В середине прошлого века при моделировании физических систем возникла концепция клеточных автоматов, порождающих удивительное многообразие из простых правил. Совершенно естественен соблазн обобщить подобными структурами фундаментальные законы природы. И, казалось бы, нарушение неравенств Белла закрыло подобным моделям путь в квантовую механику. Но только если не брать во внимание одну лазейку...
The Holographic Principle
Идея, что Вселенная развивается по правилам клеточного автомата не нова. В 1967 году Конрад Цузе в книге "Вычисление пространства" высказал предположение, что вся Вселенная является результатом детерминированного закона вычисления в автомате. Постепенно эту идею подхватывали и развивали представители разных направлений так или иначе связанных с вычислениями: Стивен Вольфрам, Дэвид Дойч, Ллойд Сет и др.
Также за развитие темы основательно взялся лауреат Нобелевской премии по физике Герард ’т Хоофт. Он известен тем, что сформулировал голографический принцип — постулат теории струн, призванный разрешить информационный парадокс черной дыры. Большую часть идей своих предыдущих статей он обобщил в книге The Cellular Automaton Interpretation of Quantum Mechanics. Судя по количеству цитат и скачиваний, мысль очень даже пошла в народ. Как вариант, можно предложить самодельный перевод на русский: в облаке или на файлообменнике. Как оказалось, с наскоку такой труд не осилить, особенно техническую часть. Автор признает свой сложный английский, ну а главное, по ходу изложения используется терминология и техники из квантовой теории поля, так что там еще придется побуксовать некоторое время.
The Quantum Enigma
Постоянное появление новых интерпретаций в квантмехе у стороннего наблюдателя должно вызывать недоумение. Но кому как ни программистам, регулярно участвующих в священных походах под знаменем очередного языка, понимать, что эти споры полезны разве что для общего развития и углубления в тему (вставить шутку про гомозиготную истину). Для прода в квантовой механике сойдет и Копенгагенская интерпретация. То есть, достаточно принять, что запутанные частицы взаимодействуют на пугающе дальних расстояниях, что взаимодействие чистой системы со сложным измерительным прибором неким образом превращает гладкую волновую функцию в иглоподобный дельта-источник, и что балом правит непостижимая случайность, а потом, закрыв рот, считать, проводить эксперименты и получать действенные предсказания о поведении микромира.
Но когда исследователь лезет в мутные области, ему могут пригодиться специфичные инструменты, а то и придется собирать всё самому. Так что это следует воспринимать не как кризис науки (современные философы любят такое дело), а как производственную рутину. Так или иначе, людям удобно оперировать привычными и милыми сердцу образами. На этой почве и проросла спора между Бором и Эйнштейном.
Собственно, Эйнштейн видел квантовую теорию неполной и отстаивал мысль, что на фундаментальном уровне физика должна быть детерминистичной. Действительно, введение объективной случайности похоже на заметание мусора под ковёр. Ну, хотя бы на этой идее можно хорошо поспекулировать: чтоб не нарушался принцип причинности, достаточно ввести воздействие внешнее по отношению к нашей Вселенной, что должно импонировать товарищам придерживающимся теистических взглядов. А вот детерминизм подобные рычаги ломает (что не расстраивает деистов и пантеистов). Дальше уже вопрос веры и вкуса, так что условимся, что нас пока интересует, как работает окружающий мир, и какие модели можно построить, чтобы наименьшими усилиями получить достоверные предсказания поведения этого самого мира. Это позволит обезопасить и наполнить комфортом нашу жизнедеятельность, а извечные вопросы выходят за рамки прагматизма, по той простой причине, что они не разрешимы в принципе.
The Phantom Agony
Многие консервативно настроенные ученые разделяли взгляды Эйнштейна, и одним из них был Дэвид Бом, чьи идеи повлияли на Джона Белла. Последний, несмотря на то, что вопросы об основах квантовой механики в то время были дурным тоном, провел детальный анализ ЭПР-парадокса, что и привело к знаменитым неравенствам. Историю Белла и Бома отложим на потом, а вот с неравенствами поработаем сейчас же.
На хабре уже есть неплохое описание этого эксперимента, ну а если сравнивать с точными и сухими выкладками из литературы, то вот одно из самых хорошо проработанных объяснений. Далее представлена сжатая версия тамошних соображений.
Для измерения спина квантовой системы используем установку Штерна-Герлаха. В тривиальнейшем случае она ведет себя как сортировочная машина: на вход поступают частицы из печки, на выходе же два потока: условно, частицы "+" и "-".
Для наших маленьких кубитов важен измерительный базис — конфигурация установки, заключающаяся в ее ориентации. При измерении в одинаковом базисе, результаты вполне согласуются с повседневными представлениями:
Здесь детекторы будут срабатывать с вероятностями 50%, 0%, 0%, 50% соответственно.
Но вот если поиграть с наклонами, то есть при измерении в разных базисах, частицы будут вести себя так, будто на каждую ориентацию у них есть свои индивидуальные предпочтения: отклоняться по или против поля.
Здесь уже соотношение срабатывания детекторов зависит от угла наклона второго прибора.
На рис. 1.9 ориентация второго прибора ортогональна первому. А третий первому сонаправлен. И на каждый прибор поступает с равной вероятностью одна восьмая всех частиц. Странно, ведь если судить с позиций реализма, то выходит, что каждая частица носит с собой по три бита информации, в которых записаны ее предпочтения для прохождения каждой установки. Либо же частицы это кубиты, взбалтывающиеся после каждого измерения. Пока эксперименты наталкивают на мысль, что объективных свойств нет как таковых, и результаты разыгрываются чистой случайностью при каждом элементарном взаимодействии.
Усложняем эксперимент. Источник теперь генерирует спутанные частицы, результаты измерения которых антикоррелируют. То есть, если первый детектор отловит "плюс", то второй покажет "минус".
А приборы можно ориентировать в одном из трех направлений каждый. Теперь наши кубиты меряются в ортогональном базисе, причем ориентация каждой установки задается случайно. На рисунке показана конфигурация {A,B}. После выпуска каждой пары мы получаем результат измерения. К примеру [A+,B–] значит что в первой сортировочной машине сработал плюс-детектор, а во второй — минус-детектор.
