Квантовые вычисления обречены?

А что если если квантовые вычисления невозможны потому что противоречат законам природы? Звучит как бред? Давайте попробуем порассуждать.

Дисклеймер

Тут излагается мое диванное понимание законов природы. И хотя, имея когда-то физическое образование и стараясь не противоречить известным физическим теориям, я излагаю довольно неортодоксальную трактовку законов природы. Прошу прощения за возможные неточности и грубые ошибки. Я открыт к конструктивной критике.

Если еще не отпугнул таким вступлением очередного «непризнанного гения», то предлагаю порассуждать о нашем реальном мире и немного пофантазировать, какие есть следствия если он действительно такой, каким я его здесь описываю.

Про волную природу частиц

Для начала давайте разберемся, что такое квантово-волновой дуализм, и как его понять. Возьмем для примера самый простой случай — обычный фотон, он же — электромагнитная волна.

Вот есть радио-волна — это очень длинноволновый фотон. Он легко заворачивает за углы, может неплохо пролетать сквозь стены, немного теряя интенсивность, да? А вот и нет. Фотон не может потерять интенсивность, это неделимый квант энергии. Тогда что снижается за стеной? Конечно же число прошедших фотонов, когда их много. Сами фотоны энергию не теряли. Запомним этот факт и продолжим рассуждения.

А вы знали, что магнитного поля не существует? Есть два способа описать суть магнетизма. Первый способ — через уравнения Максвелла. Все мы помним из школы, что два проводника, по которым течет ток, притягиваются или отталкиваются за счет влияния магнитного поля на движущиеся электроны (закон Ампера).

Кроме того, в школе, хотя далеко и не в каждой, рассказывают про такой трюк: электроны в двух проводниках движутся, значит согласно СТО расстояния и время для них выгладят по-разному. Это приводит к тому, что электрону в одном проводнике «кажется» что плотность зарядов во втором проводнике отличается. Если аккуратно посчитать эффект кулоновского (электрического) притяжения или отталкивания за счет такой разницы зарядов, то окажется, что эта сила в точности равна силе Ампера. Т.е. когда мы применяем силу Кулона одновременно со Специальной Теорией Относительности, магнитное поле оказывается избыточным конструктором.

И действительно, если перейти в систему отсчета, движущуюся со скоростью света, то согласно преобразованиям Лоренца, магнитные компоненты управлений Максвелла исчезают, а остаются только электрические компоненты.

Магнитное поле — есть следствие взаимодействия электрического поля с трехмерным «пространством», а не самостоятельное явление.

Забавно вроде бы, но что нам с того?

Этот факт мог бы быть просто интересным математическим трюком, если бы не знали, что есть второе объяснение магнитного поля: магнитный момент — это одно из фундаментальных квантовых свойств, присущих каждой (почти) элементарной частице. В том числе неподвижной. Посмотрите на магниты, которые вас окружают в данный момент — это все проявления квантовой физики в чистом виде.

Но ведь магнитного поля «не существует», как мы выяснили одним абзацем ранее, не так ли? Что-то тут не так. Давайте рассуждать дальше.

Подробнее

Вот видео про магнетизм с картинками.

Что еще за чертовщина

Двухщелевой эксперимент — это классика. Но вот знаете ли вы о всех вариантах его проведения? Очень рекомендую вот это видео чтобы у вас окончательно уехала крыша (к сожалению только на английском, включите перевод субтитров для облегчения понимания). Возвращайтесь к прочтению, когда посмотрите это видео. Хитрить нельзя, досмотрите до 9-го эксперимента. Потому что из видео мы для себя сейчас запомним следующих факт:

Природа не терпит нарушений своих законов. Если сказано, что нельзя измерить, значит нельзя. Даже задним числом.

Квантовая суперпозиция и парадокс наблюдателя

Я не буду пересказывать эксперимент с котом Шредингера. Если вы про него не знаете, то дальше читать не имеет смысла. Теперь я постараюсь вам его объяснить.

Вообще этот парадокс сродни анекдоту:

Наконец-то ученые открыли секрет долголетия ежей. Оказывается, никакого секрета нет. Да и живут-то они в общем-то недолго.

