Скотт Ааронсон - Квантовые вычисления со времен Демокрита

• Название: Квантовые вычисления со времен Демокрита
• Автор: Скотт Ааронсон
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-9614-5030-9

Написанная известным теоретиком в области квантовых вычислений Скоттом Ааронсоном, эта книга проведет вас через поразительное разнообразие тем, исследуя самые глубокие идеи математики, информатики и физики от теории множеств, вычислительной сложности, квантовых вычислений до интерпретации квантовой механики. Кроме того, вы познакомитесь с дискуссиями относительно путешествий во времени, парадокса Ньюкома, антропного принципа и взглядов британского физика и математика Роджера Пенроуза.

Неформальный стиль Ааронсона делает эту поразительную книгу доступной для читателей с научной подготовкой, а также для студентов и исследователей, работающих в области физики, информатики, математики и философии.

---

Но что, если вам захочется применить квантовую механику ко всей Вселенной целиком, включая и себя самого? В интерпретациях эпистемологического толка ответ заключается просто в том, что подобные вопросы задавать не принято! Кстати говоря, именно в этом заключался любимый философский ход Бора, его убойный аргумент: «Такой вопрос задавать нельзя!»

На другой стороне у нас интерпретации, которые все же пытаются различными способами разобраться с проблемой помещения самого себя в суперпозицию: многомировые интерпретации, механика Бома и т. п.

Упрямым решателям задач, таким как мы, все это может казаться всего лишь великим спором о словах – почему нас это должно волновать? И я готов с этим согласиться: если бы это действительно был спор о словах, то разницы не было бы никакой, и нам не стоило бы об этом беспокоиться! Но как указал в конце 1970-х гг. Дэвид Дойч, мы в состоянии придумать эксперименты, которые позволили бы отличить интерпретации первого и второго типов. Простейшим экспериментом такого рода было бы поставить себя в состояние когерентной суперпозиции и посмотреть, что получится! Или, если это слишком опасно, поставить в положение когерентной суперпозиции кого-нибудь другого. Идея в том, что если бы человеческие существа регулярно попадали в положение суперпозиции, то вопрос о проведении линии, отделяющей «классических наблюдателей» от остальной Вселенной, потерял бы смысл.

Но хорошо, человеческий мозг – это водянистая, рыхлая, неаккуратная штука, и мы, возможно, не смогли бы поддерживать его в состоянии когерентной суперпозиции на протяжении 500 миллионов лет. Чем можно заменить этот эксперимент? Ну, мы могли бы поместить компьютер в состояние суперпозиции. Чем сложнее компьютер – чем сильнее он напоминает мозг и нас самих, тем дальше мы сможем отодвинуть ту самую «линию» между квантовым и классическим. Сами видите, от этого до идеи квантовых вычислений остался всего один крохотный шажок.

Я хотел бы извлечь из всего этого более общий урок. Какой смысл затевать разговор о философских вопросах? Дело в том, что в дальнейшем мы собираемся довольно активно заниматься этим – в смысле, пустой философской болтовней. На этот счет существует стандартный ответ: философия, мол, занимается интеллектуальной расчисткой, это уборщики, которые приходят вслед за физиками и пытаются навести порядок, разобрав оставленный ими хлам. Согласно этой концепции, философы сидят в своих креслах и ждут, чтобы в физике или вообще в науке появилось что-нибудь интересное – квантовая механика, скажем, или неравенства Белла, или теорема Гёделя; после этого они (приведем метафору с обратным знаком) слетаются на новинку, как стервятники, и объявляют: ах, вот что это означает на самом деле.

Ну, на первый взгляд все это кажется каким-то скучным. Но, когда привыкаешь к подобной работе, мне кажется, обнаруживаешь, что это… все равно скучно!

Лично меня интересует в первую очередь результат – поиск решений нетривиальных, хорошо определенных и еще нерешенных задач. Какова же здесь роль философии? Мне бы хотелось предложить для философии более интересную и возвышенную роль, чем роль интеллектуального дворника: философия может быть разведчиком. Она может быть исследователем-первопроходцем – наносить на карту интеллектуальный ландшафт, который позже будет обживать физика. Далеко не все области естественных наук были заранее обследованы философией, но некоторые были. А в недавней истории, мне кажется, квантовые вычисления могут послужить эталонным примером. Замечательно, конечно, говорить людям: «Заткнитесь и считайте», но вопрос в том, что именно им следует считать. По крайней мере, в квантовых вычислениях (моя специальность) то, что мы любим считать, – емкость квантовых каналов, вероятности ошибок в квантовых алгоритмах – это такие вещи, которые никому в голову не пришло бы считать, если бы не философия.