Так, для нашего эксперимента, любая частица должна быть готова к измерению в каждом из трех базисов, посему ей придется таскать с собой три бита скрытых переменных. Скажем, частица, у которой в паспорте указано (+ - +), пройдет через установку, ориентированную в A-направлении, как положительная, по В — как отрицательная, и по С снова как положительная. А у ее антикоррелирующей роднульки соответственно по документам будет значиться (- + -). Итого, в источнике выдается восемь вариантов паспортов.
Прикинем какова вероятность, что выпадет [A+,B–]. Такой расклад выйдет для частицы с (+ + -) или
с (+ + +), у которой соучастник будет иметь соответственно (- - +) или (- - -). К тому же, учитываем вероятность выставления на приборах нужной конфигурации P{A,B}. Тогда
P[A+, B-] = P{A,B} * ( P(+ + -) + P(+ + +) )
Для пары приборов возможно девять равноправных настроек базиса, так что с первым множителем никаких проблем. Припишем к нашей конфигурации еще парочку:
P[A+, B-] = 1/9 * ( P(+ + -) + P(+ + +) )
P[A+, C+] = 1/9 * ( P(+ + -) + P(+ - -) )
P[B+, C-] = 1/9 * ( P(+ + +) + P(- + +) )
Сложим вторую и третью формулы и заметим, что в ответе будет содержаться первая формула
P[B+, C-] + P[A+, C+] = P[A+, B-] + 1/9 * P(+ - -) + 1/9 * P(- + +)
Что наталкивает на неравенство:
А если перевести вероятности в штуки:
Вот и все! Собираем установку и считаем количество срабатываний детекторов. И такого рода эксперименты проводились неоднократно. Постепенно закрывая всевозможные лазейки, эксперименты демонстрировали, что квантовые системы нарушают эти неравенства, тем самым фальсифицируя локальные теории со скрытыми переменными. А ведь Вселенная-клеточный автомат как раз такая теория. И дело может спасти грязный хак — супердетерминизм.
Design Your Universe
Критично настроенные читатели возразят: конечно, эта теория не является квантовой механикой, поэтому она не разделяет ни одной из ее проблем. Верно, но наша теория должна порождать квантовую механику, не создавая связанных с ней проблем.
Герард ’т Хоофт
Супердетерминизм — заключается в предположении, что не существует никакой объективной случайности. Это довольно категоричная форма реализма, согласно которой, Вселенная существует независимо от разумных наблюдателей и подчиняется только своим фундаментальным законам, строго следуя принципу причинности. То есть всякое событие предопределено еще в первые мгновения существования Вселенной.
Это позволяет рассматривать естество как результат работы клеточного автомата. Герард ’т Хоофт, отталкиваясь от этого предположения, показывает в своей книге, как можно попытаться добраться до стыка квантовой механики и классической физики, начинай путь с одной либо с другой стороны.
По ходу дела Хоофт вводит такое понятие как онтологический базис. Это особый базис, с точки зрения которого, волновая функция может принимать только два значения: 1 и 0. Состояние фактически реализуется, когда волновая функция равна 1, и оно не описывает наш мир, когда волновая функция равна нулю. Именно такую "волновую функцию Вселенной" можно назвать онтологической. Любопытно, что онтологическая волновая функция выглядит как one-hot вектор, т.е. единица и куча нулей. И с точки зрения онтологического базиса, оператор эволюции для достаточно плотной сетки временных переменных представлен не более чем перестановкой состояний.
Но до онтологии нам, макрообъектам ограниченным в пространстве, не добраться. Для этого мы используем удобные нам, но "неправильные" базисы. Там мы можем оперировать только шаблонными состояниями — состояниями представленными суперпозициями, включающими, в лучшем случае, онтологическое состояние лишь как слагаемое с определенным весом.
Вселенная находится в одном онтологическом состоянии, а не в суперпозиции таких состояний, но всякий раз, когда мы используем наши шаблоны (то есть, когда мы выполняем обычные квантово-механические вычисления), мы используем суперпозиции только потому, что они математически удобны. Стоит заметить, что поскольку суперпозиции являются линейными, наши шаблоны подчиняются тому же уравнению Шредингера, что и онтологические состояния.
Такая модель предполагает, что Эйнштейн, возможно, был прав, когда возражал против выводов, сделанных Бором и Гейзенбергом. Вполне возможно, что на самом базовом уровне в природе нет случайности, нет фундаментально статистического аспекта законов эволюции. Все, вплоть до мельчайших деталей, управляется неизменными законами. Каждое значительное событие в нашей Вселенной происходит по какой-то причине, и оно пустило корни на миллиарды лет назад, развиваясь по единственно возможному пути.
The Divine Conspiracy
Собственно, вот что: беспрерывно вертящиеся полупрозрачные зубчатые колеса. Это случалось со мной и раньше. Зубчатых колес обычно становилось все больше, они наполовину заполняли мое поле зрения, но длилось это недолго, вскоре они пропадали, а следом начиналась головная боль — всегда было одно и то же.
Р. Акутагава
В описанном выше эксперименте по проверке неравенств Белла стоило обратить внимание на независимость выбора конфигураций установок. Чтобы считать настройки равновероятными нужно менять состояние каждого прибора независимо. Как вариант, Алёнушка и Братец-Иванушка разносят свои установки подальше и настройки базиса выбирают с помощью бросков монеты. Но такое ощущение, что измеряемые частицы устроили некий заговор и знают какие настройки будут выбраны.
В книге предложен еще такой вариант: у каждого участника есть клетка с мышью, и они выбирают свои настройки в зависимости от четности или некой кратности количества мышиных какулек. Тут уж заговор приобретает довольно мерзкий характер: частицы знают об особенностях рациона мышей и работы их кишочков. Ну или к черту мышей, можно попробовать взвалить право выбора базиса на удаленные квазары (сравнительно недавно такой эксперимент реально провели). Или же придется Алёнушке с Братцем полагаться на себя — ведь они могут придумать случайные настройки. Или нет?
