Квантовая магия

Доронин Сергей Иванович

Теперь же я захвачен новой идеей: „Всё — это информация“. Чем больше я размышляю о квантовых тайнах и о нашей странной способности постигать тот мир, в котором мы живем, тем больше вижу, вероятно, фундаментальное значение логики и информации как основы физической теории».

Неплохо сказал об этом П. Дэвис в своей статье [87] : «Обычно мы думаем о мире, как о составленном из простых, подобных сгусткам, материальных частицах, и под информацией понимаем производную характеристику объекта восприятия, относящуюся к особого рода организованным состояниям вещества.Но возможно, что все наоборот: похоже, что Вселенная на самом деле — шалость первичной информации, а материальные объекты являются ее сложным вторичным проявлением».

87

Davies P.Bit before it? (1999), New Scientist, 161 (2171), p. 3.

Материальный

мир как «шалость первичной информации» — хорошо сказано! Действительно, в квантовой теории весь классический домен составляет лишь незначительную часть совокупной Квантовой Реальности, далеко не самую главную и значимую. Материальный мир вовсе не является основой реальности, и его вполне можно считать результатом «шалости» информационных процессов, происходящих на фундаментальном уровне в нелокальном источнике реальности.

Свою статью П. Дэвис заканчивает словами: «Если информация действительно должна заменить материю как самая первейшая субстанция Космоса, то нас может ожидать еще большая награда. <…> С современной точки зрения, мозги (материя) рождают мысли (ментальную информацию). <…> Но если материя является формой организованной информации, то тогда и сознание уже не так таинственно, как нам казалось» [88] .

88

Цит. по книге: Лем С.Мегабитовая бомба // Компьютера. 2001. № 18 (395). http://old.computerra.ru/online/firstpage/bl/9423/.

Замечу, что в настоящее время уже есть понимание физических процессов (декогеренции), в результате которых появляется материя как «форма организованной информации».

Я хочу подчеркнуть, что в этой книге под информацией понимается именно «первичная информация». А точнее, квантовая информация как физическая величина, характеризующая систему на ее фундаментальном уровне. Неважно, о какой системе идет речь — о микрочастице или об Универсуме, — квантовая информация и в том, и в другом случае вводится одинаково, согласно общему определению для произвольной системы.

Когда речь идет о квантовой теории, о количественном описании в терминах состояний, то информация — это одна из количественных характеристик системы. Можно попытаться провести аналогию со знакомыми нам мерами классической информации, которыми мы пользуемся, когда работаем на обычном компьютере. Тогда мы говорим о битах, байтах, а сейчас все больше о мегабайтах и гигабайтах информации, содержащейся в том или ином файле или на диске. Работа компьютера основана, прежде всего, на количественной теории информации, на битах, на определенном количестве ячеек памяти. Нашему компьютеру все равно, какая информация содержится в том или ином файле, когда он создается, копируется или удаляется. Для компьютера важно лишь общее количество битов, которыми мы манипулируем, и состояние каждого бита, когда файл сохраняется на диске. Способы обработки файлов и ячеек памяти, своеобразные «фундаментальные законы», согласно которым наш компьютер манипулирует информацией, не зависят от того, какие именно данные там содержатся. Например, любой файл копируется по одному и тому же «закону», независимо от того, какая в нем есть информация.

Так же и в квантовой теории — только здесь на первый план выходят не биты, а кубиты (квантовые биты). Причем не только тогда, когда мы говорим о квантовом компьютере, но и в более широком смысле, когда речь идет о любой системе, описываемой в терминах состояний. Такое обобщение возможно потому, что кубит— это вектор состояния произвольнойдвухуровневой системы, и любую более сложную систему можно рассматривать как совокупность кубитов. Обычно в квантовой теории, описывая какую-либо систему в терминах состояний, мы рассматриваем ее, как состоящую из элементарных «кирпичиков», кубитов — элементарных двухуровневых состояний.

