dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Суперпозиция на омонимах может быть развита вплоть до демонстратора важных онтологических принципов, стоящих за квантовыми вычислениями. Фраза “личинка заблокировала собачку в замке” содержит заметно более одного значения среди возможных. Однако, если сопроводить фразу “настроечным” текстом, значение схлопывается в конкретный вариант.

“Насекомые могут мешать работе механизма, бывает, что и личинка заблокировала собачку в замке”. Это вариант для жуковедов. Если же в “настроечном” тексте речь шла о домашних животных феодалов, то собачка вполне может заранее превратиться в маленькую собаку. Фактически, слова начального текста, взятые вместе с фактом интерпретации омонимов, проявляют структуру, на которой успешно строится и понимание “квантовой запутанности” с неравенствами Белла, и другие элементы популярной квантовой механики, которые, почему-то, едва ли не повсеместно спешат назвать “контринтуитивными”.

Если хотите, то упомянутая структура управляет ударением в омографе “замок”. (Тут ещё интересно то, как подобное теряется в LLM, – в “больших языковых моделях” ИИ, – но это отдельная тема.) Как можно этим же способом охватить и принципы квантовых вычислений? Часть уже должна быть понятна из суперпозиции “собачек”. На следующем шаге потребуется представление интерференции состояний. То есть, требуется добавить ещё омонимов, но не каких угодно, а таких, которые окажутся связаны с состояниями уже используемых в целевой фразе. Самый простой вариант – для того, чтобы “собачка” стала механическим элементом, можно использовать “ключ” и “треснул”: “треснул ключ, а личинка заблокировала собачку в замке” (и засов теперь не сдвинуть). Использование “ключа” вызвало интерференцию, резко снизив вероятность интерпретации слова “собачка” как обозначающего мелкое животное белого цвета.

Заметьте, что такая интерпретация всё ещё возможна в принципе, если немного расширить контекст. “Чтобы вновь запустить цирковую карусель, медведь доской треснул ключ, а личинка заблокировала собачку в замке” (круговорот диковин в шапито: гигантская личинка загоняет собачку в макет замка). Интерференция позволяет перегонять вероятность в нужном направлении, а в вычислениях такое должно работать потому, что превращение “собачки” в механическую деталь позволяет определить наличие “ключа” даже в том случае, когда начало фразы не приводится: если ударение в “замке” на последний слог, то где-то раньше стоял “ключ”, который “треснул”. То есть, если представить, что начало предложения может быть разным, то способ постановки ударения в “замке” позволяет определить, механическое там что-то было или нет. Обратное распространение значений. Впрочем, не сказано, кто же тогда предложение читает.

Это забавно. Однако, сколь бы странным подобное рассуждение ни показалось, именно структуры данного типа, существующие выше морфологии, позволяют строить осознаваемые (не всеми, но некоторыми) интерпретации квантовой механики, и даже планировать построение квантовых компьютеров. Но для LLM это недоступно.

Исходная мотивация для квантовых вычислений состоит не в кубитах, а в поиске механизма, который позволил бы вычислить “невычислимое”, ну или хотя бы “сложновычислимое”. Кстати, едва ли не первое описание концепции дано в книге Ю. И. Манина “Вычислимое и невычислимое”, 1980 года (изд. “Советское радио”) – там несколько абзацев в предисловии (с.15) посвящено “квантовым автоматам”, уже эти несколько абзацев точно и полно описывают концепцию того, как квантовые вычисления далее и развивались. Сама книга не о квантовых вычислениях. Тем не менее, в тексте предисловия на примере проблем моделирования известными “классическими” методами простых физико-химических явлений, показана связь с несравнимо большей мощностью пространства квантовых состояний – вот эту мощность и предлагается использовать в реализации будущих вычислительных механизмов.

В вычислительном моделировании белковых молекул ситуация и сейчас, спустя более чем сорок лет, примерно такая же – расчёты требуют многих дней работы суперкомпьютера, но соответствующий процесс геометрического превращения белка происходит за доли секунды. Это одно из направлений, на котором, как считается, могут помочь квантовые компьютеры той или иной системы.