2. Множества

Здесь мы будем говорить о множествах. Что будут содержать эти множества? Другие множества! Как куча картонных коробок, открыв которые, обнаруживаешь внутри только новые картонные коробки, и так далее, до самого дна.

Вы можете спросить: «Какое отношение все это имеет к книге о квантовых вычислениях?»

Ну, будем надеяться, что кое-какие ответы на этот вопрос мы увидим чуть позже. Пока же достаточно сказать, что математика есть основа всякой человеческой мысли, а теория множеств – счетных, несчетных и др. – основа математики. Так что неважно, о чем у нас книга, в любом случае множества – прекрасная тема для начала.

Мне, вероятно, следует без обиняков сказать вам, что я собираюсь втиснуть весь курс математики в эту одну главу. С одной стороны, это означает, что я не рассчитываю всерьез, что вы все поймете. С другой стороны, в той мере, в какой поймете, – замечательно! Вы получаете целый курс математики в одной главе! Добро пожаловать.

Итак, начнем с пустого множества и посмотрим, как далеко нам удастся пройти.

Пустое множество

Вопросы есть?

На самом деле, прежде чем говорить о множествах, нам необходимо обзавестись языком для разговора о множествах. Язык, который придумали для этого Фреге, Рассел и другие, называется логикой первого порядка. Он включает в себя булевы функции (и, или, не), знак равенства, скобки, переменные, предикаты, кванторы («существует» и «для любого»[10]) – и, пожалуй, все. Говорят, что физики испытывают со всем этим сложности… Эй, потише, я просто пошутил. Если вы прежде не встречались с таким способом мышления, значит, не встречались, ничего страшного в этом нет. Но давайте все же пойдем навстречу физикам и пробежимся по основным правилам логики.

Правила логики первого порядка

Все правила здесь говорят о том, как составлять предложения, чтобы они были корректны – что, говоря по-простому, означает «тавтологически истинны» (верны для всех возможных подстановок переменных)[11], но что мы пока можем представить просто как комбинаторное свойство определенных символьных строк. Я буду печатать логические предложения другим шрифтом, чтобы их было легко отличить от окружающего текста.

• Пропозициональные тавтологии: A или не A, не (A и не A) и т. п. – истинны.

• Modus ponens (правило отделения): если A истинно и из A следует B истинно, то B истинно.

• Правила равенства: высказывания x = x; из x = y следует y = x; если x = y и y = z, то x = z; и из x = y следует f (x) = f (y) – истинны.

• Замена переменных: при изменении имен переменных высказывание остается истинным.

• Исключение квантора: если для всех x A (x) истинно, то A (y) истинно для любого y.

• Добавление квантора: если истинно A (y), где y – переменная без ограничений, то для всех x, A (x) истинно.

• Правило квантификации: если не (для любого x, A (x)) истинно, то существует такой x, что не (A (x)) истинно.

Приведем в качестве примера аксиомы Пеано для неотрицательных целых чисел, записанные в терминах логики первого порядка. В них S(x) – это функция следования, интуитивно S(x) = x + 1, и я предполагаю, что функции определены заранее.

Аксиомы Пеано для неотрицательных целых чисел

• Нуль существует: существует такое z, что для любого x, S(x) не равно z. (Это z принимается за 0.)

• Каждое целое число имеет не более одного предшественника: для любых x, y если S(x) = S(y), то x = y.

Сами неотрицательные целые числа называют моделью этих аксиом: в логике слово «модель» означает всего лишь любой набор объектов и функций этих объектов, удовлетворяющий условиям аксиом. Интересно, однако, что точно так же, как аксиомам теории групп удовлетворяет множество разных групп, так и неотрицательные целые числа – не единственная модель аксиом Пеано. К примеру, вы можете убедиться, что добавление к этой модели дополнительных искусственных целых чисел, недостижимых от 0, – чисел, лежащих «за бесконечностью», так сказать, – даст нам еще одну полноценную модель. При этом, как только вы добавите к модели одно такое целое число, вам придется добавить их бесконечно много, поскольку у каждого целого числа должно быть число, непосредственно за ним следующее.

Кажется, что, записывая эти аксиомы, мы занимаемся бессмысленной казуистикой, – и в самом деле, здесь возникает очевидная проблема курицы и яйца. Как можем мы формулировать аксиомы, которые подведут под целые числа более прочный фундамент, если сами символы и вообще все, что мы используем для записи этих аксиом, подразумевает, что мы уже знаем, что такое целые числа?

Так вот, именно поэтому я и не считаю, что аксиомы и формальную логику можно использовать для подведения под арифметику более надежного фундамента. Если вы почему-то не согласны с тем, что 1 + 1 = 2, то сколько ни изучай математическую логику, понятнее это не станет! Тем не менее все эти штучки безумно интересны не менее чем по трем причинам.