Явление измерения — это событие взаимодействия посредством одной из четырех фундаментальных сил. При этом событии состояние измерителя запутывается (квантовая когеренция) с объектом измерения. А следовательно чтобы провести настоящий эксперимент с котом надо будет этот ящик изолировать от окружающего пространства так, чтобы он не мог взаимодействовать ни с чем никаким из известных нам фундаментальных взаимодействий. Если хоть один фотон пролетит — все волновая функция схлопывается, и конец эксперименту. Сорри, киса, мяукнуть не получится. Нет никакой магии в «наблюдателе» наблюдатель, либо взаимодействует с системой, а значит связан с ней в причинно-следственных связях; либо не взаимодействует, и тогда система «занимается черт знает чем» — летает через все щели одновременно.

Захлопните свою волновую функцию

Что еще за хрень эта ваша волновая функция? Нам говорят, что она единая на всю вселенную. Что она инвариантна относительно глобального сдвига фаз (т.е. угол поворота комплексного вектора вселенной можно повернуть на любой угол, и решение от этого не изменится). Что квадрат модуля этой функции равен вероятности встретить частицу в данной точке пространства, а значит бессмысленно говорить о функции для отдельной частицы — это статистический параметр множества измерений.

Вот вам мое вольное объяснение:

Волновая функция — это колебания реальности, которая пока не определилась, что она сделает, пока на нее никто не смотрит.

Иными словами, область пространства, квантово изолированная от окружающих областей тут же начинает колебаться — входит в суперпозицию всех незапрещенных состояний и событий, согласно диаграммам Фейнмана.

Про изолированность стоит объяснить отдельно. Дело в том, что природа пользуется любой уловкой, которая допустима. Например, если в вашей экспериментальной установке вы взаимодействуете своими приборами чтобы измерить одну характеристику системы, а про остальные не знаете, то они точно также «проявят свою квантовою природу», т.е. останутся в суперпозиции состояний.

Например, если мы в классическом эксперименте вместо 2 щелей сделаем щель в форме квадрата, то получим забавную интерференционную картину, от двух пар щелей — вертикальных и горизонтальных — такие вложенные квадраты различной яркости. Если мы теперь измерим через какую из вертикальных щелей пролетает частица, то горизонтальная интерференция пропадет. Но вертикальная останется! Мы же ее не измеряли, а значит природе ничто «не запрещает» заниматься своими квантовыми непотребствами.

ВременнОе измерение — не исключение, как мы уже поняли из 9-го эксперимента про свет.

Так что там с фотоном?

Фотон — это не волна и не частица. Это колебание реальности, которая может проявиться в виде электрического взаимодействия в какой-то точке пространства. Но только в одной точке. И не надо спрашивать, как этот фотон туда прилетел. Он и не летел никуда. Это реальность устанавливала причинно следственные связи удаленных областей пространства. Так уж вышло, что одна область «электрически» повлияла на другую область. Повлияла она всеми незапрещенными «траекториями». Если одну из траекторий вы измерили, то природа услужливо исключит остальные чтобы «не противоречить себе» — не нарушать свои законы.

Фотону природа разрешает на различном удалении в зависимости от энергии влиять по-разному — с определенной периодичностью, которую мы называем «длиной волны». Но влиять разрешается только один раз.

Про причинно-следственные связи

Судя по всему природу заботят только они — причинно-следственные связи. Есть связь — все классическое и понятное. Нет связи — происходит квантовая чертовщина какая-то. Но только в рамках допустимого Фейнманом.

Погодите-как, где-то я уже слышал про причинно-следственные связи. Ах, да! В Специальной тории относительности же! Там еще были световые конусы.

СТО и скорость света

Вы знаете, что скорость света никто не разу не измерял и что скорее всего это не возможно в принципе?

Вы не можете узнать, что происходит в другой точке зрения пространства «сейчас». Нет никакого сейчас. Есть метрика пространства-времени. Вы в этом пространстве разнесены, а значит причинно связаны только опосредованно. Поэтому мы не можем измерить скорость света, пока он не вернулся к нам обратно. Зафиксируем:

Вопрос «что сейчас происходит за пределами моего светового конуса» физически абсурден. т.е. не имеет смысла.

