Независимый бостонский альманах

Запутанная история

15-03-2018

qubit2

  • Ричард Фейман как-то в сердцах выразился так:"Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя «Да как же это возможно?» — так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался".Помимо этих слов корифея есть много сходных высказываний. Суть их в том, что есть у вас формальный аппарат, есть формулы. Считай, получай правильный результат, проводи эксперименты, которые подтверждают расчеты. А вникать, что за этим стоит, как возможно то или это в микромире, если в нашем это не лезет ни в какие ворота, не стоит. Там нам все чуждо, воспринимай тот мир как черный ящик: имеем такие-то сигналы на входе, такие-то на выходе, а что там внутри - неизвестно, да и не наше дело. Да, считай и не заморачивайся.
  • В каком-то смысле такой подход верен. Когда мы голодны и едим, нам нет дела до того, какие именно химические реакции происходят в желудке. Сотни тысяч лет люди этого не знали и ничего - выжили.
  • Но все же философия не может пройти мимо того, что это за вещь в себе - этот микромир. Когда выяснилось, что ни теория, ни (тем более) эксперимент не может точно предсказать место попадания (координату) электрона, выпущенного из электронной пушки в экран, а может сказать только о вероятности его обнаружения там или сям, то появилась копенгагенская интерпретация Бора, которая ввела понятие "свобода воли электрона". То есть, привнесла в микромир антропометрический параметр. Человек произвольно может выбрать свой путь, и электрон тоже. Это делало непредсказуемое поведение микрочастицы как бы понятным. Это, конечно, несколько наивно, но то был первый шаг к пониманию.Ту же цель наглядного понимания преследуют и схемки, рисующие электрон в виде маленького шарика, вращающегося вокруг шарика побольше (ядра атома). Например, в атоме водорода - маленький шарик электрон вращается вокруг протона - ядра атома водорода.Тут все взято из нашего макроопыта, из того масштаба, в котором мы живем и в котором сформировались наши понятия. Частица-объект, его координата, скорость, орбита, вращение шарика по орите.Философия могла бы заранее нам подсказать, что при изменении (в данном случае, уменьшении) масштабов действительности на много порядков (для определенности - на 15 порядков) с самим качеством этого микромира должно происходить что-то радикальное. Что там такой объект как электрон уже не маленький шарик. Там нет никаких траекторий как последовательного перемещения точки в пространстве. Что там не применимы наши макропонятия орбиты, точной координаты, точной скорости и точного детерминизма.А что же там применимо? Неизвестно. Но у нас нет другого инструментария, кроме тех понятий, которые описывают наш мир, а не некий микромир. И когда мы этими понятиями вроде скорости и орбиты оперируем для выяснения того, как ведут себя эти микрочастицы, то сталкиваемся как бы с абсурдными вещами. Что, например, один электрон может одновременно проскочить через два отверстия. Что совершенно при одинаковых условиях его излучения он может попасть то в одно место экрана, то в другое. Что мы не можем одновременно определить его координату и импульс (то есть, скорость). Если определяем один параметр, то другой становится неопределенным, что известно как соотношение неопределенности Гайзенберга. Да и один параметр тоже нам не может быть известен с любой точностью, а только до некоторой величины, ограниченной квантовой природой микрообъекта. Что микрообъект имеет одновременно как свойства частицы, там и свойства волны (корпускулярно-волновой дуализм).

    Наглядно это можно себе представить как то, что излучается и поглощается электрон как частица, а распространяется как волна. Именно как волна он и проходит одновременно через два отверстия. а потом при столкновении с экраном волна "схлопывается", волновой пакет редуцируется и мы видим электрон как вспыхнувшую точку на экране. Причем один тип приборов дает нам знание о скорости элементарной частицы, а другой - о координате.