Таким образом, любые системы в окружающей реальности можно рассматривать в терминах кубитов, как совокупность ячеек памяти квантового компьютера. Тогда и весь Универсум представляется в виде глобального и единого для всей реальности Квантового Компьютера с большой буквы, своеобразной всеобъемлющей Матрицей (он описывается

матрицей плотности). Поэтому Р. Фейнман и говорил об исключительно важной роли квантовых компьютеров в постижении законов природы (о чем упоминалось в самом начале книги). Понимание фундаментальных принципов работы квантового компьютера, в отличие от обычного, уже не ограничивается одним только «железом», конкретными техническими устройствами. Это и будет означать более глубокое понимание фундаментальных законов окружающей реальности, согласно которым «функционирует» весь наш Универсум. Процессы декогеренции/рекогеренции, то есть перехода нелокального (чисто информационного) состояния в локальное и обратно, манипулирование квантовой запутанностью кубитов и т. д. — все это физические процессы, которые происходят в окружающей нас реальности, причем на самом фундаментальном ее уровне.

Если продолжить сравнение с обычным компьютером, то наше представление о привычном материальном мире — все равночто знакомство с одной программой, запущенной на Компьютере, и некоторая способность ориентироваться в ее пределах. При этом мы могли видеть лишь один результат его работы — в виде классической реальности, и изучали законы, которые справедливы в рамках лишь одной этой программы. Но теперь мы начинаем понимать Законы, по которым работают любые программы, принцип действия самого Компьютера и его операционной системы. Это законы, по которым Матрица транслирует нам то или иное восприятие. Мы выходим за рамки привычной локальной программы и замечаем множество других программ (уровней реальности), которые загружены в оперативную память вместе снашей. Мы начинаем понимать взаимосвязь всех этих различных программ-уровнейи можем более надежно прогнозировать результат перехода с одного на другой — например, то, в какую реальность попадем после смерти физического тела.

Имея дело с классической информацией, мы разделяем саму информацию и физический носитель. В результате чего можем лишь приспособить какой-либо материальный объект для хранения (передачи) определенного количества «классической» информации. Получается, что без материального носителя информация не может существовать. Поэтому и возникают иногда вопросы, где содержится квантовая информация, и что является ее носителем? В квантовой теории с этим как раз все просто и ясно: поскольку информация здесь — это физическая величина, характеризующая систему, то сама система и является носителем квантовой информации. Это все равночто спросить: а где содержится масса физического тела? Да в нем самом эта масса и содержится, поскольку является одной из количественных характеристик данного тела.

Не стоит забывать, что квантовое описание на сегодняшний день — это самое полное теоретическое описание из всех известных. И в случае чистого состояния, когда мы описываем замкнутую систему, то на вопрос, где содержится информация об этой системе, следует очевидный ответ: информация содержится в самой системе, это одна из ее количественных характеристик.

Информации в квантовой теории отводится особая роль. Как мы знаем, системы при квантовом подходе могут находиться в нелокальном состоянии, когда сам объект является попросту нематериальным, в нем нет вещества, нет никаких физических полей, его невозможно описать с помощью количественных величин, используемых классической физикой. А вот в терминах количества информации, содержащейся в такой нелокальной системе, описать можно!

Мера информации в квантовой теории определяется на основе понятия матрицы плотности. Узнать во всех подробностях, как это делается, можно из статьи Фано [89] , опубликованной в журнале Reviews of Modern Physics в 1957 году.

Эта статья довольно известна. Например, А. Мессиав своем двухтомнике по квантовой механике, когда пишет о матрице плотности [90] , указывает в качестве основного источника именно эту статью Фано, правда, речь у него идет не об информации, а лишь о матрицах плотности.

89

Fano U.Description of States in Quantum Mechanics by Density Matrix and Operator Techniques, Rev. Mod. Phys. 29, 74, 1957.

90

Мессиа А.Квантовая механика. Т. 1. М.: Наука, 1978. С. 321.