Вселенная это квантовый компьютер

Наша Вселенная — просто кубит в гигантском квантовом компьютере

Двое физиков из Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта опубликовали исследование, в котором развивается предположение о том, что вся наша Вселенная сама по себе является квантовым объектом. Выведение квантовой теории на макроуровень, по мнению ученых, может дать естественные физические объяснения явлениям темной материи и фантомных полей.

В исследовании ученые Артем Юров и Валериан Юров провели аналогию между Вселенной и квантовым компьютером. Они утверждают, что Вселенную нужно рассматривать как квантовый объект или кубит в большой вычислительной машине.

Это означает, что Вселенная обладает квантовыми свойствами, которые включают суперпозицию, то есть возможность быть более чем в одном месте или состоянии одновременно.

Такому амбициозному заявлению можно было бы противопоставить явление декогеренции. То есть то, как квантовые объекты «коллапсируют» из множества возможных состояний в одно физическое. Это состояние определяется окружением, с которым кванты взаимодействуют.

Артем Юров и сам долгое время был озадачен этой проблемой: «Однажды меня спросили: “С чем взаимодействует Вселенная?”. Я тогда ничего не ответил. Казалось, что нет ничего, кроме самой Вселенной, и нет ничего, с чем она может взаимодействовать».

Однако в целом ученые не растерялись, представив ответ в своей работе: «не существует такой вещи, как “декогеренция”». То есть Вселенная всегда остается в квантовом состоянии.

По мнению исследователей, причина, по которой квантовые явления настолько хрупки, не имеет ничего общего с «коллапсом волновой функции» (резкой декогеренцией при наличии наблюдателя). Существование квантовых явлений зависит исключительно от взаимного положения соседних «миров». Когда они достаточно близки, квантовый потенциал жив и активен; когда они расходятся, квантовый потенциал уменьшается, и частицы снова становятся классическими.

Значит, скорее всего, люди — это не магические наблюдатели, заставляющие кванты коллапсировать в классическую реальность, а просто шум, который игнорируют Вселенные, пока занимаются своими вычислениями.

Источник

Вселенная это квантовый компьютер

• ЖАНРЫ 360
• АВТОРЫ 273 968
• КНИГИ 643 668
• СЕРИИ 24 526
• ПОЛЬЗОВАТЕЛИ 604 712

Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Издательство благодарит Russian Quantum Center, Сергея Белоусова и Виктора Орловского за помощь в подготовке издания.

Перевод А. Стативка

Редактор И. Лисов

Редакторы Russian Quantum Center А. Сергеев, Д. Фалалеев

Руководитель проекта А. Половникова

Корректор Е. Сметанникова

Компьютерная верстка М. Поташкин

Иллюстрация обложки GettyImages/Fotobank.ru

© Seth Lloyd, 2006

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2013

Предисловие автора к русскому изданию

Я с удовольствием пишу это специальное введение для издания книги «Программируя Вселенную» на русском языке. Я хотел бы поблагодарить Сергея Белоусова, Евгения Демлера, Мишу Лукина и всех коллег из Российского квантового центра, которые помогли сделать возможной публикацию этого русского перевода. Российский квантовый центр – это новое прогрессивное учреждение, которое сохраняет великую русскую традицию фундаментальной науки. Исследователи центра уже внесли важный вклад в теорию и практику обработки квантовой информации, которая является одной из центральных тем моей книги. Я с нетерпением жду от этой научной организации новых больших и прекрасных научных достижений.

Идея «Программируя Вселенную» состоит в том, что мы должны воспринимать Вселенную в терминах обработки информации, проводимой ею на самом фундаментальном уровне. В традиционном физическом описании Вселенной главной величиной является энергия. Недавно, однако, стало ясно, что информация является столь же важной величиной. Как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc², вся материя сделана из энергии. Однако информация задает форму, которую принимает вещество, и определяет те преобразования, которым подвергается энергия. В глубине своей Вселенная – это танец вращений и щелкающих звуков, в котором энергия и информация являются равными партнерами. Вселенная, в сущности, является гигантским компьютером, в котором каждый атом и каждая элементарная частица содержат биты информации, и каждый раз, когда два атома или две частицы сталкиваются, эти биты меняют свои значения. Вычислительная природа Вселенной дает начало ее запутанности и сложности: все, что может быть вычислено – все, что может вообразить наш разум, и даже сверх того – существует где-то во Вселенной.