  • Собственно, это и есть принцип дополнительности, который в философском смысле слова говорит о месте человека в мире, то место, которое нам позволяет иной масштаб природы узнавать только как две дополнительные картинки: либо как частицу с координатой, либо как волну с энергией (скоростью). Иначе говоря, узнать что-то о микрообъекте можно только при взаимодействии этого микрообъекта с классическим прибором, с макрообъектом, который соразмерен нашему телу и нашим органам чувств, и показания прибора мы считываем при акте наблюдения в эксперименте.Наконец, в микромире не действует даже закон причинности. То есть, он там есть, но только как статистический эффект, а вот по отношению к отдельному объекту там имеется только так называемая вероятностная причинность. Вот как это происходит с той самой свободной волей электрона. Или с таким явлением, как радиоактивный распад. Мы знаем период полураспада, за какое время распадается половина радиоактивных атомов, например, урана 235. Но мы не знаем , какой именно атом распадется следующим. И какова причина этого. Но это не потому, что мы пока не знаем, а потому, можно сказать, что и сам атом не знает. У него как бы тоже есть свобода выбора. Захотел - и распался.Все эти выверты вроде свободы воли, да и понятия координаты, скорости, периода вращения и пр. есть наша вынужденность, проистекающая из нашего места в природе. Никак невозможно нам самим уменьшиться на 15 порядков и "своими глазами" увидеть, что происходит в этом микромире. Видим мы это только через наши макроприборы. Через сцинциляционный экран, камеру Вильсона, счетчик Гейгера, следы на фотопленке, всякого рода матрицы и пр. Вот в этих макроприборах и представлены наши понятия вроде скорости и координаты.
  • Между прочим, тоже относится и к мегамиру, который на десятки порядков превосходит наш привычный мир масштабов нашего тела. Это только иллюзия, что мы могли бы "летать к другим галактикам". Точно так же, как мы не можем уменьшиться до размеров элементарных частиц, мы не можем телесно проникать и в космические масштабы. И там тоже начинают действовать свои законы, которых нет в нашем мире. Например, на расстояниях скоплений галактик начинает проявляться действие темной энергии, которую наглядно можно себе представить как отталкивающие силы, заставляющие Вселенную ускоренно расширяться Вселенную. Так что только через приборы и через описания этой "огромной реальности" нашими понятиями типа "отталкивающие силы", нечто вроде антигравитации, которую назвали темной энергией.
  • univers2
  • univers4
  • Давно уже физики не рассматривают электроны и прочие микрообъекты как шарики. Говорят об электронной оболочке, размазанном облаке заряда вокруг ядра. Не об орбитах, а о некоем пульсирующем облаке заряда (Орбиталь и плотности энергии там), который не вращается вокруг ядра, а как бы пульсирует (меняется плотность энергии) и при своих пульсациях периодически проскакивает и через само ядро. Конечно, и это все модели нашего макроопыта, все эти облака, плотности и проскакивания. Но все же лучше, чем шарики. Тогда что же такое электрон "на самом деле"? Он точно не шарик, не мелкая частица, не волна, не частица и волна одновременно вроде кентавра. Правильный ответ: электрон есть электрон и ничто иное. Да, в каком -то смысле кантовская вещь в себе. Но с помощью наших макроприборов и наших макропонятий немного и вещь для нас, и именно это позволяет нам им управлять и иметь телеэкраны, сотовые телефоны, атомную энергию и прочие достижения науки и технологии. Ибо наши приборы и наши понятия это как бы переводчик с языка микромира на нам понятный язык.
  • После этого своего рода введения коснемся такого невозможного в нашем мире явления как запутанность (entanglement ) микрообъектов - для определенности, запутанность электронов и фотонов. Иногда это же явление называют спутанностью или квантовой телепортацией.Берем определение из энциклопедии."Квантовая запутанностьквантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми (например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот). Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Измерение параметра одной частицы приводит к мгновенному (выше скорости света) прекращению запутанного состояния другой, что находится в логическом противоречии с принципом локальности (при этом теория относительности не нарушается и информация не передаётся)".Говоря более простыми словами: если мы меняем состояние скажем, электрона "здесь", например , меняем его спин с +1/2 на - 1/2, то в тот же самый миг запутанный с первым электрон "там" изменит и свой спин на обратный ( в данном пример с на - 1/2 на + 1/2). Причем, это произойдет именно мгновенно и независимо от расстояния между электронами.qubitЕще проще. Пусть двум людям дали по шару двух цветов, одному красный, второму - зеленый. Они знают, что шара два и они двух цветом, но какой именно у одного и у второго не знают. Затем они разъезжаются сколь угодно далеко друг от друга. После этого первый экспериментатор вынимает свой шар из кармана и видит, что он - красного цвета. В тот же самый момент он узнает, что у второго партнера шар зеленый. Без всякой передачи информации, без запроса и ответа.

