Доклад по форме
АрхивВопрос о представлении информации в таких экзотических системах, как квантовые вычислители, далеко не тривиален. Можно утверждать, что устоявшиеся понятия о записи данных в форме двоичных слов или кодов в "квантовой области" иногда даже мешают. Дискретность двоичного представления информации своеобразно ассоциируется с дискретностью наблюдаемых состояний квантовых систем и вносит путаницу. Однако наблюдаемые состояния квантовой системы и просто ее состояния - суть две совершенно разные вещи.
Профессор: «Пометьте в конспектах - историческими предшественниками квантовых компьютеров, как известно, были компьютеры квантово-механические».
Вопрос о представлении информации в таких экзотических системах, как квантовые вычислители, далеко не тривиален. Можно утверждать, что устоявшиеся понятия о записи данных в форме двоичных слов или кодов в «квантовой области» иногда даже мешают. Дискретность (и, вроде бы, «квантованность») двоичного представления информации своеобразно ассоциируется с дискретностью наблюдаемых состояний квантовых систем и вносит путаницу. Однако наблюдаемые состояния квантовой системы и просто ее состояния - суть две совершенно разные вещи.
Во времена расцвета аналоговой вычислительной техники, когда исходные данные и результаты вычислений «кодировались» определенными непрерывными физическими величинами (временными и пространственными распределениями токов, напряжений, сопротивлений и т. п.), было придумано множество способов представления информации при помощи формы. Зачастую это были формы реальных объектов, например, кулачков, задающих определенные функциональные зависимости, однако уже в те времена встречались и вполне «виртуальные» - распределение сопротивлений в резистивной матрице, объемные распределения скоростей потоков жидкостей и т. п.
Так или иначе, задание формы - есть способ представления информации, допускающий как аналоговый, так и дискретный способ «кодирования». Все дело лишь в том, чтобы условиться, какие изменения формы считать изменением представляемой ею информации. Если форме «позволено» меняться непрерывно, то есть любое бесконечно малое ее изменение трактуется, как состояние, отличающееся от предыдущего, тогда имеем дело с аналоговым носителем информации. Если же изменение формы должно достичь определенной величины, чтобы быть квалифицированным именно как ее изменение, тогда перед нами - дискретный носитель данных, но не код (хотя, строго говоря, между двоичным словом и дискретным набором форм всегда существует взаимно однозначная связь).
Таким образом, можно сказать, что процессы записи и обработки информации представимы в виде процессов изменения, преобразования форм. При этом взаимодействия «исходной информации (форма 1) с алгоритмом (или схемой) преобразования (форма 2) протекает в некоторой физической среде, способной поддерживать необходимые процессы.
Как тут не вспомнить древние представления о том, что весь наш Мир - суть танец бога Шивы - разрушителя и созидателя форм. Аналогия, между прочим, очень глубока: танец - это череда движений, непрерывно сменяющих друг друга. Причем в основе любого танца лежит некоторый смысл, идея, управляющая этой чередой актов творения и разрушения форм. Право, тут есть над чем призадуматься…
Может оказаться, что метод записи информации в виде форм - один из самых удобных, естественных, что ли, для квантовомеханических систем. Проиллюстрируем сказанное примером из оптики и рассмотрим, как записывается информация на носитель, в качестве которого возьмем своеобразную макроскопическую квантовую систему - когерентный луч света. Информацию будем записывать путем изменения формы его волнового фронта. «Приготовление» начального («нулевого») состояния этой системы происходит в оптическом тракте излучателя (активная среда лазера, резонатор и объектив). Поскольку мы договорились, что информация будет представляться формой волнового фронта, условимся считать что ноль представляется плоским волновым фронтом.