Насколько человек хорошо справляется с ролью генератора случайных чисел (см. стр. 12)? И есть ли у него свобода воли в том смысле, что выбор не продиктован законами Вселенной? Согласно супердетерминизму — нет. Для многих неприемлема мысль, что нечто может развиваться без их участия, а тем более всецело и полностью управлять их миром. Но прогресс в области молекулярной биологии и нейронаук все меньше оставляет сомнений в нашей зависимости от законов физики. Наверное, отрицание отсутствия свободы воли как таковой это самый главный предрассудок против реализма и супердетерминизма.
Consign to Oblivion
Но и если откинуть лишние эмоции, все равно разработка интерпретации клеточных автоматов представляется весьма-таки сложным проектом. Это сравнительно молодая теория, и автором предоставлены, хоть и элегантные, но довольно игрушечные примеры.
Казалось бы, кот гарантировано жив или мертв, частица пролетает точно через конкретную щель, измерение становится лишь лавинообразным развитием нескольких бит в макросостояние, правило Борна органично следует из требования, чтобы базис используемых шаблонных состояний был связан с базисом онтологических состояний посредством ортонормированного или унитарного преобразования — не интерпретация, а сказка! Но так это и другие могут. А дьявол как всегда в деталях.
Квантово-механическая теория, описывающая релятивистские субатомные частицы, называется квантовой теорией поля, и она подчиняется таким фундаментальным условиям, как причинность, локальность и унитарность. Требование всех этих желательных свойств было ядром успехов квантовой теории поля, и это в конечном счете дало нам стандартную модель субатомных частиц. Если же пытаться воспроизвести результаты квантовой теории поля в терминах некоторой детерминированной базовой теории, то, по-видимому, придется отказаться по крайней мере от одного из этих требований, что снимет большую часть красоты общепринятой теории; гораздо проще этого не делать, и поэтому легче пожертвовать "классичностью". Либо ситуацию спасет проработанная теория квантовой гравитации — каждый автор грезит, что она сдружит именно его интерпретацию с теорией поля.
Большинство моделей клеточных автоматов будут сильно отличаться от квантованных теорий поля для элементарных частиц. Однако основной вопрос, обсуждаемый в книге т' Хоофта заключается не в том, легко ли имитировать Стандартную модель в клеточном автомате, а в том, можно ли получить квантовую механику и нечто, похожее на квантовую теорию поля, по крайней мере, в принципе. Происхождение непрерывных симметрий стандартной модели остается за пределами рассмотренных примеров, но автор задавался целью обсудить вопрос, в какой степени клеточные автоматы могут использоваться для аппроксимации и понимания квантовой природы этого мира.
Может ли быть так, что наш мир — это всего лишь один мир, где все происходит, согласно уравнениям эволюции, которые могут быть существенно проще, чем уравнение Шредингера, и есть ли способы узнать об этом? Можно ли убрать элемент статистического распределения вероятностей из основных законов квантовой механики?
Так что реальная мотивация заключается не в том, чтобы лучше предсказать результаты экспериментов, которые могут произойти не скоро, а скорее в том, чтобы предсказать, какой класс моделей стоит тщательно изучить, то есть вообще, в какую сторону копать.
Похоже, что Эйнштейн и Бор сошлись на важности роли наблюдателя. Действительно,
это был важный урок, извлеченный в 20-м веке: если что-то не может наблюдаться, это, возможно, не является четко определенной концепцией — оно может даже не существовать вообще.
Интересный удар подобному подходу был нанесен, когда была предложена теория кварков, поставив под сомнение, что наблюдаемость является центральным аспектом. Кварки не могут быть изолированы, чтобы их можно было наблюдать по отдельности, и по этой причине идея о том, что кварки будут физическими частицами, подверглась критике. К счастью, в этом случае теоретическая согласованность доказательств в пользу кварков стала настолько подавляющей, и экспериментальные методы их наблюдения, даже если они не были полностью разделены, настолько улучшились, что все сомнения испарились.
Это важная составляющая реанимируемого детерминизма: вещи, которые непосредственно ненаблюдаемы, могут все еще существовать и как таковые, играть решающую роль в наблюдаемых свойствах объекта. Они также могут помочь нам построить реалистичные модели мира.
Requiem for the Indifferent
В целом возникает спорное впечатление. С одной стороны, ортодоксальный подход уже проверен временем. Как показывает практика, незаморачиваясь на конфликты с повседневным опытом и на вой философов, причитающих о крахе познания, вполне можно использовать проработанный матаппарат квантмеха для прикладных исследований. С другой стороны, эпоха требует новые и удобные инструменты для конкретных целей.
Так многомировая интерпретация ближе для тех, кто занимается квантовой теорией информации. Ведь удобно считать, что квантовые компьютеры производят параллельные вычисления во многих изолированных мирах. А бонусом получаем удобную интуицию для понятия вероятности: вероятность события — доля миров, в которых это событие происходит.
Идеи, использующие фишки родственные теории волны-пилота, находят отклики в моделировании на грани классической физики и квантовой механики, например в химической динамике, где сложные вычисления можно сдобрить квазиклассическими приближениями.
Ну а теория клеточных автоматов это довольно упреждающая работа. Она может принести полезные абстракции для тех, кто занимается фундаментальной физикой, и стать инструментом для изучения эффектов возникающих на поверхностях черных дыр и на планковских масштабах.
Основополагающая идея теории клеточных автоматов, а именно что скрытые переменные действительно содержат "скрытую информацию" о будущем, в частности настройки, которые будут выбраны экспериментаторами, при этом принципиально нелокальную информацию, которую невозможно собрать даже в принципе, может хорошо так взбодрить философов оглушенных безвучным падением дерева в лесу.
Герард т' Хоофт хочет вдохновить больше физиков серьезно рассмотреть возможность того, что квантовая механика, как мы ее знаем, не является фундаментальной, таинственной, непроницаемой особенностью нашего физического мира, а скорее инструментом для статистического описания мира, где физические законы, в своих самых основных корнях, вовсе не являются квантово-механическими. Конечно, никто не знает, как сформулировать самые основные законы в настоящее время, но стоит начать собирать указания на то, что классический мир, лежащий в основе квантовой механики, действительно существует.
P.S.
Подобные идеи нашлись у одного русскоязычного автора
Воксельные автоматы можно строить с помощью crystal или Visions of Chaos
P.P.S.