Из этого следует один забавный факт: когда вам космологи рассказывают, что «мы видим эту звезду такой, какая она была 2 тысячи лет (2 миллиона лет, 8 минут 5 секунд и т.п.)» — они говорят бессмыслицу. Нет никакой звезды «сейчас». Единственная звезда которая есть в нашей реальности (световом конусе) — это та, которая светит сейчас своим «старым» светом. Каждая частица из самой далекой галактики на границе большого взрыва, которую мы можем разглядеть только в самый мощный телескоп, прилетев сюда в данный момент, только сейчас стала частью нашей реальности. Каждый фотон реликтового излучения, который мы видим, влияет на нас только сейчас и только один раз, спустя 14 миллиардов лет. Никогда до, и никогда после этого момента та часть вселенной не была и больше не будет причинно связана с нашей областью. Перестаньте путать людей, прошу вас!

Природе «пофиг» что происходит в причинно несвязанных областях. Сама постановка такого вопроса абсурдна согласно СТО. Квантовая теория подсказывает нам, что там происходит «все, что не запрещено». Причем одновременно, в суперпозиции.

Вообще теория относительности и квантовая физика, не смотря все свои различия, единогласны в одном: причинно-следственные связи нарушать нельзя, но если никто не смотрит, то можно.

Если нам удастся каким-то образом восстановить причинно-следственные связи с той областью (посредство кротовых нор разве что), то природа покажет нам непротиворечивую картину. Своего дедушку скорее всего убить не получится.

Непротиворечивость?

Итак настало время дать определение этому слову, которым я тут злоупотребляю. В принципе я ничего нового тут не ввожу — это просто волновая функция Стандартная Модели:

Но есть еще одна ма-а-а-аленькая проблема.

Теорема Геделя о неполноте

Для тех кто забыл, напомню вольное ее толкование: в любой достаточно мощной логической системе неизбежны недоказуемые высказывания (и наоборот, система не может быть полна, если она непротиворечива). Иными словами, как только появляется система, способная к самореференции (которая может давай высказывания про саму себя), в ней неизбежно появляются парадоксы. Применительно к алгоритмам — это, например проблема остановки по Тьюрингу.

А что если наша природа уважает логику? Что если она не полна? Вы знали, что например, существует проблема расчета даже квантовых уровней электронов? Что даже имея на руках все уравнения мы не можем их решить. Это даже не «проблема трех тел», где мы знаем, что это невозможно из-за возникающего хаоса. Это еще хуже: мы не только не знаем, возможно ли это, но и не знаем, можно ли узнать, возможно ли это.

И тут человечество такое: «хочу квантовый компьютер чтобы считать, как сама природа, сразу во всех вариантах мультивселенной третьего уровня«.

Создание квантового компьютера приводит к возможности моделирования квантовых систем на принципиально ином уровне — не численном, а «истинном». Это создает парадокс самореференции в природе.

О допустимости недопустимого

Почему законы такие? Почему Стандартная Модель? Тонкая настройка? Мультивселенная 2 уровня с разными законами? Почему мы? Откуда мы?

Если задуматься, есть только 2 конкурирующие теории, претендующие на ответ «откуда все взялось»:

1. Великий творец

2. Антропный принцип

Если вы не верите в бога, то другой альтернативы кроме антропного принципа не существует. Вселенная просто есть, а мы ее наблюдаем потому что можем.

Вот здесь важно: мы часть вселенной и наблюдаем ее такой потому что вселенная нам позволяет. А что она просит взамен? Просто отсутствие парадоксов. Не потому что это может ей как-то повредить, а потому что это повредит нам — мы не сможем существовать в парадоксальной версии вселенной. Что если все известные законы природы — это просто те ограничения, которые позволяют нам наблюдать то, что мы наблюдаем. Природе на все эти законы в общем-то пофиг. В каждый момент времени она бесконечно ветвится на бесчисленное количество вариантов с любыми законами и нарушениями. Но не во всех вариантах мы продолжаем существовать. Для нас есть только те ветки, которые не приводят к нашему исчезновению. Где-то рядом ответвилась версия, где вы убили своего дедушку в прошлом, или изобрели вечный двигатель, или проснулись драконы с годзиллой, но там больше некому наблюдать — там какой-то хаос, как во втором сезоне сериала Локи.