Российские математики и ученые вписали много прекрасных страниц в теорию информации. Работы Андрея Николаевича Колмогорова были очень важны для этой книги: Колмогоров был одним из основоположников в области теории алгоритмической информации, в которой утверждается, что информация должна быть определена на языке ее обработки, то есть через вычисления. Теория сложности Колмогорова является естественной основой теорий вычисления и образования сложности, обсуждаемых в этой книге. В последнее время российские ученые сделали исключительно важный вклад в теорию квантовой информации и квантовых вычислений. Квантовая механика – это раздел физики, который изучает поведение вещества и энергии в их самой фундаментальной форме. В своей основе она является странной и контринтуитивной: частицы имеют соответствие в виде волн, а волны сделаны из частиц – это корпускулярно-волновой дуализм. Один электрон может находиться одновременно в двух местах, и множество вещей, которые для нашего классического воображения представляются невозможными, в действительности происходят ежесекундно. Вселенная – это не просто компьютер; в силу своей природы она является квантово-механическим компьютером. Сочетание квантовой странности с обработкой информации как раз и придает Вселенной ее стабильность, мощь и сложность.

Я имел счастье начинать свою научную карьеру в 1980-е гг., в момент, когда российские и советские ученые начали выезжать за границу после многих десятилетий разобщения с остальным миром. Помимо открытия сокровищницы фундаментальной научной информации, которая до этого была опубликована только на русском языке, эти ученые придали научному дискурсу уникальный и чудесный дух. В юности я читал Толстого и Достоевского и потому был знаком с богатством русской интеллектуальной дискуссии, но я никогда до этого не участвовал в настоящем русском научном споре, когда начинают говорить на повышенных тонах, когда по столу бьют кулаком, когда кусок мела могут в сердцах разбить о доску, но в конце, когда задачу удалось решить, все снова становятся друзьями. Страсть, настойчивость и дружеское разрешение фундаментальных проблем – вот истинный дух науки! И я надеюсь, что русское издание «Программируя Вселенную» породит яркие научные споры.

Яблоко и Вселенная

«В начале был бит», – начал я. Часовня женского монастыря XVII в., где находится занятый изучением сложных систем Институт Санта-Фе, была заполнена обычными слушателями: физиками, биологами, экономистами и математиками с закваской из нескольких Нобелевских лауреатов. Один из отцов-основателей астрофизики и квантовой гравитации, Джон Арчибальд Уилер, предложил мне прочесть лекцию на тему «Всё из бита». Я принял вызов. Стоя перед аудиторией, я стал сомневаться, стоило ли это делать, но отступать было некуда. Я взял в руку яблоко.

«Вещи возникают из информации, то есть из битов, – продолжил я, нервно подбрасывая яблоко в воздух. – Это яблоко – хороший объект. Яблоко часто ассоциируют с информацией. Во-первых, яблоко – плод познания, “смертельный вкус которого принес на землю смерть и все страданья наши”. Оно несет информацию о добре и зле. Позже именно траектория падающего яблока подсказала Ньютону универсальные законы тяготения, а искривленная поверхность яблока есть метафора искривленного пространства времени Эйнштейна. Ближе к нашей теме то, что в генетическом коде, записанном в семенах яблока, запрограммирована структура будущих яблонь. И еще одно, не менее важное свойство яблока: оно содержит свободную энергию – калории богатой битами энергии, благодаря которой функционирует наше тело». Я откусил кусочек яблока.

«Очевидно, это яблоко содержит информацию разных типов. Но сколько оно вмещает? Сколько битов в нем?» Я положил яблоко на стол и повернулся к доске, чтобы сделать быстрый расчет. «Что интересно, количество битов в яблоке известно с начала XX в., когда еще не было самого слова “бит”. Может показаться, что яблоко содержит бесконечное число битов, но это не так. В действительности законы квантовой механики, управляющие всеми физическими системами, говорят, что требуется лишь конечное число битов, чтобы определить микроскопическое состояние яблока и всех его атомов. Каждый атом, а точнее, его положение и скорость содержит всего несколько битов; каждый ядерный спин в ядре атома хранит один-единственный бит. Поэтому битов в яблоке всего в несколько раз больше, чем атомов – несколько миллионов миллиардов миллиардов нулей и единиц».

Я повернулся к аудитории. Яблока на столе не было. Ничего себе! Кто его взял? Уилер безмятежно смотрел на меня. Лицо Мюррея Гелл-Манна, нобелевского лауреата, изобретателя кварка и одного из ведущих физиков мира, также не отражало никаких эмоций.

