тзо_5.1_тело

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_фокус
5.1_тело | 5.2_д___ | 5.3_ц___

bc51esch

5.1_тело

(31)

Любой читатель, мало-мальски знакомый с современной физикой, непременно уже заметил, что на протяжении всего предыдущего материала рассматривались только электромагнетизм и гравитация. И почти ничего не говорилось о прочих фундаментальных взаимодействиях – сильном и слабом ядерном. Соответственно, ничего пока не сказано и о характерных для них частицах: кварках, глюонах, тяжелых бозонах. Естественно, это не случайность.

Базовые элементы электромагнетизма – протон, электрон, фотон – частицы стабильные и никаких оговорок относительно своей реальности обычно не вызывают. С частицами сильных взаимодействий все в корне иначе. Непосредственно в экспериментах наблюдаются не они, а косвенные признаки предполагаемых для них свойств. При этом базовые характеристики данных объектов то и дело нарушают правила, уже твердо установленные для «настоящих», то есть стабильно наблюдаемых квантовых частиц. [5E]

В совокупности же все это похоже не столько на «настоящие вещи», сколько на удобную и неплохо работающую математическую абстракцию. К которой постепенно привыкли и стали воспринимать как «реальность».

Примерно то же самое можно сказать и о тяжелых бозонах слабых взаимодействий. Частицах крайне недолговечных, быстро распадающихся на стабильные компоненты, но очень нужных для стройности математической теории.[5F]

Формулируя мысль чуть иначе, может оказаться так, что при появлении более стройной и непротиворечивой теории, сохранившей все плюсы, но лишенной недостатков и натяжек модели прежней, общая картина упростится. А фундаментальная необходимость во всех этих искусственных объектах отпадет сама собой и естественным образом.

Что конечно же ничуть не отменяет важные процессы, происходящие с частицами и продуктами их распада в ускорителях. Но только в описаниях физики данных процессов объекты типа кварков и глюонов станут, видимо, занимать примерно такое же положение, какое ныне занимают в науке все прочие квазичастицы. То есть математически полезные, но по сути абстрактные конструкции типа экситонов, поляронов, фононов и прочих энионов.

(32)

Последняя из упомянутых пород общеизвестных квазичастиц – энионы – заслуживает особого рассмотрения. Конструкция ANYon – то есть «любая» частица – была введена в квантовую теорию как объект-микровихрь, способный одновременно демонстрировать взаимоисключающие свойства фермионов и бозонов. В пространстве трехмерной вселенной это невозможно, однако в плоском двумерном мире – вполне. [5E]

Примечательные свойства энионов важны сразу по нескольким причинам. Во-первых, потому что из-за релятивистских эффектов, воздействующих на тело очень быстро вращающегося протона, имеются основания считать, что сферическая частица может принимать форму плоского блина. А для частиц-компонентов протона, вращающихся внутри этого вихря энергии, характерны нечеткие квантовые свойства. Кварки это не совсем фермионы, глюоны – не совсем бозоны.

Васцилляция Хайда

Васцилляция Хайда

Во-вторых, в области гидродинамики, которая часто приходит теоретикам на помощь при постижении загадок ядерной физики, имеется близкий по сути феномен под названием васцилляция Хайда или «качание». Суть его в том, что в плоских вращающихся системах природы часто наблюдается явление самоорганизации в виде специфического колебательного процесса. Фаза регулярных волн в жидкости или газе периодически сменяется фазой турбулентных вихрей, которые затем вновь сменяются регулярными волнами. И так далее. То есть происходит стабильное качание системы между состояниями порядка и хаоса. Есть основания считать, что в протоне при его вращении происходит аналогичный процесс васцилляции системы между вихрями-кварками и волнами-глюонами. [46]

В-третьих, наконец, было установлено, что частицы-энионы, благодаря своим редким топологическим особенностям, предоставляют очень перспективный инструментарий для реализации системы исправления ошибок в квантовых компьютерах.

(33)

Дабы неслучайная связь между данными вещами обозначилась более убедительно, имеет смысл процитировать Джона Арчибальда Уилера. Этот видный физик-теоретик, среди прочего знаменитый изобретением термина «черные дыры» и на редкость долгой творческой жизнью, в конце XX века описал эволюцию взглядов ученого на устройство вселенной примерно в таких словах.

В первый из периодов своей жизни в физике, написал Уилер в итоговой автобиографической книге, он был захвачен идеей «все в мире – это частицы». Во второй период, с начала 1950-х, он стал придерживаться взгляда на мир, как на состоящий из полей. Ну а ближе к финалу [середина 1990-х] его захватила новая идея «все – это информация»…]1[

Глубина и важность суждений этого человека, связавшего в своей научной судьбе прошлое и будущее физики XX столетия, станет, возможно, яснее, если упомянуть несколько таких фактов. Джон Уилер был учеником Нильса Бора, отца квантовой физики. Впоследствии аспирантами Джона Уилера в разные эпохи были Ричард Фейнман, Хью Эверетт и Дэвид Дойч. То есть люди, сыгравшие ключевую роль в появлении и становлении новой области научных исследований под названием квантовые вычисления.