Если кому интересно, как осуществлялся перевод книги. Использовалась софтинка mathpix. Она распознает нейросеткой изображения и собирает латех-код. Работа была доверена макросу, который листал книгу и оцифровывал по пол страницы, закидывая все в один документ. Так как гугл переводит все без разбора, а глупенький яндекс, так вообще транслитизирует даже аббревиатуры и греческие буквы, то все латех-команды с помощью питон-скрипта запоминались в словарь, а в документе посреди текста оставались лишь нумерованные флаги. А уже потом, переведенный документ раскидывался по файлам, с последующим нудным допиливанием ссылок и ошибок перевода. Автор книги ввел свои названия, среди которых часто использовались beable операторы. Яндекс перевел их как "библейские" и, хотя автор такое точно не одобрит, очень трудно побороть соблазн, и не оставить их в релизной версии книги. То-то было бы раздолье для желтющих изданий и диванных ученых ?\_(?)_/?
thatsme
У меня вопрос. Он меня постоянно мучает.
«Эксперимент квантового ластика с отложенным выбором»
Основным следствием этого эксперимента считают «ретропричинность».
А также народ любит этот эксперимент как возможное подтверждение того, что мы живём в «матрице», и у системы в которой размещена наша виртуальная реальность, есть рейтрейсер на все частицы, по крайней мере наблюдаемые нами (это для оптимизации наверное).
У меня нет других источников информации кроме публикуемых в «научпопе», как и большинства населения планеты и следующие вопросы скорее всего легко могут быть разобраны на кусочки и уже есть какие-то результаты на эту тему:
Почему никто не обсуждает возможность (с оговоркой выше, т.е. журналюги и научпоп), что этот эскперимент, есть возможное подтверждение «суперреализма»?
Т.е. у экспериментаторов просто нет возможности выбора, и у автоматики нет выбора, и случайных чисел или случайных событий на самом деле нет, а интерференционная картина не наблюдается (коллапс волновой функции при отключенном D0, возникает из за того, что на D4 ч-з 8нс придёт фотон), просто потому, что это предопределено.
Также, как этот эксперимент может быть импликацией того, что:
а) возможно в системе отсчёта фотонов, расстояние не существует или существует совсем иначе, и только проецируется в «реальность наблюдаемую нами», как наблюдаемое нами расстояние;
б) возможно в системе отсчёта фотонов, не существует ограничения скорости света, т.к время тоже отсутствует (оно конечно и так может отсутствовать);
в) возможно не существует никаких запутанных частиц, возможно это мы наблюдаем одну и туже частицу проецируемую в «реальность наблюдаемую нами».
Буду благодарен, за любую информацию по данний теме.
Shkaff
Ученые так не думают.
Потому что этот эксперимент — подтверждение самой обыкновенной квантовой механики. В любой интерпретации. Проблема в том, что его популярные изложения чаще всего представляют как что-то удивительное, хотя это совершенно тривиальное следствие законов КМ.
Позволю себе отослать к своему переводу на эту тему, чтобы не повторяться.
thatsme
Спасибо за отсылку к переводу.
Самое странное, что и на quora и в wikipedia, что вобщем-то совсем не является отражением «современной научной мысли», — ретропричинность в первых рядах.
И даже в вашем переводе, автор оппонирует ретропричинности в первую очередь.
Из вашего перевода: «Важно только то, что главные электроны оказались в состоянии запутанности с вспомогательными электронами. Любая запутанность убивает интерференцию».
Но ведь это не так. Или я изначально что-то спутал, или уже оказался в другой вселенной… И в эксперименте с отложенным квантовым ластиком, фраза «Любая запутанность убивает интерференцию», — также не подтверждается. Скорее это неверный перевод.
И ещё в этом переводе: «Очевидно, наше решение измерить их горизонтально, а не вертикально, послало сигнал назад в прошлое и сообщило главным электронам, что им надо пройти сразу через обе щели, а не через одну» — также искажение фактов эксперимента.
Вот это вообще перл :«Нет никакой надобности в обратной причинности для объяснения квантового ластика с отложенным выбором. Для последователя многомировой интерпретации, результат очевиден без всяких путешествий во времени.» — ну конечно, нужно выбрать то объяснение которое больше нравится или подходит для объяснения собственной веры.
Т.е. ваша статья (врнее ваш перевод) и ваш комментарий к сожалению не принесли мне никаких ответов, а в статье вообще откланяется какое либо желание, что-либо объяснять и сводится к слову «очевидно». При этом что именно «очевидно», совершенно не очевидно.
По поводу многомировой теории Эверетта, мне вот из этой статьи последний абзац нравится habr.com/ru/post/472220
Я не противник многомировой теории. Она мне даже одно время нравилась. И в неё хочется верить. Главное не «уверовать».
Shkaff
Почему? Если ваши электроны запутались с чем-то, вы не увидите интерференции. Если вы можете эту запутанность отследить — вы можете восстановить интерференцию.
В оригинале «In this case it doesn’t matter that we didn’t have honest decoherence; it just matters that the traveling electrons were entangled with the recording electrons. Entanglement of any sort kills interference.»
В чем?
Не понимаю, в чем «перл»? Автор выбрал конкретную интепретацию, но вы можете найти подобное объяснение для любой другой.
Ну так что именно не очевидно вам?
Автор того поста дал совершенно безграмотное описание ММИ. Если вы Фейнман — вы можете себе позволить назвать чужую теорию чушью. Если вы ноунейм с хабра — это выглядит жалко.
В физические теории не «верят». Их проверяют, и дают вероятности их справедливости.
thatsme
> В физические теории не «верят». Их проверяют, и дают вероятности их справедливости.
Это хорошая позиция и я её полностью поддерживаю. ММИ к сожалению никак не проверяема. Или я ошибаюсь?
А вот это утверждение, что запутывание фотонов (в конкретном тексте электронов) приводит к коллапсу волновой функции?
Edited:
Хочу добавить. В эксперементе Кима от 1999, интерференция наблюдалась для связанных фотонов если небыло наблюдателя. Т.е. путь прохождения фотона был неизвестен.
«This result is similar to that of the double-slit experiment, since interference is observed when it is not known from which slit the photon originates, while no interference is observed when the path is known»
Это противоречит, статье которую вы перевели и и вашему согласию со статьей.