    Это, конечно, тоже только грубая модель. Но она проливает свет на проблему. Дело в том, что в фотоне или электроне можно менять какой-то параметр. Спин или поляризацию фотона. Но когда мы изменили этот параметр у одной микрочастицы, у второго удаленного электрона или фотона в тот же момент этот параметр тоже изменяется. В нашей аналогии это соответствовало бы тому, что первый экспериментатор мог бы менять цвет своего шара с красного на зеленый. И тогда у второго он бы изменился в тот же миг с зеленого на красный. Это бы означало, что первый мог бы передавать другому информацию, хотя бы и азбукой Морзе. Причем мгновенно, независимо от расстояния.

    Но позвольте, из теории относительности мы знаем что передача информации не может происходить быстрее скорости света, ибо эта скорость есть предельная , существующая в природе. И надеяться на то, что когда-то будет отрыта скорость еще больше невозможно, ибо скорость света связана с принципом причинности. Если бы существовала сверхсветовая скорость, то нарушалась бы причинность, то есть, следствие наступало  раньше своей причины. Скажем, дуэлянт был бы убит пулей раньше, чем его противник выстрелил. Именно эти соображения о причинности остановили в свое время поиски сверхсветовых частиц - тахионов.

    При изменении спина электрона в одном месте он изменяется во втором сразу же, иначе говоря, с бесконечной скоростью передачи сигнала.

    В случае запутанных частиц вопрос решается как бы просто: здесь нет никакой передачи информации. И потому нет и скорости ее передачи. Так что теория относительности не страдает. Вот так вот. Передачи информации нет, никакой сигнал не летит от одно места к другому. Вместе с тем все, что происходит в одном месте, сразу же происходит и в другом. И мы знаем, что именно. И некто во втором месте знает, что случилось в первом месте.

    Это не передача информации. А что?

    Об этом ниже, а пока о том, что эта проблема в ее первичном виде крайне задела Эйнштейна. А именно: возможность мгновенно узнать состояние удаленной частицы при измерении близкой, "которая рядом". Это стало известным в истории физики в 1935 году под названием парадокса Эйнштейна, Подольского, Розена - под этими тремя именами тогда вышла статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» ( опубликована в журнале «Physical Review»). Никак не мог Эйнштейн, чья теория относительности (как СТО так и ОТО) завершала и венчала собой великолепное здание классической физики смириться с тем, что в природе могут происходить явления без безусловной причинности. Но то, что началось с квантов, с микромира, это уже настал век физики неклассической смириться с тем, что в природе могут происходить явления без безусловной причинности. И в этом мире классического детерминизма не было.

    В том же 1935 году один из отцов квантовой механики Шредингер, чтобы как-то ответить Эйнштейну, ввел для теоретически взаимозависимых систем сам термин "запутанные частицы", а также свой мысленный эксперимент с так называемым  полудохлым "котом Шредингера", который должен был показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макрообъектам. Но он считал, что связь между ними есть только пока они находятся близко друг от друга и физически взаимодействуют. А при удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезает.

    Это была лазейка для введения так называемых "скрытых параметров", для надежды, что может быть, есть какие-то неучтенные свойства, агенты взаимодействия, которые после своего открытия помогут вернуть в физику детерминизм с привычной причинностью и избавят титанов классики от этих квантовых неопределенностей, какой-то подозрительной квантовой причинности и ужаса мгновенной передачи воздействия от одной частицы к другой. Иначе говоря, Шредингер где-то в глубине души все же разделял точку зрения Эйнштейна на то, что со временем квантовая механика вернется в своих философских основах к классической физике. Но самый большой титан квантового мира Нильс Бор стоял на своем: нет никаких скрытых параметров, квантовая теория полна, а вероятность есть базовое свойство природы в ее основе - в микромире. Именно потому, что он тоже (как и Эйнштейн) был философом. Эйнштейн говорил, что он не может поверить в вероятностный мир и в то, что сам процесс наблюдения меняет состояние микрочастицы. Он восклицал: " "Бог не играет в кости" (то есть в основе мира лежит не вероятность, а жесткая причинность, детерминизм, так называемый локальный реализм), на что Бор отвечал: "Альберт, не указывай Богу, что ему делать". Может и Луна, по вашему, существует только тогда, когда вы на нее смотрите? - язвил Эйнштейн.

    Луна- нет. О ней можно говорить и без всякого ее разглядывания, потому что она относится к макрообъектам. А вот сказать что-то путное об электроне, пока он не провзаимодействовал с макро(классическим) прибором нельзя. Выяснилось, что привычное представление о том, что динамические свойства квантовой частицы реально существуют ещё до измерения - неверно. Эти свойства возникают только при взаимодействии микрообъекта с прибором. Условно говоря, как взрыв возникает только при столкновении снаряда с броней. До того никакого взрыва нет.