«Я не могу продолжать без яблока. Нет объекта – нет битов», – заявил я и сел.

Моя голодная забастовка продлилась всего несколько мгновений: улыбнувшись, инженер из исследовательского центра Bell Labs протянул мне яблоко. Я взял его и поднял над головой, бросая вызов любому, кто решится совершить еще одну попытку воровства. Это была моя ошибка. Но тогда мне казалось, что все идет хорошо.

Источник

ИнтервьюСет Ллойд о Вселенной как компьютере, о будущем и технологических революциях

Мы поговорили со знаменитым профессором MIT и создателем первых квантовых компьютеров

22 июля в Москве прочитал лекцию Сет Ллойд, профессор Массачусетского Технологического Института и знаменитый физик, занимающийся созданием квантовых компьютеров. Он приехал в Москву в качестве специального гостя Второй международной конференции по квантовым технологиям, организованной Российским Квантовым Центром. Ллойд прославился благодаря своей книге «Программируя Вселенную», в которой он утверждает, что Вселенная — это огромный квантовый компьютер, который творит будущее с помощью вычислений. Look At Me поговорил со знаменитым учёным о том, зачем нужны квантовые компьютеры, как физики проводят свободное время и почему наука — это funky.

Сет Ллойд

Профессор MIT и создатель модели квантового компьютера

Почему вы считаете, что Вселенная — это компьютер?

Вселенная состоит из атомов, но важно понимать, что все эти частицы содержат информацию, и, когда, например, сталкиваются две элементарные частицы, биты информации трансформируются в ходе этого процесса. Мы можем думать о Вселенной как о чем-то состоящем из атомов, и это традиционный взгляд на вещи, но мы также можем смотреть на атомы как на нечто, содержащее информацию и обрабатывающее её, как на компьютер. Я пытаюсь придумать и создать квантовые компьютеры и хранить информацию в атомах, но атомы и так производят вычислительные процессы, и, когда мы строим квантовые компьютеры, мы просто должны попытаться заставить атомы вычислять другим способом. Я подходил к созданию квантовых компьютеров с точки зрения технологий, но потом я понял, что мы как бы пытаемся вмешаться в процесс вычислений, которые давно уже выполняет Вселенная.

Как ваша теория о том, что Вселенная — это квантовый компьютер, меняет вашу повседневную жизнь? И как она может изменить представления людей об окружающем мире?

Обычно мы представляем, что Вселенная состоит из частиц энергии, но также можно сказать, что она состоит из битов, информационных частиц. Как только мы понимаем, что Вселенная ведёт вычисления и обрабатывает информацию, мировоззрение сразу меняется. Во-первых, такой подход помогает объяснить вещи, которые на основе других теорий остаются довольно загадочными. Например, мы до сих пор не можем точно ответить на вопрос о зарождении жизни на Земле. На самом деле жизнь — это обработка информации, в её основе лежит ДНК, молекула, которая несёт информацию и программирует все системы организма, чтобы они функционировали так, как функционируют. Если подумать о жизни как об обработке энергии и обработке информации, становится понятно, что Вселенная тоже может рассматриваться как обработка энергии и информации. Жизнь естественно возникает из этих «вычислений» Вселенной.

Жизнь на Земле — это результат «вычислений» Вселенной

D-Wave — один из первых
коммерческих квантовых компьютеров

Какие самые сложные вычисления были произведены с помощью существующих квантовых компьютеров, с которыми вы работаете?

Существующие квантовые компьютеры довольно маленькие и слабые. Пока они способны производить несколько сотен операций с небольшими числами, с десятками. Но даже с такими мощностями мы можем узнать очень многое о том, как происходит обработка информации на микроскопическом уровне. Также существуют специализированные квантовые компьютеры. Например, компьютер, созданный компанией D-Wave, — в его основе лежит разработка, которую я и мой студент придумали около 10 лет назад и даже не надеялись тогда, что это будет работать. И такие квантовые компьютеры могут производить гораздо более сложные вычисления и служить некой определённой цели.

Когда появятся мощные квантовые компьютеры, как мы сможем их применять?

Существует несколько областей применения для таких компьютеров. Одна из самых очевидных довольно разрушительна: квантовые компьютеры можно будет использовать для взлома кодов в интернете и паролей к кредитным картам. Я люблю пользоваться интернет-магазинами и поэтому надеюсь, что для этого квантовые компьютеры не будут применяться. Кроме того, есть и другая, более полезная функция: мы можем использовать их для того, чтобы симулировать какие-то природные ситуации, процессы в атомах, — это поможет узнать больше о происхождении Вселенной.