Shkaff
Где утверждается, что запутывание приводит к коллапсу?
Tyusha
ММИ — моё мнение — это вообще не интерпретация, а какая-то ерунда. Впрочем я сторонница того, что интерпретация КМ вообще не нужна. И без неё хорошо.
Shkaff
А почему вы думаете, что ерунда?
А как быть с коллапсом? Вот у меня в экспериментах это уже на грани начинает быть, пока еще в статьях не приходится явно указывать интерпретацию, но недалеко уже от этого.Yermack Автор
Для тех, кто лезет в черные дыры или копается на границе с классикой, интерпретации могут помочь выбрать направление поиска. Может же случиться, что математика молчит, а эксперимент содержит двоечтения
Tyusha
Я конечно излишне категорична. Действительно интерпретация может быть полезна для интуитивного поиска путей развития терфиза, но сама по себе вовсе не так уж необходима. Во всяком случае отсутствие интерпретации не может быть основанием для критики теории, соответствующей опыту.
thatsme
Вообще-то я вопрос задал и вы на него не ответили. Если
Если нет коллапса волновой функции, то необходимо объяснить данный феномен, каким-то образом. Хотя это совершенно не важно, т.к. утверждение ложное, что и показывает эксперимент Кима.
А ещё вот эта работа довольно интересна, и к теме статьи подходит:
arxiv.org/pdf/1205.4926.pdf
Вот эта фраза в ней, паранойу вызывает:
«As usual, if the photons could know in advance the choice of measurement setting in the Bell test, then a local model can mimic Bell inequality violations»
Пойду склею шапочку из фольги ...[sarcasm]
Shkaff
Там же в посте все расписано.
thatsme
Ок, раз мы согласны, что в статье которую вы перевели, фраза «Entanglement of any sort kills interference», — ложна. И вот это утверждение
гораздо точнее и естественне, то можно пойти далее.
Есть-ли возможность рассмотреть эксперимент отложенного квантового ластика, ч-з призму голографической теории или ПКГ?
Прошу прощения за назойливость, — просто редко доводится задавать вопросы на данные темы. А темы очень интересные.
Shkaff
А при чем тут эти теории? Во-первых, ни одна из них не является полноценной теорией. Во-вторых, это про гравитацию, а не кванты. Голографическая «теория» это вообще не теория — это набор гипотез. ПКГ еще настолько далека от воспроизведения даже самых простых вещей, что о чем-то более прикладном пока речи не идет.
Я всегда рад пообсуждать, мне только не нравится, когда мои утверждения объявляют ложными. Я могу ошибаться, но я не лгу.
thatsme
Я с этим согласился. Я не согласен с утвержднием, что связывание «убивает» интерференцию в дщэ, т.к. это противоречит экспериментальным результатам.
Вообще-то я утверждение автора статьи назвал ложным. Это не в смысле «враньё», а в смысле обычной булевой алгебры.
Надеюсь и автор из статьи изымет эту фразу, и вы её в дальнейшем использовать перестанете(Для уточнения, какую именно фразу я имею в вуду: «Entanglement of any sort kills interference»).
Двигаемся дальше?
Shkaff
Так что я не вижу ничего предосудительного в использовании этого слова, но давайте дальше.
thatsme
Да так, но только не в эксперементе Кима, в случаях когда неопределённость остаётся, из за того что неизвестен путь фотона, т.е. нет наблюдателя.
Мне кажется это очень важным в данном эксперементе отложенного квантового ластика, и очень недооцененным.
Почему я вспомнил про ПКГ (независимо от отношения к ней) и наверное это лучше называть «голографический принцип»(ГП)?
Начну с последнего: мнгновенные взаимодействия entangled (как их сейчас принято вообще на русском называть? связанные, запутанные, сцепленные?) частиц и отсутствие влияния расстояния. Именно с этим связаны мои вопросы относительно «точки отсчёта фотона». Опять уточню: «не инерциальной». Также как и возможность того, что связанные частицы вовсе не куча частиц, а одна (правда верить в это все труднее с ростом кол-ва запутанных частиц). Мне просто интересна трактовка эксперимента Кима, теми кто понимает ГП.
Относительно ПКГ, приведу выдержку из nature
Мне почему-то казалось, что ПКГ не только «про гравитацию». Но это уже не важно, вы уже на данные вопросы ответили.
Shkaff
Я говорю «запутанные», но это скорее привычка. Частицы не взаимодействуют в привычном смысле этого слова (т.е. нет какой-то частицы/поля — переносчика взаимодействия). Лучше всего об этом думать как о нелокальности волновой функции: частицы находятся в двух местах одновременно в некотором смысле. Т.к. обе находятся в двух местах одновременно, то в этих местах всегда две частицы, и «взаимодействие» при измерении локально. Что нелокально и мгновенно (в рамках копенгагенской интерпретации!) так это проявление свойств частицы во втором месте при измерении их в первом (т.е. коллапс ВФ).
Вы вообще не можете перейти в «точку зрения фотона», эта фраза не имеет смысла. Неинерциальная система отсчета для фотона тоже не имеет смысла (как вы себе это представляете?). Но даже если на секунду предположить, что это возможно, я не понимаю, что из этого следует.
Если уж на то пошло, то разговаривать о частицах вообще довольно бессмысленно. Это все возмущения квантовых полей.
Но и с точки ГП все равно не получится, чтобы все частицы были одной. Единственное, что возможно в духе ГП, так это то, что расстояние между частицами на поверхности мало, т.е. они локальны на поверхности, но нелокальны в объеме. Подобные теории пытаются строить, но пока безуспешно.
Конечно, это теория, которая пытается проквантовать пространство-время. Разумеется, она связана с квантами. Но она нацелена в первую очередь на квантовую гравитацию.
А насчет запутанности вы правы: запутанность играет центральную роль в построении теорий квантовой гравитации. Но опять же, это не очень пока относится к обсуждаемому. Т.е. интерпретации КМ и теория квантовой гравитации — это две совершенно разных задачи, и пока не видно, чтобы они могли быть решены одним махом.
thatsme
Давайте поясню, как сумею:
В одном из первых экспериментов «delayed choice quantum eraser», не использовались связные частицы, просто детектор устанавливался посе щели. Интерференционная картина не наблюдалась если детектор был включен. Т.е. разницы нет, до щели стоит детектор или после. Если есть «наблюдатель», происходит коллапс волновой функции. В сулчае если «наблюдатель» находится за щелью, то создаётся ощущение, что фотон или вселенная знают, что за данным фотоном будет вестись наблюдение.
