitonowych automatow komorkowych. Kwantowa dysypacja i dynamika sieci neuronalnych. Maszyny, logika i kwantowa fizyka. Jak zachodza zdarzenia: rozszerzona zdarzeniowo mechanika kwantowa, przenoszenie czastek, kwantowy chaos i fraktale, tunelowanie czasu. Kwantowanie i czas. Kwantowe obliczenia, problemy nieprzeliczalne i dynamiki chaosu. Hierarchie pamieci w dysypatywnym kwantowym modelu mozgu. Atomowe chipy. Kwantowa logika von Neumana kontra jego logika klasyczna. Czy kwantowa kosmologia moze zaproponowac obserwacje efektow interpretacji wieloswiatowej? Czy istnieje kwantowa nielokalnosc? Uniwersalna konstrukcja obliczeniowych sieci kwantowych za pomoca nadprzewodzacych zlaczy Josephsona. Niekonwencjonalne urzadzenia do obliczen kwantowych. Obliczenia kwantowe a pojecia geometryczne. RISQ - zredukowany zbior instrukcji komputerow kwantowych. Kwantowe obliczenia z zastosowaniem dysypacji. Geometryczny model wielokubitowych systemow kwantowych. Wszechswiat 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. Kazdy tydzien przynosi coraz bardziej intrygujace tytuly. Po co pisac o komputerach kwantowych? Po co czytac takie prace, pelne czasem niepojetej matematyki? Oto troche naukowej fikcji, nosnych problemow filozoficznych wynikajacych z kwantowych obliczen, nieco spekulacji dla fantastow. 1. Mechanika kwantowa ma trzy interpretacje w tradycyjnym formalizmie matematycznym przestrzeni Hilberta. Jedna z nich to interpretacja wieloswiatowa: kazdy pomiar amplitudy prawdopodobienstwa rozszczepia swiat na dwa swiaty rownolegle. Jezeli w toku obliczen procesor kwantowy nie moze sie kontaktowac ze swiatem, totez jego historie obliczen moga zachodzic w wielu swiatach rownoleglych naraz, w tylu, ile dokonal historii obliczen. Co wiecej, obliczeniami tymi moze taki komputer zaistniec, wirtualnie badz realnie, w kazdym z tych swiatow. Moze i zaistniec w naszym swiecie. Moze, gdyby mogl zapisywac swe stany, moglby nam cos o tych swiatach "powiedziec"? Moze bylby procesor kwantowy takim "tunelem" do innych swiatow, "tunelem" innym anizeli te czasoprzestrzenne, wynikajace z ogolnej teorii wzglednosci? Moze, majac dostep do innych swiatow alternatywnych, nie tyle przebywa w nich, ile je sam stwarza, po prostu obliczeniowo? 2. R. Penrose uwaza, ze myslenie czlowieka ma podloze kwantowe, ze mozg jest komputerem kwantowym. Istnieje kwantowy model ludzkiego mozgu, tak jak kiedys powstal holograficzny model pamieci ludzkiej. Aczkolwiek wielu naukowcow nie podziela tego zdania, moze to jest i prawda? Jesli powstanie kwantowy komputer, zlaczony z ilus tam procesorow kwantowych, zacznie - po zadaniu mu programu - myslec w oderwaniu od naszego swiata i dac moze poczatek jakiemus GOLEM-owi ktorejs tam generacji? Co wowczas by powiedzial, jesli by przebywal w swiatach rownoleglych? 3. Korelacje kwantowe pomiedzy amplitudami prawdopodobienstwa pozwalaja na teleportacje stanow splatanych. Moze jeden procesor kwantowy, drugi, i wiele, uodpornionych kubitami korekcyjnymi na dekoherencje, automatycznie, spontanicznie zaczna teleportowac swe stany i wiazac sie w siec kwantowa o neuropodobnej, internetowej strukturze. Co powstanie? Superkomputer kwantowy, kwantowa supersiec neropodobna czy superumysl? Jak taki system zacznie wplywac na stan swiata, na Wszechswiat? Czy symulujac dowolna rzeczywistosc wytwarzac pocznie w naszym swiecie juz nie wirtualne, ale rzeczywiste "mikroswiaty", ktore moga wprost ingerowac w nasz swiat, a nawet z nim "interferowac". 