    Но Эйнштейн и позже Максу Борну писал по поводу "запутанной проблемы" : "я не могу в это поверить, так как (эта) теория непримирима с принципом того, что физика должна отражать реальность во времени и пространстве, без (неких) жутких дальнодействий".

    Гораздо позже, уже после ухода всех диспутантов в лучший мир, Джон Белл своими неравенствами (теорема Белла) доказал, что никаких скрытых параметров в квантовой механике нет. Ибо если они есть, тогда неверна она сама. А она - верна, что неоспоримо доказывается экспериментами. Но все же до 80-х годов XX века квантовая сцепленность рассматривалась большинством физиков «не как новый неклассический ресурс, который можно использовать, а скорее как конфуз, ждущий окончательного разъяснения» (Bub J. Quantum Entanglement and Information).

    https://geektimes.ru/post/225583/

  • universe2
  •  Вот тут, сбоку от центра Млечного пути с ее черной дырой, наша Солнечная система и наша Земля. Мы примерно посередине между микромиром и мегамиром Вселенной. Не в центре, а именно посередине со своим макротелом в 1,7 метра и весом 70 кг. Это понимание научит скромности чувств, но величию духа.
  • Вопрос о возможности как бы мгновенной передаче сведений о состоянии одной частицы к другой по существу философский.  Недавно журнал Optica поместил статью об эксперименте китайских физиков, которые обнаружили эффект квантовой телепортации (квантовой запутанности фотонов) на расстоянии 103 км. (на меньших дистанциях он был известен и раньше). Причем, эксперимент проводился с фотонами от двух независимых источников запутанных фотонов и, соответственно, при отсутствии причинно-следственной связи между событиями. Расстояние тут имеет значение, ибо на таком удалении уже ничем иным, кроме как эффектом "телепортации", как мгновенной передачей одного состояния фотона другому фотону уже объяснить нельзя. Русское резюме заканчивается так: максимальное расстояние квантовой телепортации без обмена запутанности уже превышает тысячу километров.см https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-4-10-1214&id=374955Резюме на русском https://nplus1.ru/news/2017/10/14/entanglement-swappingРечь идет об эксперименте, проведенном в июне 2017 года, когда китайские физики осуществили квантовую телепортацию на расстояние свыше 1200 километров. Квантовая телепортация осуществлялась при помощи пары спутников и трех наземных станций, расстояние между которыми варьировалось в пределах 500-2000 километров. В одном из экспериментов расстояние между двумя из таких наземных станций составило рекордные 1,2 тысячи километров. Эффективность передачи информации новым методом на 17 порядков превышает показатели распространенных коммерческих оптико-волоконных кабелей. Соответствующее исследование ученых из КНР опубликовано в журнале Science.

    Как известно, квантовая запутанность — способность двух фотонов (или других элементарных частиц) сохранять взаимосвязанное квантовое состояние. При изменении квантового состояния одного из фотонов моментально изменяется состояние и второго. Чтобы ни происходило с одной из этих частиц, то же самое будет происходить и с другой. Даже если они разделены большими расстояниями. Они по-прежнему остаются двумя отдельными объектами, но при этом являются идентичными во всем. Некоторым образом, их можно счиать одной частицей, но как бы раздвоившейся, почему и говорят о квантовой телепортации.

    Собственно, тут уже нет смысла говорить о скорости передачи информации, так как она бесконечна, да и передачи информации никакой нет. А есть изменение состояния одного фотона здесь, которое (состояние) тут же, вот именно одновременно как бы мистически возникает у сколько угодно удаленного второго фотона. Причем из этой работы следует, что информация о квантовом состоянии может передаваться даже между двумя фотонами, которые изначально не были запутаны между собой.

    Иногда даже пишут о моментальной передаче квантовой информации на расстоянии.

    Пусть так. Это значит с философской точки зрения, что мы в духе отрицания отрицания снова возвращаемся к концепции дальнодействия времен Ньютона.

    Как известно, исторически имелось две концепции взаимодействия: дальнодействие с мгновенной передачей сигнала (например, тяготение у Ньютона) и близкодействие в сплошных средах Декарта. С появлением теории электромагнитного поля полностью возобладало картезианство.

    И вот как теперь быть с этим мгновенным обменом своими состояниями между двумя удаленными запутанными фотонами (entanglement swapping) ? Как быть со всей физикой СТО и ОТО, с концепцией близкодействия?