На всякий случай работа Кима и товарищи от 1999г.[https://arxiv.org/abs/quant-ph/9903047]
Да наблюдение происходит после щелей. И да на BBO кристал фотоны попадают после щели, и соответственно эмиссия связанных фотонов от А или B, происходит на BBO кристале, т.е. после щелей.
Однако, интерференционная картина не наблюдается только на D4 и D3, и наоборот наблюдается на D1 и D2 [не могу не выделить: интерференция у связанных фотонов], единственное отличие (D1,D2) и (D3,D4) друг от друга, это то, что мы обладаем информацией о пути прохождения фотона для (D3,D4) и не обладаем этой информацией для (D1,D2).
Это наверное неловкая формулировка: «Когда измеряются разные части запутанности, интерференции нет.»?
На самом деле при любом измерении (независимо, единичного фотона, или одного из фотонов пары), происходит коллапс волновой функции.
Весь смак эксперимента, в том что на (D1, D2) мы не обладаем информацией, о том какой именно фотон из пары и каким путём (или оба одновременно) приходят на (D1,D2).
Я абсолютно согласен с тем, что человеческий мозг (ничей, — ни мой ни ваш, ни кого угодно другуго) не может представить себя одномерным объектом в суперпозиции или волной, и у фотона «точки зрения» быть не может. Я просто не в состоянии выразить, другими словами то что имею в виду.
Попробую так: Допустим, фотон одномерный объект на четырёхмерной поверхности в пятимерном антидеситтеровском пространстве, проецируемый в наше 3-х мерное пространство (ворпос: «Чем?»)… Стало легче? Мне точно нет.
Вот именно, особенно когда мы говорим о целом облаке атомов цезия, где все состояния частиц спутаны друг с другом. Это не улучшает понимания. Я из за этого ночами спать не могу.
Я надеялся, что т.к. ПКГ работает независимо от геометрии пространства (фонo-независима), у нее есть шанс каким-то образом пролить свет на нелокальность. Однако, я нигде не могу найти работу Маркопулу-Смолин 2003г «Квантовая теория из квантовой гравитации». Поэтому даже понятия не имею, что в этой работе может быть интересного, и как сквозь призму этой работы можно рассматривать экеримент Кима
Shkaff
Я все равно не очень понимаю, что вы все таки хотите сказать про запутанность. Сначала вы создаете запутанность в BBO кристалле, запутанность между 4 частицами. Наблюдая только три из них (D0 и D3 или D4), вы не видите интерференции, т.к. наблюдаете за смешанным состоянием. Наблюдая все четыре из них (D0 и D1 или D2), вы видите интерференцию, т.к. наблюдаете чистое состояние. Конечно, вы увидите интерференцию, если имеете доступ ко всем частям запутанного состояния, о том и речь.
Я к тому, что эта фраза буквально математически не имеет смысл. Вы не можете определить неподвижную систему отсчета для фотона.Дело в том, что такие гипотезы типа «а что если» довольно бессмысленны без математики. На таком уровне теорий предположить можно что угодно, и единственный способ отделить зерна от плевел — иметь непротиворечивое математическое описание.
Эту? Вообще, полно подходов к получению квантовой теории из более общих теорий, но пока все они недостаточно хороши.
Да и самое главное — в квантовом ластике нет ничего этакого, что требовало бы хитроумных теорий, даже копенгагенская интерпретация вполне справится.
Ausweis_ss
Справедливости ради, в работе Кима генерирут 2х-фотонное состояние, а не 4х.
Shkaff
Да, состояние двухфотонное, а запутанность — четырехчастная (два фотона + две щели).
Ausweis_ss
Эксперимент проще понять если учитывать что интерференционная картина наблюдается (или не наблюдается) на D0, а не D1-D4. К D1-D4 летят фотоны- метки, которые несут информацию о щелях. Фотоны которые должны или не должны интерферировать летят к D0, который установлен на сканирующем столике. Если смотреть на D0, где интерферирует фотон, запутанный с фотоном-меткой, то интерференция там наблюдаться не будет. Обэтом и упомнается выше: если фотон с чем-то запутан, он не показывает наблюдаемую интерференцию как ни старайся. Интерференцию можно увидеть/восстановить только если учитывать второй фотон из пары, и то после удаления из него информации о щели (что тоже включает в себя интерференцию, но это уже детали).
Аналогично, если смотреть на детекторы D1-D4 по отдельности, то интерференционноый картины там тоже нет.
thatsme
Ок разбираемся вместе:
В моём понимании, (возможно оно ошибочно):
а) неважно связанные ли частицы или единичные, «наблюдатель/измерение» приводит к коллапсу волновой функции (и как следствие, — отсутствию интерференционной картины).
б) коллапс волновой функции на D0, D3, D4, происходит потому, что нблюдатель есть (состояние пары будет разрушено измерением/наблюдеием см. пункт а. неважно из за какого фотона в паре происходит коллапс).
в) равноправный сетап но без знания информации о пути (D0, D1, D2), не приводит к коллапсу волновой функции на D0 — интерференционная картина есть.
После чтения ваших комментариев, добавляются такие пункты:
г) D0 отстоит на 8ns от (D3,D4) и от (D1,D2). И это не имеет никакого значения.
д) Сам факт того, что мы знаем весь путь (в случае D0,D3,D4), — достаточно, для того чтобы фотон стал частицей, и на всех отрезках пути от D0 до D3 и от D0 до D4, он нигде не является волной, — интерференцонной картины наблюдать не получится.
Теперь вопрос:
Как быть с тем фактом, что отключение измерений на D3, D4, приводит к интерференционной картине на D0? < — Или это вообще ложное утверждение?