4. Kod informacyjny DNA sklada sie z czterech liter-zasad: adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy. Otoz jedna z ostatnich prac sugeruje, ze replikacja DNA i synteza bialek kodu genetycznego jest pochodna zasad logiki kwantowej, konsekwencja kwantowego algorytmu Grovera przeszukiwania bazy danych, czyli problemu optymalizacji. Powstaje naturalne wyjasnienie, iz w zywych organizmach musza byc tylko 4 podstawowe nukleotydy oraz 20 aminokwasow (jest ich nieco wiecej, lecz nie wykorzystanych), oraz ze enzymy zapobiegaja kwantowej dekoherencji kodu. Zatem nie tylko Wszechswiat, ale i zycie jest konsekwencja praw kwantowych! To juz jest zadziwiajace, ale mozna wyobrazic sobie i wydedukowac inny kod genetyczny oparty na innym kwantowym algorytmie optymalizacyjnym, a stad wyprowadzic inne, nie darwinowskie, zasady ewolucji naturalnej i swiaty tymi zasadami stwarzane... 5. Zasada holograficzna w przyblizeniu powiada, ze informacja zawarta pod horyzontem czarnej dziury jest proporcjonalna do powierzchni horyzontu zdarzen wyrazonej w pikselach o wielkosci kwadratu dlugosci Plancka, dziesiec do minus trzydziestej piatej metra w potedze drugiej. Z pikselem tym wystarczy tylko zwiazac jeden kubit informacji, aby otrzymac kwantowo-obliczeniowy obraz wszesnoinflacyjnego Wszechswiata, gdzie stany prozni sa logicznymi bramkami kwantowymi, pojawia sie fizyczny czas i nastepuje w tymze wczesnym etapie ewolucji Wszechswiata utarta informacji. Jesli horyzont ma jeden piksel, nastaje kwant czasu, chronon, dziesiec do minus 44 sekundy. Gdy horyzont ma po czasie dwoch chrononow 4 piksele powierzchni, sa 4 kubity, a nastepuje utrata 3 bitow informacji. Przy 9 pikselach po trzech chrononach jest 8 kubitow - i tracimy 8 bitow informacji, przy 16 - pozostaje juz 5, i tak dalej, coraz mniej. Dochodzi sie do kwantowego wzoru na entropie podobnego do klasycznego wzoru Shannona oraz, ostatecznie, do konca inflacji zakonczonej... kolapsem kwantowej funkcji Wszechswiata. W tymze modelu powiedzenie "It from bit" przechodzi w "It from qubit" i Wszechswiat staje sie gigantycznym, rzeczywistym procesem obliczeniowym jakiegos abstrakcyjnego procesora kwantowego, wykreowanym ex nihilo, z niczego, poprzez kwantowe tunelowanie z prozni. Powiedzmy, ze takie wszechswiaty kreowane beda wlasnie we wnetrzu czarnej skrzynki, jaka bedzie procesor kwantowy, ze osiagniemy taka technologie. Bedziemy kreatorami dowolnych, i to fizycznych, swiatow, a moze i da sie w nie wkraczac! Jakie beda konsekwencje tak osiagnietej technologii, jakie zastosowania, jakaz intryge z ta technologia zwiazana mozna wymyslic. Handel swiatami? 6. Uwaza sie, ze jesli komputer kwantowy moze symulowac kazda rzeczywistosc, to moze i Wszechswiat jest komputerem kwantowym, jednym wielkim procesem obliczeniowym na hardwarze - czastkach materii i oddzialywaniach, skutkiem ktorego to procesu powstala matematyka i prawa fizyki? D.Deutsch uwaza, dowolny fragment Wszechswiata jest w stanie zasymulowac caly Wszechswiat, ze kwantowy komputer bylby zdolny stworzyc wirtualna rzeczywistosc, nowy swiat. Co zatem powstanie, jesli superkomputer kwantowy, czy superumysl, pocznie swiaty takie stwarzac juz nie wirtualnie, ale realnie, udawac nasz swiat, nawet nieumiejetnie pocznie tworzyc rzeczywiste, nowe, ulomne swiaty, z innymi matematykami i prawami fizyki, moze starac sie replikowac swiat, ktory go wydal, nakladac na nasza rzeczywistosc, generowac zadziwiajace fenomeny? Oto kilka tzw. pomyslow na niebanalne fikcje literackie pod nazwa science-fiction. Oto przyklady, jak rzeczywiste postepy w nauce sa bardziej fantastyczne, anizeli tematyki poruszane w literaturze sf. IV.2000 Grog { korespondencje prosimy kierowac na adres redakcji }
| 27 |  |
The VALETZ Magazine : http://magazine.valetz.art.pl { redakcja@valetz.art.pl } (c) by The VALETZ Magazine. Wszelkie prawa zastrzezone.