    Пока речь идет о фотонах. Но что, если предположить, что эффект телепортации будет при каких-то условиях обнаружен и для других элементарных частиц ? Не так уж сильно в смысле своих квантовых свойств фотоны отличатся от электронов, которые тоже ведь имеют волновые свойства. Да и атомы имеют - чуть-чуть. А потом дело может коснуться не только атомов, но и молекул и, уж своем фантастика, - макротел, включая человека. Телепортация макротела, когда вместо одного объекта мы в некоем отдалении будем иметь абсолютно точную его копию, вызывает множество уже экзистенциальных проблем. Известно, что два идентичных однояйцовых близнеца всегда разные личности хотя бы в силу того, что они занимают разное место в пространстве (у Лема в Солярисе на примере девушки Хари прозорливо показано, что точная копия Хари очень быстро становится иной личностью). А тут будут полностью неразличимые объекты, ибо любое изменение состояния одного тут же приводит к таким же изменениям второго.

    Может быть это прямое проявление божественной воли? И его атрибута вездесущности? Так как Господь всюду, то ему нет нужды пересылать куда-то информацию. Как вам эта гипотеза? Между прочим, ее охотно бы приняли бы Фома Аквинский и Ансельм Кентерберийский в свои доказательства бытия Божия, "коих числом было ровно пять".

    Пока отбить эти выдумки легко: дескать, квантовая запутанность присуща только микрообъектам - и все. У макротел ее нет, так что можно не беспокоиться о раздвоениие личности.

    Написал редактору Троицкого варианта Борису Штерну:

    Может быть, вы знаете, в чем тут дело?

    Ответ: Валерий добрый день,

    1. С моей помощью тоже не просто разобраться, поскольку квантовая механика совершенно контринтуитивна.

    С запутанными электронами подобные эксперименты тоже ставятся, наверно и атомы можно запутать. Классический объект запутать нельзя. Кота Шредингера можно рассматривать, как квантовый объект лишь на временах порядка 10^-30 секунды.

    Это свойство - коррелировать на огромных расстояниях, называется нелокальностью квантовой системы. Родственная ей вещь - коллапс волновой функции, когда она меняется мгновенно во всем пространстве - например, поглощается фотон. Это действительно скручивает мозги в бараний рог, но это так.

    Волновая функция в отличие от физического поля не есть физически наблюдаемая сущность. Поэтому нелокальность не приводит к нарушению причинности. Да, она дает мгновенные корреляции на больших расстояниях, но с их помощью невозможно передать информацию. С СТО все в порядке, с ОТО - тоже, пока само гравитационное поле остается классическим.

    Примерно так.

    Dear Борис, поклон.

    Вот ваш ответ мне понятен и, как говорится, проливает свет. Особенно вот это положение:

    1. Это свойство - коррелировать на огромных расстояниях, называется нелокальностью квантовой системы. Родственная ей вещь - коллапс волновой функции, когда она меняется мгновенно во всем пространстве - например, поглощается фотон. Это действительно скручивает мозги в бараний рог, но это так.

    Какой-то грубой аналогией, наверное, можно считать фазовый переход от жидкого состояния в твердому, когда вся поверхность воды становится льдом. Тут нет никакой передачи информации от точки к точке, а есть реакция на измерение внешних условий.

    Как-то я затеял дискуссию с акад. Александровым на тему о причинности при спонтанном распаде радиоактивных атомов (там как бы нет причины). Он высказал такую формулу:

    "С тех пор я поставил несколько фундаментальных экспериментов в этой области, но в конце концов перестал задумываться - всё равно ни черта не поймешь, как и во всей квантовой механике - она верна, но непостижима".

    Я дописал свои метафизические размышления (когда-то их излагал на лекциях в Физтехе аспирантам и они понимали и принимали).
    Выглядеть это может так: причина существования ядра, скажем, урана есть - это взрыв сверхновой (или слияние двух нейтронных звезд), когда при температурах в триллионы градусов идут все возможные реакции синтеза вплоть до трансурановых элементов. Ну, а то, что потом атом урана распадается неизвестно почему и когда, так это действует вероятностная причинность. Просто вводим такое понятие - вероятностная причинность вместо болезненного для нас индетерминизма. Вот мы с какой-то вероятностью можем предсказать этот распад именно у этого атома. А точно - не можем. Не потому, что не знаем, а потому что сам атом не знает.