Почему вычислительное моделирование вообще должно работать на скорости, сравнимой с моделируемым процессом? Это моделирование больше похоже на попытку перебора состояний, то есть на обращение некоторой сложной функции-свёртки. Можно было бы попробовать придумать небольшой алгоритм, который моделировать ничего не будет, но вывод даст похожий на какую-нибудь сворачиваемую молекулу. Другими словами, обязательно ли предполагать, что упавшая на каменный пол стеклянная ёлочная игрушка, прежде чем разбиться, вычисляет набор осколков, на которые она разлетится?

Предположим, в симуляции вселенной игрушка могла бы и “зависнуть”, вот буквально в момент удара об пол – если расчёт осколков достаточно сложен; другое дело, что прочие персонажи внутри симуляции всё равно этого не заметили бы, так как ход последовательности событий, споткнувшись на ёлочной игрушке, одинаково приостановился бы для всех находящихся внутри – иначе событие разбития игрушки начало бы отставать по времени от момента падения; впрочем, известно, что такие эффекты относительно легко корректируются позже; кроме того, “разбивку” осколков можно и предвычислить, оформив в виде процедуры, выдающей, как калейдоскоп, разные наборы, которые вычислительно непредсказуемы изнутри симуляции, но укладываются в прочие ограничения, что позволяет пытаться их считать: вычислительная непредсказуемость тут как раз и выводится из экспоненциального роста сложности определения свойств исходной внешней процедуры по её внутреннему выводу.

Впрочем, концептуальная идея квантовых вычислений основана на обратной трактовке ситуации: предположим, есть физический процесс, который явно опережает “по скорости сходимости” все известные для моделирования похожих процессов вычислительные методы, – давайте используем сам этот процесс для вычислений, хоть бы и по какой-то другой задаче. Некая запредельная квантовая процедура быстро определяет конфигурации осколков ёлочной игрушки (волка там какого-нибудь, это не так важно) – давайте сводить другие задачи к модели, полезный результат которой отобразится в конфигурацию осколков. Это больше похоже на “квантовый отжиг” (quantum annealing), но, собственно, такой же подход реализуется и в алгоритме Шора, который описывает, как перевести задачу отыскания периода функции в квантовомеханические “операторы”. Алгоритм математический, а для успешной его работы остаётся найти подходящий физический процесс. С этим могут быть трудности. Естественно, это всё напрямую связано с тем, что пока что толком не понятно, откуда именно берётся “мощность”, стоящая за конкретным, пусть и гипотетическим, квантовым вычислением.

Один из исторических подходов к выводу понятийных основ квантовой механики состоит в следующем сравнении “меньше-больше”: пусть исследователь изучает всё меньшие и меньшие аспекты окружающего мира, тогда, с соответствующим уменьшением инструментов измерения, эти инструменты начинают всё больше и больше влиять на измеряемое. Отсюда хрестоматийное определение: влияние прибора убрать нельзя, а чем выше полагаемая точность измерения, тем больше измеритель влияет на измеряемое – например, на элементарную частицу, на электрон.

Нужно заметить, ничто не мешает пытаться, собственно, измерять параметры скорости хорошо локализованных в пространстве электронов с высокой точностью – проблемы начинаются с предсказуемостью результатов последовательных измерений в одной и той же конфигурации оборудования. Предсказуемо определить измерением, получается, нельзя, а значит – нельзя и знать, то есть, феномен скрывается из области реального. При дальнейшем обобщении, учитывающем прочие эксперименты, включая мысленные (как двухщелевой опыт с фотонами и наблюдателем над щелями), в этом месте и появляется “поле вероятности” из которого можно “выбивать” измерениями разные значения, но уже с хорошо определяемым распределением. Получается, за всеми этими “частицами” стоит некоторое большее поле вероятности, а в нём возможны некоторые волны изменений, порождаемые разными шагами квантового эксперимента, при этом интерференция данных волн влияет на распределение будущих результатов измерений. И если правильно устроить экспериментальный прибор (квантовый компьютер), то, возможно, получится применить результаты превращения вероятностей в измерениях и вычислениях. Однако тут возможны разные интерпретации.

Случайно тут попалось высказанное в качестве примера утверждение про восприятие текста: “если в предложении на английском языке поменять слово, то человек, знакомый с английским, сразу увидит – изменился смысл (meaning) предложения или нет” (перевод с английского). Конечно, всякий пример, подготовленный с подобной степенью обратной аллегоричности, содержит обязательные неточности, но данный вариант особенно интересен, потому что сводит взаимодействие “смысла” и “текста” к отдельным словам.