Почему фишка выпала на красное

Бог не играет в кости, у него есть игрушка поинтереснее — человеки. Допустим нам уготовано остаться в этом зоопарке с забором в виде ОТО и Стандартной модели. Но у нас же есть еще куча вариантов внутри, да? Природа параллельно реализует все сценарии, но почему фотон выбрал эту конкретную точку чтобы проявиться. Почему в этой игре выпало красное, а не черное? Где вариант с черным? Сразу скажу: готового ответа у меня нет, но есть некоторые рассуждения.

Мозг, как вместилище нашего сознания, также является квантовой системой и подчиняется тем же законам физики. Однако концепция квантового сознания мне не близка потому что она не объясняет того, почему я воспринимаю одну реальность. Я не могу «почувствовать» или просто «выбрать» версию по своему вкусу. Или может просто не умею?

Hidden text

В этой связи не безыинтересен сериал «Темная материя» (Dark Matter), если только не обращать внимание на нарушение закона сохранения энергии (масссы) в нем.

Возникает интересный философско-физический вопрос: может ли сознание выбирать реальность, в которой оно окажется, из всего множества реальностей, не запрещенных законами физики? Концептуально это, судя по всему, не запрещено. Однако подобная теория будет ненаучной, так как невозможно поставить воспроизводимый эксперимент.

Hidden text

Можно было бы подумать о создании квантовой запутанности собственного сознания с внешними событиями с контролируемым «откатом»… Да нет, бред какой-то!

Но прежде чем мы тут скатимся в эзотерику и духовные практики, упомянем еще одну теорию с неясной научностью: панпсихизм.

Граничные условия

Помните 9-й эксперимент со светом? Откуда «природа» «знала», что мы измерим фотон после его пролета? Она могла «поглядеть в будущее»? Не исключено и такое. В этом случае подобные ограничения сродни граничным условиям системы уравнений. Неужели начало и конец детерминированы? Нам выпало красное потому что так предначертано? Да не, не может быть!

Так что там про квантовые вычисления?

Ну, хватит философствовать. В конце концов, человечество развилось до этого состояния не потому что искало границы, а потому что иррационально игнорировало их.

Теперь о нашем, о земном. Что же такое квантовый компьютер и квантовые вычисления с точки зрения описанной концепции? Это попытка создания изолированной, независимой подобласти пространства-времени (подвселенной) путем полного исключения взаимодействия квантовой системы с внешним окружением.

Сформировав такую подвселенную, мы позволяем ей эволюционировать по желаемым нам законам, управляемым квантовыми переключателями, связывающими различные части. Самая большая техническая сложность — изолировать эту вселенную от нашей. Поэтому мы охлаждаем ее, подвешиваем в ловушках, изолированных от гравитации, теплового излучения и всего остального, что могло бы взаимодействовать между нашими вселенными.

Через какое-то время мы снова взаимодействуем с этой системой, и смотрим на ее состояние. Законы непротиворечивости вселенной гарантируют, что нигде в процессе не произошло странных взаимодействий в этой изолированной системе.

Сейчас существует несколько основных направлений построения квантовых компьютеров.

• Квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих кубитов: Используют сверхпроводящие петли, охлажденные до сверхнизких температур, чтобы обеспечить стабильность кубитов и минимизировать взаимодействие с окружающей средой.

• Квантовые компьютеры на основе ионов в ловушках: Ионы удерживаются в электромагнитных ловушках и манипулируются лазерным светом для выполнения квантовых операций.

• Квантовые компьютеры на основе фотонов: Используют свойства света и запутанность фотонов для выполнения квантовых вычислений, часто с использованием линз, призм и зеркал для управления фотонами.

• Квантовые компьютеры на основе атомных ансамблей: Используют нейтральные атомы, удерживаемые в оптических ловушках или решетках, для создания квантовых битов и выполнения логических операций с помощью лазеров.

• Квантовые компьютеры на основе топологических кубитов: Используют экзотические квазичастицы, такие как любые, которые могут быть более устойчивыми к декогеренции и, следовательно, более стабильными для квантовых вычислений.