Пусть эта плоская волна падает на физический предмет, форма которого несет информацию, необходимую нам для дальнейшей обработки. В результате взаимодействия падающей волны с поверхностью предмета (отражение, сопровождающееся интерференционными процессами) мы получим новые квантовые состояния, в структуре которых окажется записанной вся информация о предмете, доступная оптическому съему. По существу, только что описанный процесс представляет собой процесс записи исходных данных в квантово-механическую систему, «внешне» воспринимаемую нами как поток когерентного света. Для дальнейшей обработки полученный волновой фронт следует направить на другой физический объект, форма которого будет соответствовать «алгоритму» необходимой обработки входной информации. Таким физическим объектом, например, может служить комплексно-сопряженный фазовый фильтр. Вновь полученная форма волнового фронта будет являться «результатом счета».
Самое время вспомнить, что когерентный пучок света представляет собой совокупность одинаковых фотонов, в структуре волновой функции каждого из которых оказывается записанной исходная информация. Наличие множества идентичных частиц-функций удобно тем, что позволяет за очень малое время набрать огромную статистику измерений их квантового состояния - то есть узнать структуру результирующей волновой функции (например, при помощи фотопластинки). Однако следует понимать, что даже при наличии вместо мощного пучка когерентных фотонов «жиденькой» последовательности одиночных квантов ничего, в сущности, не меняется. Вся информация о поверхности объекта точно так же записывается в структуре волновой функции каждого из фотонов, определяя характер распределения вероятностей их будущих взаимодействий со следующими элементами оптической схемы, а также с измерительным устройством (той же самой фотопластинкой).
Получается, что, даже имея дело с единичными квантовыми частицами, можно осуществлять приготовление их начального, «нулевого» состояния, производить запись на него некоторой информации, ее дальнейшую обработку с получением результата («итоговой» формы волновой функции), однако считать эту информацию с единичной частицы принципиально нельзя. В акте измерения, где участвует одна частица, мы получим лишь один-единственный отсчет, хотя и принадлежащий искомой форме, но не позволяющий «увидеть ее целиком». Все равно что попытаться в полной темноте разглядеть статую, осветив ее одной вспышкой лазерной указки, образовавшей на поверхности малюсенькую освещенную точку. Если же мы направим на статую, предположим, миллион указок, пусть даже вспыхивающих вразнобой, но освещающих различные ее участки, то практически мгновенно получим представление о форме всей статуи. Как результат сбора статистики большого числа отдельных актов измерения.
Очень любопытны также примеры квантового «формообразования» из области физики низких температур.
Жидкий гелий при охлаждении под повышенным давлением способен образовывать кристалы - объекты, которые в отличие от жидкости, принимающей форму сосуда, сами обладают определенной формой. Кристаллы гелия относятся к категории макроскопических квантовых объектов. Им присуще множество удивительных свойств, однако здесь мы обратим внимание на те из них, которые имеют отношение к форме.
Если у «обычных» твердых тел форма сохраняется благодаря тому, что частицы вещества, взаимодействуя, удерживаются в определенных положениях друг относительно друга, то у квантового «твердого» гелия (почему в кавычках, сейчас станет понятно) форма кристалла в покое и при перемещениях его в жидкости сохраняется в силу того, что она - суть проявление структуры волновой функции кристалла как таковой.
Кстати, о перемещениях. При тех температурах, при которых имеют место описываемые явления, никаких механических движений быть не может, однако гелиевый кристалл способен «ползти» по стенке сосуда (например, если сосуд наклонить, кристалл начнет «соскальзывать» вниз). Это перемещение - неклассическое, квантовое. Видимое движение кристалла обеспечивается тем, что спереди «по ходу движения» на него «намерзают» атомы гелия, а «сзади» они, одновременно и синхронно (когерентно!), «уходят» в расплав.
Таким образом, здесь мы имеем дело не столько с перемещением тела, сколько с перемещением его формы, определяемой структурой волновой функции, то есть чисто информационного объекта. Интересно, не правда ли? Интересно уже тем, что такое движение безынерционно… (Полагаю, имеется в виду «безынерционность» в понятиях классической механики. - С.Л.)