Вот если в предложении “дерево весело задело” поменять “дерево” на “платье”, то изменится ли смысл? Сможет ли оценить изменение смысла человек, знакомый с русским языком?

С одной стороны, тут похоже, что предложение не имеет смысла ни с одним из двух переставляемых слов. Значит, если смысла нет, смысл “пустой”, то он и не изменился, ведь пустое множество – самый инвариантный инвариант: пустые множества элементов любых типов не просто не отличаются – пустое множество вообще всего одно. С другой стороны, если “смысла нет” означает отсутствие смысла, то тогда мы имеем дело с некоторым конструктом, в который пустое множество (обобщённое “отсутствие”) может быть погружено, потому как чтобы заявить, что “смысла нет”, нужно сперва определить, что такое “смысл”, а потом утверждать, что такого нет. Получается, мы теперь имеем дело с некоторой пустой коробкой, а коробки могут быть разного цвета, их можно вкладывать одну в другую и настолько преуспеть, что даже построить таким способом натуральные числа. Так что то, как именно “смысла нет” в предложении – могло и поменяться, в зависимости от “дерева” или “платья”: цвет пустой коробки начинает играть важную роль, поскольку тут этот цвет превращается в интерпретацию иллюстративной роли отсутствия смысла в исходном предложении “о задевших деревьях”, то есть, задаёт понимание того, что именно это предложение показывает читающему. Замена дерева на платье может что-то поменять в смыслах, но на более высоком уровне. Сразу ли увидит это человек, знакомый с русским языком? Это зависит от контекста и от опыта человека.

Предполагается, что постквантовые криптосистемы – это защита от взлома на квантовом компьютере. На гипотетическом квантовом компьютере, который может реализовать соответствующие алгоритмы – алгоритм Шора, прежде всего. Конечно, современный уровень “хайпа” вокруг квантовых компьютеров уступает уровню “хайпа” вокруг “искусственного интеллекта”, тем не менее, квантовых компьютеров, подходящих для атак на используемые сейчас криптосистемы, ещё никто не показал. И даже ничего близко похожего – не показали. Но если почитать, например, статью про квантовые вычисления даже в англоязычной “Википедии”, то там почему-то уверенно обсуждаются “практические особенности”. Но до “практики” же ещё очень далеко. Пока что даже исследовательские алгоритмы, призванные показать “квантовое превосходство”, требуют создания специальных задач, которые структурно оптимизированы не в направлении вычислительной полезности, а в направлении использования свойств, потенциально доступных на имеющихся сейчас квантовых устройствах (см. boson sampling). Это естественно, весьма логично для этапа теоретических исследований на экспериментальном оборудовании, но не относится к практическому применению универсальных компьютеров.

В популярных изложениях нередко сильно искажают ситуацию (а иногда – искажают и не в совсем популярных: см. историю про “голографическую кротовую нору”), заявляя, что алгоритм Шора уже был успешно реализован на таких-то и таких-то конфигурациях. При этом для алгоритма Шора ключевое значение имеет не “суперпозиция состояний”, про которую всё время рассказывают, а реализация квантового преобразования Фурье, потому что именно в нём состоит содержательная часть – алгоритм должен работать потому, что схемы преобразования Фурье позволяют, в теории, определить период функции, заданной на значениях квантовых регистров. Однако в экспериментах именно эту часть (преобразование Фурье) существенно упрощают или вообще исключают, так как нет доступных экспериментальных квантовых схем, подходящих для практической реализации. На малых разрядностях (несколько битов/кубитов) преобразование Фурье для алгоритма Шора вообще не имеет вычислительного смысла, поскольку в принципе нельзя увидеть “длинных” периодов. Не исключено, что в случае “коррекции ошибок” на дополнительных схемах – преобразование Фурье совсем не будет работать для отыскания периода из-за того, что алгоритм-то, по предназначению, целочисленный. И это если оставить за скобками то, что создание гипотетического квантового компьютера большой разрядности напрямую затрагивает основания современной физики, поскольку именно такой квантовый компьютер с необходимостью попадает на границу между “квантовым (микро)миром” и “неквантовым (макро)миром”, которая совсем не ясна, вокруг которой строятся разные интерпретации.

Из этого, впрочем, не следует вывод, что квантовые компьютеры подходящей разрядности вообще не создадут. Но пока что трудности большие.