Druu
Проблема в том, что вы рассматриваете коллапс как некоторый физический процесс, как следствие — он происходит в конкретный момент времени при взаимодействии определенных объектов вполне конкретным образом влияя на состояния этих объектов. Но по факту коллапс не физичен, по-этому ему не нужно следовать причинности, по факту — это мы выдумываем коллапс чтобы придать все процессу определенную интерпретацию и поскольку мы уже знаем весь процесс целиком, то причинность не нарушена. Если же мы рассматриваем коллапс как реальный процесс — мы не имеем права выбирать произвольно момент коллапса — он должен быть установлен исходя из непротиворечивости описания
thatsme
А я и не веду к ретропричинности.
Вот он ключевой момент «и поскольку мы уже знаем весь процесс целиком», — т.е либо есть скрытая переменная (что противоречит результатам в эксперементе Перуззо), либо времени не существует (по крайней мере для фотонов), либо расстояние для фотонов (одномерных объектов на четырёхмерной поверхности в антидеситтеровском пространстве), отлично от того расстояния, каким наблюдаем его мы.
Я процесс, рассматриваю как человек, — последовательно по шагам, я не всостоянии мыслить не поступательно. А на самом деле, рассматривать нужно не как процесс. Точка зрения должна меняться? Так?
Или это опять «пурга»?
Ах да, есть-же ещё "Объективная редукция" которая, всё ещё имеет право на жизнь, и ПКГ начинает играть некими красками.
Shkaff
Добавлю: интерференция видна только на статистически большом наборе измерений. Т.е., конечно, у вас есть процесс измерения, и он «коллапсирует» ВФ в одно конкретное значение. Только после повторения эксперимента много-много раз (каждый раз приготавливая и коллапсируя ВФ) вы увидите интерференционную картинку.
Druu
Да, это, ключевой момент. Если бы мы могли определять наличие интерференции по одному событию — то мы могли бы перед детектором поставить какую-нибудь замедляющие фотон среду (или вообще взять неспешно летящий электрон), проверять наличие интерференции и в зависимости от результата успевать отключать/включать детектор в противоположность измеренному ДО того как фотон до него долетит. Уничтожая, таким образом, вселенную парадоксом :)
thatsme
Коллапс происходит в тот момент, когда вы в целом измеряете всю систему — состоящую и из фотонов, и из экрана, и из детектора.
При этом в одном случае вы включаете в измерение состояние детектора, а в другом — нет. В итоге у вас получается разложение в разные базисы (на самом деле и квантовые системы в целом разные). Разные базисы — разные результаты.
thatsme
Да, давайте обсуждать очевидные вещи. Это ведь так нужно.
При этом отвечать на мои вопросы вы избегаете, и эту мысль постом выше вы уже изложили.
Druu
Так а что вам тогда непонятно? Добавляя и убирая детекторы, вы меняете базис разложения. На самом деле — даже если задержать пучок фотонов до попадания на детекторы, все равно проблем нет. В одном случае вы измеряете сперва экран, потом — датчики, во втором — сперва датчики, потом — экран. Порядок измерений разный — разный и результат. Как в случае измерить импульс — потом координату, или сперва координату — потом импульс.
thatsme
Допустим D0 мы назовём экраном. И на самом деле мы измеряем его раньше чем датчики (неважно какой группы). Причём всегда.
Дальше я только повторяться буду. Это контрпродуктивно. Лучше перечитать мои комментарии 1 и 2 и объяснить мне, что именно я упускаю.
Druu
И, вопрос-то в чем?
Не знаю, вам уже каждый пункт объяснили не по разу. Укажите точно в каком моменте у вас непонимание возникает.
Я там вижу только один овпрос:
На него выше дан вполне конкретный ответ. Вы не можете ожидать того же результата, меняя базис разложения.
thatsme
Я его и не ожидаю. Самое смешное, что «базис расположения» не меняется. Я на это также многократно указывал. Если я ошибаюсь, покажите в работе Кима конкретный абзац, в котором это указано.
Либо покажите ошибки в его работе, и того что он не учёл, что базис меняется.
Druu
Как это не меняется? Меняется.
Почему не учел? Учел, конечно. Он же так и пишет — вы получаете разные результаты когда проводите разные измерения, конкретно — измерения разных детекторов.
Ausweis_ss
Нет, наблюдатель запутывает частички с собой и этим уничтожает интерференцию. В даном эксперименте, фотоны летящие к D1-D4 — это и есть наблюдатель, фотоны у D0 — интерферирующие частички. Коллапс появляется только когда фотон ударил детектор, при этом интерференция на D0 пропадет вне зависимости от того когда сработают детекторы D1-D4 и сработают ли вообще.
Картина на D0 никак не зависит от того что и где как-то еще измеряется. Сам факт включения или отключения любого их других детекторов не повлияет на пятно на экране D0. Интерференционну картину можно увидеть если смотреть на совпадения между щелчками (обнаружениями фотонов) на D0 и D3 (или D4).
thatsme
Покажите на этот момент в работе Кима. Приведите цитату. Или вы утверждаете, что Ким врёт?
Ausweis_ss
Ким прямым, выми выделенным, текстом подтверждает мои слова: Интерференцию можно восстановить если смотреть на корреляцию обнаружений фотонов на двух детекторах.
Итого, на D0 вседа пятно. Если смотреть сигнал на D0 и сравнивать его с сигналами на других детерторах, то в корреляциях с некоторыми из них можно увидеть полосы.
Если бы картинку на D0 можео было менять манипулируя посторонними детевторами — это бы была магия, а не квантовая механика. В КМ никакие манипуляции с запутанным фотоном никак не отображаются на втором фотоне из пары, вся суть в корреляциях.
thatsme
Я этот текст специально выделил. Зачем вы его перевираете. Это уже ни в какие ворота не лезет. Или у вас с английским туго?
Ausweis_ss
Все верно, этот текст прямым текстом подтверждает мои слова.
Дословно: отсутствие интерференции или ее восстановление может быть организовано при помощи соответствующего коореляционного измерения.
То есть измерения на двух детекторах одновременно и сравнения сигналов на них. Посмотрите графики в статье, нигде нету сигнала с одного детектора, только корреляции, к каждой картинке приписка "«joint detection» rate between… ".
Сигнал на D0 не зависит от наличия или отсутствия схемы с детекторами D1-D4 (или ее частей), а сигнал на D1-D4 не зависит от того что происходит с D0.
