| nr. 2 (12) - czerwiec, lipiec, sierpień 2000 [ CP-1250 ] | ( wersja ASCII ) | ( wersja ISO 8859-2 )
Wszech?wiat jako procesor kwantowy Granice nauki
Mechanika kwantowa przypisuje zdarzeniom ?wiata 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 okre?lone warto?ci. Każda warto?ć opisuje pewną "historię" zdarzenia, a całe zdarzenie jest "sumą po jego możliwych historiach". Nigdy nie wiadomo, jakie są wszystkie możliwe warto?ci amplitudy prawdopodobieństwa, niemniej jednak prawdopodobieństwo tego zdarzenia jest to samo. Dwie amplitudy prawdopodobieństwa jednej, wybranej historii jakiego? zdarzenia kwantowego nazywa się kubitem. W przeciwieństwie do bitu nie ma on jednej warto?ci (zero lub jeden), lecz warto?ci dowolne z przedziału zero-jeden. Nie koniec jednak na tym. Te dwie warto?ci są z sobą związane, czyli splątane. Paradoks EPR mówi, że je?li znamy (zmierzymy) w zjawisku kwantowym warto?ć jednej z amplitud, natychmiast znana jest warto?ć amplitudy drugiej, nawet je?li te amplitudy rozdzieli cały Wszech?wiat. Doprowadził ten paradoks mechanikę kwantową do nielokalno?ci, czyli wprowadził natychmiastowy, ponad?wietlny związek, korelację pomiędzy wspólnymi stanami kwantowymi danego zdarzenia, nawet bardzo odległymi jak krańce kosmosu. Słynne nierówno?ci 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 odległo?ć; 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 dwuwarto?ciowej amplitudy prawdopodobieństwa, zostaje dokonany bitem z kanału klasycznego łączno?ci. Bity są przetwarzane przez uniwersalny, matematyczny komputer (procesor), maszynę Turinga (takimi skończonymi maszynami Turinga są współczesne komputery). Je?li maszyna taka potrzebuje skończonego czasu do obliczenia danego problemu, problem jest przeliczalny; je?li czas obliczeń staje się nieskończony, ro?nie wykładniczo wraz z wielko?cią 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 wydajno?ci 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 odwracalno?ć obliczeń implikuje fizyczną odwracalno?ć rzeczywistego procesora, logiczna nieodwracalno?ć - fizyczną nieodwracalno?ć. 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 ?wiatem 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 ?wiatem, 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 unitarno?ć, jest to niemożliwe. I uważa się, że mógłby dzięki temu symulować obliczeniowo dowolną fizyczną rzeczywisto?ć. Pod względem konstrukcyjnym procesor kwantowy mieć powinien system reprezentacji danych oraz bramki kwantowe do wej?cia, przetwarzania danych i wyj?cia. Wymy?lono 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 wej?ciowych wykonywać równolegle, dzięki amplitudom prawdopodobieństw, różne obliczenia po wszelkich możliwych historiach w wyprowadzać wiele danych obliczeniowych naraz. Dawać może wszystkie możliwe wyniki dla okre?lonych danych wej?ciowych. Nie trzeba przeprowadzać sekwencyjnie obliczenia po obliczeniu, jak w klasycznym procesorze, one dzieją się jednocze?nie. Procesor kwantowy daje superpozycję wszystkich możliwych wyników. Je?li zadamy mu łańcuch zero-jedynkowy długo?ci N , otrzymamy superpozycję 2 w potędze N łańcuchów binarnych danych wyj?ciowych. Oto potęga paralelizmu obliczeń kwantowych. Oczywi?cie 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 możliwo?ć przełamania dotychczasowych metod szyfrowania RSA. Jest algorytm Grovera po przeszukiwania kwantowych rejestrów, który czyni to szybciej niż klasyczne algorytmy (ilo?ć 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 ?rodowisko, a zwłaszcza na niekontrolowane zmienne mikroskopowe, powoduje dekoherencję (rozspójnienie) superpozycji obliczeniowych danych wej?ciowych lub wyj?ciowych. Zapobiega się temu stosując umiejętnie kubity kontrolne, dzięki którym nie ulega się dekoherencji obliczeń kwantowych. Tradycyjne komputery, pomimo że teoretycznie są nieodwracalne, w rzeczywisto?ci jednak poprzez umiejętne stosowanie bitów korygujących zakłócenia działają jednak odwracalnie. Korekty, kubitowe czy bitowe, to odpowiedY na nieubłagany, termodynamiczny i kosmologiczny kierunek upływu czasu, któremu globalnie podlega Wszech?wiat. 