Теоретически, можно построить процессор, основанный на принципах взаимодействия форм квантовых кристаллов. Очень впечатляет, например, такая «модель»: дьюар с гелием и кристаллами, взаимодействующими друг с другом посредством электромагнитных полей (или гравитационных, которые стоит принимать во внимание, если дьюар очень велик, а кристаллы - массивны. Тут, кстати, стоит обратить внимание: кристалл имеет массу и, стало быть, порождает гравитационное поле, однако свойствами инерции при собственных движениях не обладает. Изящно?). И вот, в ходе такого взаимодействия рождаются кристаллические системы, ансамбли, - одним словом, формы, характеризующие информационные процессы, происходящие в объеме такого «вычислителя». Не знаю, как вам, а мне все это здорово напоминает Лемовский «Солярис». Океан, рождающий в процессе мышления формы - продукты мыслительной деятельности.
[i41431]
- Как программист вы, вероятно, без особого труда освоили бы умклайдет электронного уровня… Но квантовый умклайдет… гиперполя… трансгрессивные воплощения… - Он виновато развел руками.
А. и Б. Стругацкие. «Понедельник начинается в субботу»
Квантовые технологии - это не только квантовый компьютинг. Как-то незаметно ушло на второй план важное обстоятельство. А именно: микрочастицы, являющиеся «кирпичиками» вещества - электроны, ионы и даже атомы «в сборе», - представляют собой волны особого рода, так называемые волны де Бройля. Поэтому ряд «действий» над веществом можно осуществить путем тех или иных операций над соответствующими волновыми функциями. Например, за счет интерференции волн де Бройля на специально приготовленной структуре (называемой де бройлевской матрицей, или де бройлевским зеркалом) можно без применения «силовых методов», то есть фактически информационными средствами, управлять пространственной локализацией материальных частиц, формируя требуемое распределение вероятностей их нахождения в том или ином месте. Такое «зеркало», отражающее поток когерентных (находящихся в одинаковом квантовом состоянии) атомов примеси на кремниевую пластину будущей микросхемы (или квантового кубита), способно формировать топологию элементов с разрешением порядка де бройлевской длины волны используемых атомов, что во много раз лучше разрешения, обеспечиваемого другими способами. Квантовая литография?
Пара-Тантра (санскр.) - то, что не имеет никакого существования само по себе, но существует только посредством зависимости или причинной связи.
Е. П. Блаватская. «Теософский словарь»
Кроме «классических» квантовых частиц - частиц материи, существует огромное число так называемых квазичастиц - «почти частиц», не существующих самостоятельно и представляющих собой движущиеся в веществе коллективные возбуждения среды, возникающие, например, в результате взаимодействия «обычных» частиц с твердым телом. Поведение квазичастиц во многом (не во всем!) напоминает поведение реальных частиц и, в каком-то смысле, даже богаче, так как включает в себя множество взаимодействий квазичастиц разных типов между собой. Это приводит к появлению большого количества обусловленных этими взаимодействиями физических эффектов, которые, в принципе, могут быть положены в основу работы элементов компьютера, но главное не в этом. Главное, что квазичастицы, как и «обычные» могут образовывать когерентные ансамбли. Это открывает возможность создания «псевдоквантовых» устройств, например, типа фононных «лазеров» (их обычно называют фазерами - звуковыми квантовыми генераторами), фононных решеток или кристаллов (сравните с «фотонными кристаллами». Кстати, фотоны в веществе - тоже квазичастицы. И электроны в металлах). Именно в ходе исследований таких квазичастиц, как электроны проводимости, была высказана идея о возможности использования топологических свойств поверхности Ферми металлов для обработки информации. Это не то же самое, что топологические кубиты, но все же… Поверхность Ферми - «квазиповерхность», она в «обычном» пространстве не существует, а определена в пространстве импульсов электронов (так называемое р-пространство). Поэтому процессор, реализованный в р-пространстве, в «нашем» пространстве вообще «не занимает никакого места». Вот уж вершина миниатюризации!