Недавно я и мои коллеги также поняли, что квантовые компьютеры можно использовать для исследования очень больших объёмов информации. Например, если бы существовала база данных с генетическими данными обо всех людях на земле, это была бы база с огромным количеством информации, состоящая из миллиардов бит. Квантовые компьютеры могут помочь выявить паттерны в этой базе данных, а это не по силам обычным компьютерам. С другой стороны, возникают сложные вопросы приватности, потому что я, например, точно не хочу, чтобы фармацевтические компании обладали информацией о моих генетических данных. Если мы могли бы использовать квантовые компьютеры для исследования данных о генах, о населении и при этом гарантировать защиту личных данных и найти общие паттерны, то это могло бы помочь нам узнать о жизни на Земле.

Технологическая революция — это не только появление компьютеров и iPhone, которые помогают нам убивать время

Когда атомы могут рассматриваться как биты, очень сложно провести границу между миром природы и миром компьютеров. Верите ли вы в то, что в будущем возникнет искусственный интеллект и наступит технологическая сингулярность?

Я знаю Рэя Курцвейла, он живёт неподалеку от меня, он дикий и сумасшедший парень. Население Земли растёт очень быстро, быстрее, чем по экспоненте. Тысячу лет назад население Земли удваивалось каждые несколько сотен лет, а сейчас — каждые 10—15 лет. Получается, что к 2080 году население будет просто огромным, но это вряд ли произойдет. Также и с информацией — её количество увеличивается вдвое с каждым годом, то есть скоро её количество будет приближаться к бесконечности. Я не так оптимистичен, как Рэй Курцвейл, и я не думаю, что сингулярность может наступить. А если она наступит, то это, на мой взгляд, вызовет больше разрушения, это не будет дивным новым миром.

Существует очень много версий того, каким будет будущее, и сингулярность — только одна из них. Как вам видится будущее, если появятся мощные квантовые компьютеры?

Квантовые компьютеры, безусловно, сделают будущее более интресным, но я, кажется, знаю недостаточно, чтобы сказать, что произойдёт в мире технологий в будущем. Я уверен, что говоря о будущем, мы можем процитировать Джеймса Брауна: что бы ни случилось, «it’s got to be funky». Моя главная цель на ближайшее будущее — заниматься наукой и получать от этого удовольствие. Мне повезло работать в MIT, потому что там люди каждый день занимаются странными, иногда сумасшедшими, но всегда совершенно новыми вещами. Самое лучшее занятие на свете — узнавать о чем-то новом, чем-то удивительном.

В ваших лекциях вы много говорите о влиянии технологических революций на наше мировоззрение. Как вы думаете, нужны ли эти технологические революции странам третьего мира? Ведь все технологические революции произошли в основном в западных странах.

В моей книге «Программируя Вселенную» я подчеркиваю, что вижу эволюцию как последовательность технологических революций — революций в области обработки информации. Но я говорю не только о революции в области электроники (которая происходит прямо сейчас), человечество пережило и другие более важные революции в области обработки информации, например, изобретение печатного станка, который позволил огромному количеству людей получить доступ к знаниям. До этого было изобретение письменности — это тоже потрясающая революция в области обработки информации. Ещё раньше произошло появление языка — это именно то, что делает нас людьми, то, что отличает нас от животных и растений. Так что я уверен, что мы должны представлять технологические революции шире и не думать, что технологическая революция — это появление компьютеров и iPhone, которые помогают нам убивать время. Мне кажется, что бедные страны третьего мира выигрывают намного больше от различных технологических революций и показывают, например, как жизнь может измениться с появлением Twitter. Я очень надеюсь, что люди из стран третьего мира смогут использовать все преимущества технологических революций и смогут научить нас многому.

Как вы проводите свободное время?

Я работаю с компьютерами, так что в свободное время стараюсь держаться от них подальше. Сейчас я читаю книгу How the Hippies Saved Physics, но только потому, что её написал мой друг — вообще-то я предпочитаю художественную литературу, а не книги о физике. Я не пользуюсь социальными сетями, потому что это мешает сосредоточиться: я смотрю на своих детей-тинейджеров, которые всё время погружены в этот шум, производимый Twitter и Facebook, и вижу, что они не могут спокойно даже что-то читать из-за постоянных обновлений. Настоящий отдых для меня — провести вечер, читая iPad-версию журнала New Yorker, с бокалом вина в руке.

Источник