Для того чтобы квантовые вычисления имели практическую пользу, изолированная подреальность должна быть достаточно большой — в ней должно быть большое количество кубитов и переключателей, каждый из которых должен быть тщательно изолирован от нашей реальности. Если вероятность удержания одного кубита является p, то удержание n кубитов и g гейтов (переключателей)будет

Для примера, если мы с 99% вероятностью в течение 1 секунды мы можем удержать 1 физический кубит изолированным, то для 1000 кубитов вероятность удержать ансамбль в изолированном состоянии на протяжении 1 секунды будет

Так себе расклад, прямо скажем.

Отсюда понятно, почему так сложно создать большой квантовый компьютер и почему все существующие разработки тормозят. Самый лучший квантовый компьютер на данный момент может предоставить около 50 логических кубитов (физических там намного больше для коррекции ошибок).

При этом мы помним, что мощность или производительность квантового компьютера удваивается с каждым новым логическим (!) кубитом — то есть тоже по экспоненте. Вся инженерная сложность заключается в том, чтобы выгода от добавления новых кубитов превышала ущерб от повышения нестабильности системы. Схватка двух йокодзун экспонент в самом разгаре. Посмотрим куда это все приведет. Но что-то есть у меня сомнения….

Там внизу еще есть немного места

Ричард Фейнман прочитал широко известный доклад «There’s Plenty of Room at the Bottom» в 1959 году, который стал началом самого понятия нанотехнологий. В своем докладе он описывал масштабы, в которых наука того времени оперировала: от глобальных астрофизических событий до мира элементарных частиц. Он ввел понятие того, что на уровне нанометров, где появляются не отдельные частицы, а их ансамбли, начинается очень интересная физика. Это пограничный мир между классическим макромиром и миром квантовой физики.

Если задуматься, нанотехнологии уже во многом изобретены до нас. Значительная и мощная часть нанотехнологий называется биологией клетки, потому что большинство биологических молекул являются нанообъектами. Их взаимодействие описывается сложной комбинацией как «классических» химических законов, так и ядреной квантовой физики. Поэтому нанотехнологии являются очень мощным направлением применительно к биологическим системам.

В последние годы мы очень неплохо научились создавать биологические молекулы. Прорывы связаны с возможностью программировать ДНК, создавая совершенно произвольные последовательности. Например, можно создать такую последовательность ДНК, которая свернется в нужную нам конструкцию.

Вакцины от Ковида и лекарство от ожирения — это тоже результаты, которые стали доступны только в последние несколько лет.

И вот прямо сейчас бурно развиваются возможности искусственного интеллекта, в том числе по предсказанию свертывания белков, а значит мы можем попробовать создавать квантовые компьютеры из биологических молекул, таких как ДНК или белки и белковые последовательности, которые будут решать наши квантовые задачи.

Поясню, речь идет не о том, чтобы использовать биологические молекулы в качестве объектов, которые будут заморожены или подвешены в ловушках, а о квантовом программировании с помощью пространственных конфигураций построенных из белков. В этом подходе каждый из кубитов, гейтов и связей будет запрограммирован определенной последовательностью ДНК, которая, оказавшись в нужной пробирке превратится в белок, который свернется в нужную конфигурацию и обеспечит взаимодействие истинных квантовых объектов. Таким образом можно построить специализированный квантовый компьютер, имплементирующий данный единственный алгоритм. В качестве считывания данных с такой молекулы могут использоваться химические метки или световые сигналы, или люминесценция на нужной частоте, которые будут выдавать интересующий нас результат.

Нам не нужно тысячи физических кубитов для эмулирования одного логического, когда у нас есть несколько миллионов или миллиардов клонов одинаковой системы.

Алгоритмы и роботы позволят автоматизировать этот процесс. Возможно, это будет не так быстро, как хотелось бы, и на вычисление одной задачи будет уходить по несколько часов, тем не менее, система будет очень масштабируемая и защищена от ошибок многократным повторением, так как репликация ДНК происходит много миллионов раз в одной пробирке благодаря заданной последовательности.

Заключение

Chat-GPT, напиши здесь что-то завершающее и душеподъемное, оставляющее приятное послевкусие.