26 июнь
Глубже квантовой механики: новая теория реальности
Автор: Лариса Артамонова
Просмотров: 14528

Один из невоспетых героев ХХ столетия — математик и инженер-электротехник Клод Шеннон, работавший в знаменитой лаборатории Белла в 40-е, 50-е и 60-е годы. Самым значимым достижением Шеннона стала теория информации, разработанная в 1948 году и оказавшая огромное влияние на наш мир. Эта теория легла в основу всех цифровых коммуникаций. Мобильные телефоны, цифровое телевидение и радио, компьютеры и интернет — все напрямую связано с ней.  

1 квантовая механика

Но в его теории информации есть проблемный пункт, который в последние годы активно обсуждали физики и математики. Дело в том, что теория применима только к классической информации, к рядам нулей и единиц, которые образуют обычный цифровой код. Но физиков все больше интересует квантовая информация и ее потенциал для криптографии и для создания квантовых компьютеров.

2 квантовая механика

Однако к квантовой информации идеи Шеннона неприменимы. Вот почему целый ряд исследовательских групп работал над альтернативной редакцией теории, которая дала бы квантовой информации то же теоретическое основание, какое Шеннон предложил для классической. Работа Дэвида Дойча и Кьяры Марлетто из Оксфордского университета в Великобритании на один шаг приблизила нас к решению этой задачи. Они предложили способ связать классическую и квантовую теорию информации в рамках одной общей метатеории, объясняющей обе эти концепции.

3 квантовая механика

В сущности, Дойч утверждает, что теория конструктора — это своего рода краеугольный камень реальности, с которого начинаются все законы физики. Теория конструктора — это радикально новый способ мыслить о Вселенной. Дойч подчеркивает, что сегодня работа физика состоит в основном в том, чтобы объяснять мир в терминах изначальных состояний и законов движения. Это ведет к различению того, что происходит, и того, что не происходит. Теория конструктора переворачивает этот подход с ног на голову.

4 квантовая механика

Другими словами, законы физики не говорят вам, что возможно, а что невозможно, — они являются результатом возможного и невозможного. Таким образом, размышления о возможных и невозможных физических трансформациях ведут к формулировке законов физики. Вот почему теория конструктора глубже, чем все предшествующие теории. В сущности, Дойч считает ее не физическим законом, а принципом (или набором принципов), которому подчиняются законы физики.

Он проводит аналогию с законами сохранения (например, с законом сохранения энергии).

5 квантовая механика

Когда энергия превращается из химической в электрическую, кинетическую, потенциальную и т. д., ее поведение управляется множеством различных законов. Но все они подчиняются одному общему принципу: энергия сохраняется.

«Таким образом, закон сохранения, хотя и не является априорной математической истиной, дает движению объяснение более глубокое, чем собственно законы движения, — объясняют Дойч и Марлетто. — Теория конструктора выполняет похожую функцию. Это принцип, который выражает и объясняет скорее ограничения других законов, чем поведение физических объектов как таковое». «Один закон, чтоб править всеми», как сказал бы Толкин.

В этом отношении информация идентична энергии. Ее можно закодировать с использованием света, химии, электричества, дымовых сигналов и т. д., и все эти способы и процессы будут подчиняться различным законам физики. Тем не менее информация как таковая не сводится к этому: она сохраняется независимо от того, какие законы физики и средства передачи задействованы.

Принципы, обусловливающие поведение информации, до сегодняшнего дня оставались неизвестными. Дойч и Марлетто  в своей работе предлагают свое видение этих принципов.

6 квантовая механика

«Во всех предыдущих попытках на фундаментальном уровне включить информацию в физику, по меньшей мере в квантовую теорию, информация рассматривалась как априори математический или логический концепт. Мы придерживаемся иной, противоположной точки зрения», — заявляют Дойч и Марлетто.

Их метод сводится к определению набора из девяти принципов, основанных на теории конструктора, и приложению их к тому, что мы считаем возможным и невозможным в отношении информации. Эти принципы выражают концепты вычислений, измерений и классической информации. Затем Дойч и Марлетто выделяют новый концепт под названием «суперинформация», применительно к которому отдельные задачи, связанные с информацией, невыполнимы. Далее следует демонстрация того, что отличительные особенности квантовой информации вытекают из невозможности этих задач. По словам ученых, «квантовая информация предстает как частный случай суперинформации».

Этот подход позволяет решить несколько проблем.

7 квантовая механика

Но в теории конструктора природа информации определяется только физическими законами. Таким образом, указанную сложность удается изящно обойти.

Кроме того, теория конструктора впервые объединяет квантовую и классическую информацию в рамках одного теоретического подхода. Это значительный шаг вперед, который может иметь важные последствия для развивающихся технологий квантовых вычислений, криптографии и коммуникации.

Важно подчеркнуть, что теория конструктора — это не способ выведения законов физики. Дойч и Марлетто не пытаются, например, вывести квантовую механику из какой-то более глубокой теории. Но общий принцип работает примерно как закон сохранения энергии. Это не математическая истина как таковая, но Дойч и Марлетто утверждают, что этот принцип лежит глубже тех законов физики, которые ему подчиняются.

8 квантовая механика

Возникает резонный вопрос о применимости теории конструктора в будущем. Дойч восхищается фундаментальными свойствами реальности, и для него более глубокое объяснение всего сущего — это повод продолжать исследовательскую работу. Но будут и те, кто потребует большего — например, проверяемых гипотез, которые позволят определить, правдива теория или нет. Такого рода оценки, несомненно, появятся, когда другие физики откроют для себя концепцию Дойча.

И конечно, идея продолжать его исследования в этой области заманчива для физиков не в последнюю очередь потому, что Дойч — признанный эксперт в области фундаментальной физики и один из наиболее изобретательных и смелых мыслителей нашего времени. Он одним из первых начал заниматься разработкой основ квантовых вычислений в 80-е. Тогда идея использования квантовой механики для вычислений находилась на задворках науки — сегодня это один из главных двигателей не только физики как таковой, но и вообще новых технологий.

9 квантовая механика

Иными словами, послужной список у Дойча весьма впечатляющий. Глупо было бы спорить с тем, что теория конструктора вполне может занять важнейшее место в физике и окажет существенное влияние на наше понимание Вселенной. Шеннон, который скончался в 2001 году, точно был бы впечатлен.

Источник: http://mtrpl.ru/

вверх