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 wyobraYni i dedukcji naukowej, raj dla tych, którzy potrafią wyobraYnię 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 wielo?wiatowej? Czy istnieje kwantowa nielokalno?ć? 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. Wszech?wiat 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, no?nych 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 wielo?wiatowa: każdy pomiar amplitudy prawdopodobieństwa rozszczepia ?wiat na dwa ?wiaty równoległe. Jeżeli w toku obliczeń procesor kwantowy nie może się kontaktować ze ?wiatem, toteż jego historie obliczeń mogą zachodzić w wielu ?wiatach równoległych naraz, w tylu, ile dokonał historii obliczeń. Co więcej, obliczeniami tymi może taki komputer zaistnieć, wirtualnie bądY realnie, w każdym z tych ?wiatów. Może i zaistnieć w naszym ?wiecie. Może, gdyby mógł zapisywać swe stany, mógłby nam co? o tych ?wiatach "powiedzieć"? Może byłby procesor kwantowy takim "tunelem" do innych ?wiatów, "tunelem" innym aniżeli te czasoprzestrzenne, wynikające z ogólnej teorii względno?ci? Może, mając dostęp do innych ?wiatów alternatywnych, nie tyle przebywa w nich, ile je sam stwarza, po prostu obliczeniowo? 2. R. Penrose uważa, że my?lenie człowieka ma podłoże kwantowe, że mózg jest komputerem kwantowym. Istnieje kwantowy model ludzkiego mózgu, tak jak kiedy? powstał holograficzny model pamięci ludzkiej. Aczkolwiek wielu naukowców nie podziela tego zdania, może to jest i prawdą? Je?li powstanie kwantowy komputer, złączony z ilu? tam procesorów kwantowych, zacznie - po zadaniu mu programu - my?leć w oderwaniu od naszego ?wiata i dać może początek jakiemu? GOLEM-owi której? tam generacji? Co wówczas by powiedział, je?li by przebywał w ?wiatach 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 ?wiata, na Wszech?wiat? Czy symulując dowolną rzeczywisto?ć wytwarzać pocznie w naszym ?wiecie już nie wirtualne, ale rzeczywiste "mikro?wiaty", które mogą wprost ingerować w nasz ?wiat, 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 wyja?nienie, 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 Wszech?wiat, 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 ?wiaty 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 wielko?ci kwadratu długo?ci 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 Wszech?wiata, gdzie stany próżni są logicznymi bramkami kwantowymi, pojawia się fizyczny czas i następuje w tymże wczesnym etapie ewolucji Wszech?wiata utarta informacji. Je?li 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 Wszech?wiata. W tymże modelu powiedzenie "It from bit" przechodzi w "It from qubit" i Wszech?wiat staje się gigantycznym, rzeczywistym procesem obliczeniowym jakiego? abstrakcyjnego procesora kwantowego, wykreowanym ex nihilo, z niczego, poprzez kwantowe tunelowanie z próżni. Powiedzmy, że takie wszech?wiaty kreowane będą wła?nie we wnętrzu czarnej skrzynki, jaką będzie procesor kwantowy, że osiągniemy taką technologię. Będziemy kreatorami dowolnych, i to fizycznych, ?wiatów, a może i da się w nie wkraczać! Jakie będą konsekwencje tak osiągniętej technologii, jakie zastosowania, jakaż intrygę z tą technologią związaną można wymy?lić. Handel ?wiatami? 6. Uważa się, że je?li komputer kwantowy może symulować każdą rzeczywisto?ć, to może i Wszech?wiat 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 Wszech?wiata jest w stanie zasymulować cały Wszech?wiat, że kwantowy komputer byłby zdolny stworzyć wirtualną rzeczywisto?ć, nowy ?wiat. Co zatem powstanie, je?li superkomputer kwantowy, czy superumysł, pocznie ?wiaty takie stwarzać już nie wirtualnie, ale realnie, udawać nasz ?wiat, nawet nieumiejętnie pocznie tworzyć rzeczywiste, nowe, ułomne ?wiaty, z innymi matematykami i prawami fizyki, może starać się replikować ?wiat, który go wydał, nakładać na naszą rzeczywisto?ć, 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.