    (Это здесь: http://lebed.com/2017/7065.htm)

    Ваш ВЛ

  • universe3
  • Есть много параллелей из истории науки, показывающих, как при столкновении с микромиром приходилось отказываться от, казалось бы, бесспорных положений физики. Например, из электродинамики известно, что движущийся заряд излучает электромагнитные волны и, значит, теряет энергию. Но движущийся вокруг ядра электрон не теряет (иначе бы быстро упал на ядро). Для него это положение недействительно. А излучает (и поглощает) он энергию только при перескоке с одной орбитали на другую, причем только порциями-квантами. К тому же в квантовой механике бессмысленно спрашивать, а как себя ведет электрон между орбиталями, и с какой скоростью он перескакивает. Электрон либо здесь, либо там - и все. Можно считать, перескакивает с бесконечной скоростью, но это абсурдно и ничего не добавляет к законам микромира. Здесь - или там. Точка.Что-то похожее происходит и с запутанностью. Вот так устроен микромир: состояние одного запутанного микрообъекта сразу же отзывается на состоянии другого.Отдаленно это можно пояснить психологическим феноменом инсайта, когда сознание озаряется решением проблемы сразу, мгновенно, без всякого раздумья. В более простом случае так происходит у феноменов, умножающих в уме больше числа. Они ничего там в столбик не умножают, а сразу видят в уме результат.

    Похоже это и на телепатию, когда с одним из людей нечто происходит, а второй сразу об этом узнает. Вот только телепатия экспериментами не подтверждается, а запутанность - подтверждается.

    Может быть, потом выяснится, что эффект запутанности каким-то образом связан с существованием кротовых нор, с удаленными областями пространства, которые могут оказаться рядом через мощные гравитационные поля кротовых нор. Как оказываются рядом две точки, нанесенные на края листа, если этот лист сложить так, что точки сомкнуться.

    Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк в 2009 году   написал статью, из которой вытекало, что "квантовая запутанность является иглой, которая сшивает воедино гобелен космического пространства-времени".

    Ему вторит  Джон Прескилл, физик-теоретик из Калтеха: «Выходя из глубоких основ физики, все указывает на то, что пространство должно быть связано с запутанностью».

    Если это это так, тогда  запутанность не является жутким дальнодействующим соединением,  о котором не хотел и думать Эйнштейн, а вот именно кротовой норой, червоточиной,  вполне реальным тоннелем, соединяющим удаленные точки в пространстве.

    Приложение.

    Остается лишь добавить, что на эффекте запутанности основаны попытки создать квантовый компьютер. Мысль о возможности построения квантового компьютера впервые высказал Р.П. Фейнман (1986). В квантовых вычислениях кубит или квантовый бит является единицей квантовой информации - квантовым аналогом классического двоичного разряда. Кубит - квантовомеханическая система двух состояний, такая как поляризация одного фотона: когда мы имеем два состояния - вертикальную поляризацию и горизонтальную поляризацию. В классической системе бит должен быть либо в одном, либо в другом состоянии. Однако квантовая механика позволяет кубиту находиться в суперпозиции обоих состояний в одно и то же время, что является фундаментальным для квантовых вычислений.

    Физически кубиты представляют собой объекты, которые могут находиться в двух квантовых состояниях: одно из них условно обозначают «0», а другое — «1». Отличием квантовых битов от классических является возможность находиться в состояниях квантовой суперпозиции «0» и «1». В некотором смысле, квантовый объект находится одновременно и в том, и в другом состоянии (это называется суперпозицией). Однако, поддерживать состояние квантовой суперпозиции непросто. Внешние шумы стремятся разрушить то, что называется когерентным состоянием, и кубит довольно быстро самопроизвольно оказывается в одном из состояний «0» или «1» и теряет свои замечательные свойства. Дополнительную сложность создаёт то, что компьютер должен состоять из многих кубитов, и не только каждый из них должен находиться в состоянии квантовой суперпозиции, но и между ними должна существовать квантовая корреляция, известная как квантовая сцепленность или запутанность.

    Вики пишет: "При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих собственных состояний. Вероятности перехода в эти состояния равны соответственно | A в квадрате и B в квадрате, то есть косвенно, по наблюдениям за множеством кубитов, мы всё-таки можем судить об исходном состоянии.