Ричард Фейнман считается первым из тех, кто в начале 1980-х проанализировал и обосновал возможность построения принципиально новых компьютеров на основе квантовых эффектов – как естественный способ дешево моделировать феномены квантового мира. ]2[

Хотя Хью Эверетта к тому времени уже не стало, да и физикой он давно не занимался, именно его интерпретация квантовой механики впоследствии легла в качестве теоретической основы для практической реализации квантовых компьютеров.

Ну а Дэвид Дойч – ныне один из наиболее известных идеологов квантовых вычислений и эвереттова мультиверса – на основе этой платформы в 1985 году первым выдвинул концепцию квантового компьютера как универсального квантового симулятора реальности. ]3[

В 1990-е – время бурного расцвета в области квантового компьютинга – было сделано и одно из самых неожиданных, наверное, открытий. Углубляясь в тонкости работы алгоритмов квантовых вычислений, нюансы практической реализации кубитов и технологий квантовой коррекции ошибок, исследователи все больше и больше убеждались, что занимаются задачей типа «обратного инженерного восстановления».

По всему выходит так, что сама вселенная, похоже, работает как гигантский квантовый компьютер.

(34)

Попытки постичь загадки природы через квантовую информатику неизбежно приводят к заключению, что квантовая механика и теория информации сочетаются друг с другом практически идеально. Две данных теории, как нередко сегодня говорят, словно были созданы друг для друга.[78]

Но при этом почти никогда не упоминают, что теория информации и физика высоких энергий – наиболее традиционный подход к исследованию микромира – практикуют диаметрально различающиеся методы постижения природы. В ускорителях высокой энергии частицы разбивают все более и более мощной «кувалдой», пытаясь по брызгам и осколкам восстановить принципы работы механизма.

А теория информации Шеннона, напротив, занимается проблемой гарантированного сохранения и целостности объекта – невзирая на все внешние шумы, искажении и помехи. Применительно к квантовой механике эта задача оказывается особо актуальна, учитывая чрезвычайно хрупкие состояния когерентных квантовых систем, легко распадающихся от малейших внешних воздействий.

При такой – информационной – точке зрения на объекты микромира, общеизвестные феномены сильных ядерных взаимодействий, скажем, начинают выглядеть существенно иначе, нежели в общепринятой квантовой хромодинамике. В частности, на три кварка (два UP и один DOWN), упорно сохраняющие свою идентичность посреди бешеного водоворота энергии в протоне, можно смотреть как на природный механизм для квантовой коррекции ошибок. То есть механизм, позволяющий протону стабильно сохранять все свои родовые свойства практически при любых природных обстоятельствах и коллизиях. [7A]

Тут же уместно вспомнить и другую – пока не востребованную в физике частиц – теорему Шеннона для жонглирования ]4[. Благодаря такому – в основе своей тоже информационному – подходу, не исключено, может появиться и новый способ смотреть на теорию слабых ядерных взаимодействий, описывающую взаимные превращения ядерных частиц друг в друга.

Ближайший родственник протона, нейтрон, как известно, по своим ключевым свойствам сильно отличается от суперстабильного и по сути дела вечного собрата. В свободном состоянии нейтрон живет лишь порядка 15 минут. Внутри же ядра нейтрон не только стабилен, но и своим присутствием вызывает принципиальные перемены даже в протонах. Согласно современным представлениям ядерной физики, протоны и нейтроны внутри ядра постоянно меняются друг с другом местами и свойствами, сосуществуя в виде своего рода промежуточных резонансов, трансформирующих нуклоны друг в друга. [5F]

Есть основания считать, что именно эти постоянные взаимопревращения и обеспечивают стабильность атомному ядру. Когда в одни моменты ядро умудряется оставаться как бы электрически нейтральным, чтобы удержать все нуклоны вместе даже при значительной концентрации отталкивающихся протонов. А в другие моменты проявляет весь свой заряд, чтобы компенсировать отрицательные заряды электронов.

Ну а теорема жонглирования Шеннона, можно напомнить, сосредоточена на очень похожем по сути предмете. На правилах, обеспечивающих бесконечно долгое подбрасывание произвольного числа предметов с помощью заведомо меньшего числа рук. Или иначе, когда одни предметы заняты «в работе», а другие – летают где-то в пространстве, дожидаясь своей очереди…

(35)

Возвращаясь к идеям о создании практичного квантового компьютера, следует особо выделить важнейшее препятствие на данном пути. Хотя в принципе возможность построения работоспособного устройства такого типа давно уже продемонстрирована, квантовый компьютер с большим числом кубитов – необходимый для решения реальных задач – остается проблемой, чрезвычайно сложной в своем разрешении.

