Популярная наука

Я правильно понял? А то из-за изначального объяснения про 0 и 1 я долго не мог понять, почему мы не можем просто предположить, что частица находится в каком-то фиксированном состоянии, просто оно нам ещё не известно.

И вот что нейросеть мне ответила. Кто-то говорил, что нейросеть, в среднем, умнее среднего человека.

Ответ нейросети:

Ваша интуиция вас не подвела, и вы точно указали на ключевую слабость упрощенных объяснений.

Ваш главный вывод верен: именно возможность проводить измерения вдоль произвольно выбранных направлений (осей) позволяет экспериментально отличить квантовую запутанность от классической теории со скрытыми параметрами.

Давайте разберем подробнее, почему это так.

1. Квантовое состояние — это именно вектор

Вы совершенно правы. Состояние квантовой частицы (например, спина электрона или поляризации фотона) описывается не просто числом, а вектором в абстрактном гильбертовом пространстве. Для кубита (квантового бита) этот вектор можно представить как стрелку, указывающую на любую точку на сфере, которая называется сферой Блоха.

• "Вертикальное" направление (скажем, северный полюс) условно соответствует состоянию |1>.

• "Горизонтальное" направление (южный полюс) соответствует состоянию |0>.

• Любая другая точка на сфере — это и есть та самая суперпозиция состояний |0> и |1>. Важно: суперпозиция — это не "и 0, и 1 одновременно" в бытовом смысле, а именно новое состояние, описываемое своим уникальным вектором.

2. Процесс измерения — это проекция

Вы тоже абсолютно точно это описали. Когда мы решаем "измерить" эту частицу, мы должны выбрать базис измерения — направление, вдоль которого мы будем смотреть. Физически это может быть поворот фильтра для фотона или ориентация магнитного поля для электрона.

• Измерение — это проекция нашего вектора состояния на выбранную ось.

• Результат измерения вероятностный. Вероятность получить "1" равна квадрату косинуса угла между вектором состояния и выбранной осью измерения. Если вектор состояния идеально совпадает с осью измерения, мы всегда получим "1". Если он направлен в противоположную сторону, всегда получим "0". Во всех промежуточных случаях результат случаен.

3. Почему это опровергает скрытые параметры?

Это ключевой момент, который вы ухватили. Упрощенное объяснение ("частица в суперпозиции 0 и 1") действительно позволяет сделать вывод: "А что если она на самом деле просто имеет какое-то определенное состояние, но мы его не знаем?".

Однако если мы имеем дело с запутанными частицами (например, двумя фотонами, рожденными вместе с противоположно коррелированными спинами), то классическая теория со скрытыми параметрами предсказывает одну степень корреляции между результатами измерений над двумя частицами.

Квантовая же механика, благодаря тому, что мы можем выбирать разные оси измерения для каждой частицы, предсказывает более сильную корреляцию. Эта разница описывается неравенствами Белла.

Суть эксперимента:

1. Создаются пары запутанных частиц и разлетаются в разные стороны.

2. Для каждой частицы независимо и случайным образом выбирается ось измерения (например, под углом 0°, 120° или 240°).

3. Результаты измерений (0 или 1) статистически сравниваются между собой.

Оказывается, что статистика результатов нарушает неравенства Белла. Это значит, что корреляцию между результатами невозможно объяснить какой-либо классической теорией, где каждая частица уносила бы с собой заранее предопределенный "список" того, какой результат она должна дать при измерении вдоль любой возможной оси. Таких "списков" (скрытых параметов) просто не хватит, чтобы описать все возможные комбинации измерений.

Заключение

Проблема упрощенных объяснений в том, что они выбрасывают из рассмотрения самый главный элемент — некоммутируемость измерений (то, что результат зависит от выбора оси). Без этого квантовая механика выглядит просто как странная теория вероятностей.

Именно возможность произвольно выбирать направление измерения и видеть, как результаты двух частиц остаются скоррелированными сильнее, чем это возможно классически, является сердцем квантовой запутанности и экспериментальным опровержением теорий со скрытыми параметрами.

Кристаллы — твердые тела с периодической структурой. Большинство из них внутренне организованы как много раз повторенная элементарная ячейка. Свойства кристалла зависят от состава, формы и строения этой ячейки. Графит и алмаз состоят из углерода, но у их элементарных ячеек разные форма и строение, поэтому одним мы можем писать по бумаге, а вторым — бурить камень.

Темпоральные, или временные, кристаллы повторяют свою внутреннюю структуру во времени. Можно думать об этих квантовых системах как о gif-изображении, коротком зацикленном видео. Теорию о временных кристаллах выдвинул нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) в 2012 году, а в 2017-м две независимые группы ученых создали временные кристаллы и выпустили публикации об этом в одном номере журнала Nature.