    Кубиты могут быть связаны друг с другом, то есть на них может быть наложена ненаблюдаемая связь, выражающаяся в том, что при всяком изменении над одним из нескольких кубитов остальные меняются согласованно с ним. Иными словами, совокупность запутанных между собой кубитов может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. Как и отдельный кубит, квантовый регистр гораздо сложнее классического регистра битов. Он может не только находиться во всевозможных комбинациях составляющих его битов, но и реализовывать тонкие зависимости между ними.

    Несмотря на то, что мы сами не можем непосредственно наблюдать состояние кубитов и квантовых регистров во всей полноте, между собой они могут обмениваться своим состоянием и могут его преобразовывать. Тогда есть возможность создать компьютер, способный к параллельным вычислениям на уровне своего физического устройства, и проблемой остаётся лишь прочитать конечный результат вычислений".

    Символической вехой является достижение «квантового превосходства», то есть - создание квантового компьютера общего назначения, который может выполнять задачу, которую не может сделать классический компьютер.

    Элементной базой квантовых компьютеров (то есть, "носителями" кубитов) могут быть ядерные спины атомов фосфора в монокристаллическом кремнии, в молекулах трихлорэтилена, атомы в резонаторах электромагнитного поля. Возможно создание кубитов на состояниях сверхпроводников, разделенных переходами Джозефсона и различающихся числом зарядов или фазой сверхпроводников, на линейных оптических элементах (делители пучка, поляризаторы, фазовращатели, интерферометры) и даже на биологических молекулах. Интересна идея создания квантового компьютера на ловушках в вакууме. "Подвешенные" в вакууме ионы (атомы) напрямую осуществляют идею максимально изолированных от окружающего мира квантовых частиц. Связь ионов с окружающим миром сохранена только для удержания ионов в ловушке (электроды с напряжениями) и управления квантовой эволюцией (сфокусированные лазерные пучки).Перспективны кубиты на сверхпроводниках Эксперименты с разными вариантами квантового компьютера ведутся в Лос-Аламосе и Национальном институте стандартов США

    Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, недоступные ни одному из существующих суперкомпьютеров, работающих на классических принципах. Даже введен термин "квантовое превосходство", его предложил в 2012 году физик-теоретик Джон Прескил. Например, за пару секунд-минут такой компьютер сможет прочитать любой шифр.

    Если немного задуматься на эту тему, то сразу возникает много проблем. Например, как именно измерить, насколько квантовый компьютер быстрее классического? Это измерение должно быть проведено для какой-то конкретной задачи? Если да, то для какой? И как проверить, что квантовый компьютер с ней справился, если правильный ответ неизвестен?  А если известен, то в чём тут превосходство?

    Чем больше кубитов в будущем квантовом компьютере, тем он мощнее, но, одновременно, все менее надежен.

    Для очень заметного превосходства нужно иметь 1000 кубитов, пока IBM (в 2018 г.) представила компьютер на 72 кубит. Сложность с этими квантовыми компьютерами еще и в том, что кубиты более-менее работают только при очень низких температурах, ниже минус 200 Цельсия, так что при компьютере нужно иметь мощную холодильную установку. Как говорит акад. Валиев : если в качестве кубитов используются ядерные спины, для инициализации потребуется охлаждение до температур порядка I mK. Можно предположить, что при температурах близких к абсолютому нулю, при минус 273 градусах (без сотых)  тепловые шумы уже не будут разрушать кубиты, и  квантовый компьютер покажет себя во всем блеске. Вот только холодильный агрегат будет стоить как атомный реактор.

    qubit6

    Кубиты в центре желтой гирлянды в окружении холодильника(это как раз вся гирлянда)