Но показательно, что наиболее остроумные и эффективные решения в этой области удается отыскивать у природы. Именно поэтому, собственно, и укрепляется понемногу мнение, что вселенная сама функционирует как квантовый компьютер. Причем компьютер на редкость надежный и давно реализовавший оптимальные решения для всех сопутствовавших конструированию проблем.

В 1997 году, рассуждая в подобном ключе, Алексей Китаев изобрел новаторскую концепцию под названием «топологический квантовый компьютер» ]5[. Идея родилась, когда Китаев обратил внимание на поразительную стабильность природных квантовых систем, обладающих чем-то вроде естественной устойчивости к шумам. Иначе говоря, чрезвычайно высокая сопротивляемость к разрушению когерентности является по сути дела их врожденной чертой.

Развивая эту идею, Китаев и другие исследователи занялись разработкой такого вычислителя, в котором тонкие квантовые состояния зависят от топологических свойств физической системы. Топологические характеристики, можно напомнить, считаются наиболее устойчивыми свойствами объектов, поскольку не меняются при их плавных деформациях типа растяжения, сжатия и изгибания.

Ну а топологический квантовый компьютер, соответственно, мыслится как выполняющий вычисления на гипотетических нитях, представляющих собой мировые линии движения квантовых частиц в пространстве-времени. Можно считать, что длина такой нити изображает движение частицы во времени, а ее толщина – это физические размеры частицы в пространстве.

Как показали теоретики, если для реализации топологического компьютера берутся квазичастицы особого типа – уже знакомые нам энионы – то можно в строго определенной последовательности перемещать пары соседних частиц друг вокруг друга. Как результат, траектории энионов в пространстве-времени сплетаются в косу, топологическая структура которой и содержит в себе помехоустойчивое квантовое вычисление. То есть конечные состояния частиц, содержащие результаты вычисления, определяются сплетением нитей в косе и не зависят от электрических или магнитных помех…

На этом месте самое время напомнить о двухбранной модели вселенной и о том механизме, с помощью которого там устроена реализация SUSY. Когда браны находятся в фазе максимального схождения, пространство становится плоским, а все частицы превращаются в свою противоположность. Фермионы становятся бозонами, бозоны наоборот фермионами, а в целом получается, что все микрокомпоненты нашего мира в определенном смысле являются энионами.

Более того, в данную модель очень органично вписывается знаменитый теоретический результат Рольфа Ландауэра ]6[, ведущего ученого IBM. Задолго до рождения концепции квантового компьютера, еще в 1961 году Ландауэр продемонстрировал возможность создания такого устройства, в котором вычисления происходят вообще без затрат энергии. Главным условием для работы такой схемы оказалась полная обратимость вычислений или запоминание не только выхода, но и всех входных данных. [79]

Позднее этот результат, конечно же, стал расцениваться как очень важный для развития квантовой теории информации – коль скоро законы квантовой механики обратимы во времени. Теперь же картина складывается так, что идеи Китаева и Ландауэра, судя по всему, в природе давным-давно сведены в единый простой механизм.

Далее будет показано, что топологические косы, тянущиеся во времени за квантовыми частицами – это, похоже, не только реальные объекты. Но и, кроме того, в этих же косах постоянно запоминаются все прежние состояния системы. Что нужно и для обратимости вычислений, и для снижения общих энергозатрат, и много еще для чего.

Для всего, что составляет «душу материи»…

 (Читать далее)

___

[46] Похоже на атмосферу, https://kniganews.org/map/e/01-00/hex46/

[5E] Принцип дуализма Хайда, https://kniganews.org/map/e/01-01/hex5e/

[5F] Принцип неопределенности Гельмгольца, https://kniganews.org/map/e/01-01/hex5f/

[78] Физика информации, https://kniganews.org/map/e/01-11/hex78/

[79] Обратимость с участием разума, https://kniganews.org/map/e/01-11/hex79/

[7A] Когерентность без ошибок, https://kniganews.org/map/e/01-11/hex7a/

Внешние ссылки:

]1[. Wheeler J.A. (1998) «Geons, Black Holes & Quantum Foam: A Life in Physics«. New York, W.W. Norton & Company, pp. 63-64.

]2[. Feynman R P (1982) «Simulating physics with computers«, Int. J. Theor. Phys. 21 467-488 ; Feynman R P (1986) «Quantum mechanical computers«, Found. Phys. 16 507-531.

]3[. Deutsch D (1985) «Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer«, Proc.Roy. Soc. Lond. A 400 97-117

]4[. Shannon С., «Scientific Aspects of Juggling» . In «Claude Elwood Shannon: Collected Papers«. Eds. N.J.A. Sloane and A. D. Wyner. IEEE Press (1993)

]5[. Kitaev A. Yu. (1997) «Fault-tolerant quantum computation by anyons«. arXiv: quant-ph/9707021

]6[. R. Landauer (1961) «Irreversibility and heat generation in the computing process,» IBM Journal of Research and Development, vol. 5, pp. 183-191, 1961

___