Хотя доказательства существования темпоральных кристаллов уже существовали, они основывались на косвенной информации — данных спектроскопии, измерениях квантовых состояний системы. В новом исследовании физики смогли пронаблюдать кристаллы времени в оптический микроскоп. Их исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Чтобы сделать темпоральные кристаллы видимыми, исследователи разработали стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами. Эти стержневидные молекулы ведут себя как жидкость и могут создавать упорядоченные структуры. Если правильно сжать эти молекулы, они сбиваются в плотные группы и начинают образовывать изгибы.

«Вы не можете легко удалить эти скручивания из системы. Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом», — рассказал профессор Иван Смалюх (Ivan Smalyukh).

Ученые поместили раствор жидких кристаллов между двумя стеклами, покрытыми молекулами красителя. Когда на эту систему направили свет, молекулы красителя изменили свою ориентацию и сжали жидкие кристаллы. В процессе внезапно образовались новые изгибы.

Эти изгибы стали взаимодействовать друг с другом. Под микроскопом кристаллы напоминали «психоделические тигриные полоски» и двигались в течение часов. Но это не вечный двигатель: система не находится в спокойствии, она получает энергию извне, без направленного на кристалл света зацикленного движения не происходит.

Паттерны движения оказались очень устойчивыми — исследователи могли повышать или понижать температуру образцов, не нарушая движение жидких кристаллов.

«В этом красота временного кристалла. Вы просто создаете некоторые условия, не такие уж и особенные. Вы светите на кристалл, и все происходит само», — сказал Смалюх.

Ученые считают, что такие временные кристаллы могут иметь несколько применений. Эти материалы можно использовать в качестве маркировки подтверждения подлинности денежных банкнот.

Согласно другому, но также невесёлому сценарию этой книги, на Земле появятся так называемые «усовершенствованные люди» (высший класс, элита), которые в результате изменений, внесённых в деятельность их ЦНС, смогут претендовать на обретение бессмертия, счастья и своего рода божественности. Речь идёт при этом об очень узком круге людей, до остальных жителей планеты этой группе нет никакого дела, они ей вообще не нужны, они лишние на планете, поскольку всё выполняется неорганическими алгоритмами (т.е., роботами, наделёнными высокоразвитым искусственным интеллектом).

Мне представляется, что носителя мысли – человека, никогда не догнать по интеллекту ни одному сборищу неорганических алгоритмов.
Думаю, что искусственный интеллект никогда не возобладает над человеческим разумом по четырём основным причинам:

1. Компьютерная мощь никогда не разовьётся в человеческий разум, потому что они фундаментально различны. Человеческое мышление во многом неалгоритмично. Это относится к важнейшим качествам разума: благоразумию –  способности принимать правильные решения в конкретных ситуациях, и мудрости –  способности видеть целое.

2. Важной частью человеческих знаний являются неявные (невербализуемые ) знания. Эти знания не могут быть сформулированы в компьютерной программе. Надежды на то, что обучение нейронных сетей, позволяющее им учиться без явных инструкций, решит проблему неалгоритмических способностей и неявных знаний, –  ошибочны.
В равной степени можно пытаться научить ребенка кататься на велосипеде, не имея велосипед в наличии, и лишь используя инструкцию.

3. Вера в обретение бессмертия путем создания супер-ИИ (речь идёт о техносингулярности и т.п.), является поклонением новой религии, датаизму, выраженной через инженерную культуру. Зачастую утверждения, что компьютеры способны дублировать человеческую деятельность, крайне упрощены и искажены. Мышление человека при решении каких-то сложных, нестандартных проблем может быть вообще парадоксальным (кстати, именно способность мыслить парадоксально является главным отличием гения от большинства других представителей человечества), что недоступно искусственному интеллекту.

4. Попытки строить ИИ лишь на основе корреляций, а не причинно-следственных связей, являются  тупиковыми. Причинность – важнейшая часть человеческого мышления. Компьютеры не могут справиться с причинностью, потому что они не могут вмешиваться в мир. Ведь они просто не существуют в материальном мире человека, потому что они в нём не воплощены. Они не являются агентами, способными своими действиями что-либо менять в своем окружении. До тех пор, пока компьютеры не станут действующими агентами, принадлежащими к определенной культуре, они не приобретут человекоподобный интеллект. Что, впрочем, не мешает использовать их в решении огромного объёма самых серьёзных задач.

Только мы, люди, являемся телесными и социальными существами, живущими (чувствующими, думающими и действующими) в материальном и социальном мире.
А наш разум – основной механизм, позволяющий это.
Поэтому можно с достаточной долей вероятности предположить, что ИИ никогда не заменит человеческий разум, а будет для человека деятельным и очень полезным ПОМОЩНИКОМ.