  • Quantum-comp
  • Есть серьезные сомнения в том, что настоящий квантовый компьютер вообще возможен в обозримом будущем. Эту точку зрения обосновывает доктор физмат наук М.И. Дьяконов. Академик Камиль Ахметович Валиев по отделению информатики и вычислительной техники РАН (умер в 2010 г.), однако, был более оптимистичен, хотя и говорил, что внешние "шумы -помехи" развалят когерентную работу полномасштабного компьютера с 1000 кубитов. Но далее он сказал:"В самом начале развития идей о квантовом компьютере физики обнаружили и грозного противника этой машины. Имя этого противника -декогерентизация. Кубиты компьютера нельзя полностью изолировать от внешнего мира: кубиты работают в условиях шумового воздействия внешней среды. Флуктуации напряжений на электродах, шумовые токи, неточности выполнения самих импульсных воздействий на кубиты в ходе вычислительного процесса - все это вносит неконтролируемые ошибки в фазы и амплитуды состояний кубитов в ходе вычислительного процесса. По истечении времени, равном времени декогерентизации квантовых состояний системы кубитов, контролируемый вычислительный процесс прекратится, эволюция квантового компьютера приобретет случайный (диффузионный) характер. Время декогерентизации, как правило, будет меньше времени, необходимого для выполнения сложного алгоритма, состоящего из большого числа (-109) вентилей". Выход из этой, казавшейся тупиковой, ситуации был найден в применении методов квантовой коррекции ошибок . Методы коррекции ошибок хорошо известны из теории обычных (классических) компьютеров. Смысл их в том, что логические |0> и |1> кодируются большим числом битов; анализ кодовых комбинаций позволяет найти и удалить ошибку. Эти методы удалось разработать в квантовом варианте, где ошибки могут быть фазовыми и амплитудными. Выяснилось, что если вероятность ошибки при выполнении одной элементарной операции ниже некоторого порогового уровня, вычислительный процесс можно длить сколь угодно долго. Это означает, что операции квантовой коррекции ошибок удаляют из компьютера больше ошибок, чем вносят. Этот вывод очень важен: по существу, он имеет силу теоремы существования полномасштабного квантового компьютера". http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/VRAN/QUBIT/QUBIT.HTMГоворил он это много лет назад, а в сентябре 2017 г. вышла статья учёных из Кали калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Google, в которой утверждается, что сложная задача решается квантовыми компьютерами уже с 50 кубитами лучше, чем любым доступным суперкомпьютером.Другое соображение заключается в том, что для хранения состояния 46 кубит на классическом компьютере требуется почти петабайт памяти — столько нет ни на одной современной машине. По этим причинам 50 кубит стали своеобразным «Святым граалем», к которому все стремятся.qubit4

    Эксперты в квантовых вычислениях не устают повторять, что недостаточно просто создать 50-кубитную(или более) машину. Надо ещё обеспечить и так называемую глубину — количество логических операций (специалисты называют их гейтами), которые могут быть выполнены на компьютере, пока сохраняется квантовая когерентность кубитов и связей между ними. Когда когерентность снижается ниже определённого уровня, нарастающие шумы и возникающие из-за них ошибки делают вычисления невозможными.

    Всё это делает понятие квантового превосходства весьма условным. Это не какой-то магический рубеж, перешагнув который можно говорить о победе квантовых компьютеров, а просто красивый маркетинговый слоган, способный привлечь внимание.

    Поэтому не стоит испытывать иллюзий, видя новости о создании 50-кубитных или 72-кубитных компьютеров. Предстоит немалый путь и много научной и инженерной работы, прежде чем они начнут широко внедряться в нашу повседневность. Тем не менее квантовое превосходство — оно уже здесь, на пороге наших домов, и вскоре изменит мир.

    см. Philip Ball. Race for quantum supremacy hits theoretical quagmire // Nature

  •   а также https://arxiv.org/abs/1709.06678
Комментарии
  • Червона Калина - 17.03.2018 в 21:15:
    Всего комментариев: 107
    Личное мнение. В обозримой перспективе КК сопоставимый по вычислительной мощности с существующими невозможен. На счёт квантовой механики - это самая успешная и Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • Саша - 18.03.2018 в 05:12:
    Всего комментариев: 7
    Уважаешь Валерий! Философия статьи совершенно замечательная. По крайней мере часть которую я прочитал. Но никто кроме вас не называет принцип неопределенности Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
    • redactor - 18.03.2018 в 09:05:
      Всего комментариев: 471
      Да, это явная оговорка. Исправил. Спасибо.
      Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • suveren - 21.03.2018 в 17:46:
    Всего комментариев: 1
    Без эфирных теорий фундаментальная физика так и будет стоять еще 50 лет в тупике. Пока ученые не вернутся к начальным уравнениям Максвелла, не поймут что есть два Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • ow@pisem.net - 22.03.2018 в 00:43:
    Всего комментариев: 426
    Валерий Петрович! Как приятно видеть вас на своём "коне" философии науки. Тут вы и есть настоящий Илья Муромец философской мысли. Для меня ваша публикация - прямое Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
    • redactor - 22.03.2018 в 15:15:
      Всего комментариев: 471
      Поклон, почтенный Владимир. Ваша интуиция вас не обманывала. Да, ничего не поделаешь, вот мы такие как есть, такого масштаба, с такими органами чувств, с таким Показать продолжение
      Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?