В даном примере, поскольку фотоны которые летят к D0 запутаны с чем-то еще, они не интерферирут и сигнал, в идеале, там будет всегда выглядеть примерно как на Fig. 5 в статье.
В конкретной работе Кима, сингала бы не было вообще, он бы утонул в шумах, но это уже технические детали.
thatsme
Вы работу не читали. И значимости этого эксперимента не понимаете. Обратили внимание на выделенный фрагмент, при этом всё ещё продолжаете утверждать, что на D0 интерференции не наблюдается:
Цитата ваших слов (вы это повторяете снова и снова):
Из работы Кима, то о чём я говорил ранее, всё зависит от наблюдателей (D1,D2) — нет информации о пути (нет явного нбаблюдения), и (D3,D4) — есть информация:
Ausweis_ss
Вы продолжаете игнорировать написанное прямым текстом в работе: все наблюдения и графики — это корреляционные сигналы между детектором D0 и еще каким-то. Вы дважды этот факт процитировали и оба раза не увидели.
Пока вы не поймете, что пятно на D0 не может меняться от того что там с детекторами D1-D4 происходит, ваше понимание этого достаточно элементарного примера не продвижется никак.
На этом закончу, все ответы уже были даны несколько раз.
Yermack Автор
Действующие квантовые компьютеры могут изменить баланс сил. Как только на квантовом компьютере будет разложено на множители ну хотя бы миллионозначное число, ММИ получит подпорку в виде параллельных вычислений силами многих миров.
Копенгагену от этого будет ни холодно ни жарко, а вот многие реалистичные теории попритухнут, особенно клеточные автоматы (если будет доказано, что квантовый компьютер действительно могущественней классического компьютера с ячейками планковских масштабов.)
Ну а по мне, чисто из привычки и соображений комфорта, даже при разного рода фальсификациях, многие специалисты будут искать лазейки и все равно оставаться на своем стеке
Shkaff
Не знаю, я не уверен, что КК как-то повлияют на интерпретации. В принципе, КК не делают ничего такого особенного, чего мы не делаем в лабах ежедневно (только на ином техническом уровне). Поэтому ММИ получит поддержку в виде пиара, но не в виде физической аргументации. Просто очень красиво представлять вычисления во многих мирах, но это просто красивая метафора. И вроде реалистическим теориям тоже не должно сильно хуже стать, по крайней мере пока.
Yermack Автор
Ну Хоофт сразу сакцентировал, что КК для КА будет нехорошим злом, из наших как помню Хреников скептически отзывался о КК, и еще у каких-то реалистов мысль проскакивала, поэтому жду с нетерпением, чтоб посмотреть что из этого выйдет
Shkaff
Любопытно, я не знал об этом! Я недавно смотрел лекцию т Хоофта про КА, но что-то не помню про это. Но вообще, наверное, всегда можно найти способ включить, учитывая, насколько эти теории еще не проработанные. Скажем, пилот-волна по идее дружит с КК вполне.
Druu
Мне кажется, логика тут понятная — если какая-то реалистическая интерпретация верна, то КК можно эмулировать классическими средствами в той же алгоритмической сложности. Что математически неверно.
Shkaff
Ну это если мы можем доказать математически, что действительно КК строго мощнее классических (пока мы не можем даже с P/NP разобраться). Наличие КК не является прямым доказательством невозможности создать классический алгоритм. Кроме того, возможно, классические алгоритмы не учитывают возможность эмуляции нелокальности. Тот факт, что те же клеточные автоматы воспроизводят квантовую механику, говорит о том, что мы не можем отличить просто экспериментально запутанность квантовую от эмуляции запутанности клеточными автоматами.
quverty
Тут надо всю книгу внимательно прочитать, чтобы дискутировать идеи `т Хоофта, но так как известно, что квантовые КА не входят в противоречие с КК, получается что модели, которые он подразумевает, это не они, а классические КА. Тогда всё это возвращает нас к вопросу о “квантовом превосходстве”, который не так давно обсуждался в связи с другим постом.
Shkaff
Я, к сожалению, недостаточно хорошо понимаю КА, чтобы обсуждать конкретно их… Поэтому говорил только о более глобальном доказательстве, что класс сложности для классических алгоритмов строго внутри квантовых (скажем, NP<QMA).
А так да, давайте перейдем обратно в тот тред, на который я забыл ответить:)
Megakazbek
Как минимум некоторые квантовые алгоритмы в теории можно реализовать и на классической аналоговой системе типа колеблющейся струны. И вообще, хоть это скорее из-за того, что никто особо не занимался этой проблемой, но тем не менее нет доказательства, что для какого-то класса задач нельзя построить аналоговый алгоритм, эквивалентный квантовому. Поэтому пока что подпорки никакой поставить нельзя, ведь (на сегодняшний день) ничему не противоречит сценарий, что у квантовых компьютеров их квантовость как раз ничего и не даёт, а все их преимущества возникают из-за того, что они отошли от общепринятой модели цифрового компьютера.
Druu
Здесь везде вечная квантомеханическая путаница в терминологии. Когда говорят "интерферируют фотоны", то имеют в виду "интерферируют состояния фотонов". Подобные вещи очевидны для человека, который понимает о чем речь, но вызывают полное непонимание реальных процессов при попытке разобраться со стороны остальных.
В частности — интерферировать друг с другом могут разные состояния одного и того же фотона, например. Или интерференция может быть своего рода "перекрестной" — один фотон находится в А+В, второй в C+D, А интерферирует с С, В интерферирует с D. По-этому вам не важны фотоны, важны их состояния (ну и вообще говоря состояния не отдельных фотонов, а квантово-механической системы в целом — после запутывания разложить систему в произведение независимых состояний уже, в общем случае, нельзя).
Tyusha
Не существует инерциальной системы отсчёта, связанной с фотонами.
thatsme
Это вы к пунктам а) и б), я правильно понял? Но я не имел ввиду инерциальную систему отсчёта. Если честно, я понятия не имею какой должна быть система отсчёта у фотона. Он не наблюдает времени, он движется со скоростью C, как с точки зрения фотона рассматривать нашу реальность не ясно. Тут совершенно профанское с моей стороны определение: «представьте что вы фотон». Лишня сущность наверное, и представить не получается…