Один из занимательных и продуктивных, с онтологической точки зрения, моментов в “классических” (каламбур) квантово-механических экспериментах связан с интерпретацией результатов двухщелевого опыта: как именно так выходит, что когда отдельный квант регистрируется в конкретной точке экрана, он тут же (мгновенно) не регистрируется в других точках, в которые мог бы попасть, как показывает дальнейший ход эксперимента. Этот момент отмечал ещё Эйнштейн, в 20-х годах прошлого века (или раньше, не важно).

То есть, сам иллюстративный смысл опыта состоит в том, что фотоны, прошедшие через щель (щели), регистрируются в разных точках экрана, а статистическая картина при этом соответствует интерференции (или дифракции, как хотите). Выходит, регистрация фотона в конкретном месте экрана как-то выключает возможность регистрации этого же фотона в других местах этого же экрана; в противном случае – места для квантовой механики не остаётся. Конечно, можно предположить, что фотон всё же регистрируется сразу во всех “доступных” точках, но конкретный экспериментатор в конкретном экземпляре вселенной обнаруживает только одну точку, однако это не очень-то содержательный вариант – так всё что угодно и как угодно можно объяснить.

В других вариантах получается, что либо нужны некоторые дополнительные параметры, заранее кодирующие путь фотона, либо это некоторое поле вероятностей переносит каждый отдельный фотон по случайному набору веток дерева, построенного на пиках “волн вероятности” (концепция, с одной стороны, близкая к современному взгляду на проблему, с другой – до степени смешения сходная с “эфиром”). Интерпретация “мгновенного выключения” других точек на экране-приёмнике в двухщелевом опыте как раз и привела к формулированию неравенства Белла, а также и ко многим технически продвинутым экспериментам, связанным с этим неравенством (неравенствами). Более того, из этих же интерпретаций, из превращения вероятностей, и вырастают квантовые вычисления, но тоже пока как концепция.

Продолжение темы про “пересекающиеся параллельные прямые” и, конкретно, их популярное “пересечение” “у Лобачевского”. Понятно, что параллельные не пересекаются по определению. Но именно в геометрии Лобачевского параллельные прямые, так сказать, даже больше не пересекаются, чем в евклидовой геометрии. Дело в том, что соответствующий постулат гиперболической геометрии (Лобачевского) имеет следующий смысл: “через точку, не лежащую на данной прямой, в плоскости, которая задаётся этой прямой и точкой, можно провести более одной прямой, не пересекающей данную” (у Евклида – не более одной прямой). То есть, в версии от Лобачевского не только можно бесконечно много построить прямых, проходящих через точку и “параллельных” данной (“параллельных” здесь в кавычках потому, что используется в смысле значения из классической евклидовой системы), но и, в процессе построения, возникают как бы две “параллельности”: то есть, появляются граничные прямые, которые параллельны данной “влево” и параллельны “вправо” (сколь бы странным это ни показалось). Все прочие параллельные формируют пучок, зажатый внутри углов, образуемых двумя граничными прямыми. Собственно, именно эти две граничные прямые, дающие углы параллельности, и определяются как параллельные в этой геометрии. Строгое определение и свойства параллельности в геометрии Лобачевского порождают богатые её интерпретации. Однако даже и просто две прямых, проходящих через точку и не пересекающих данную, это уже существенно больше, чем одна у Евклида.

В этот раз порция “про манускрипты” касается “Начал” Евклида в изложении текста девятого века из Ватиканской апостольской библиотеки. Прошлая записка по теме немного рассказывала о “типографике”. В этот раз вернёмся к началу текста, посмотрим на страницу с постулатами и прочитаем формулировку особенно знаменитого пятого постулата – на скриншоте (выделение красным – добавлено мной).

Начало выделено вертикальной красной чертой, но можно заметить, что кто-то уже раньше, – несколько сотен лет назад, – непосредственно на самом манускрипте отчеркнул начало и отметил фрагмент арабской цифрой пять. Текст в современной типографике будет ниже, а особенно интересный фрагмент на скриншоте тоже отмечен красным. Чьи-то комментарии, выполненные чёрными чернилами в правом нижнем углу, к сожалению, разобрать весьма сложно, как и межстрочный комментарий, – оставим на потом.

Вообще, блок постулатов озаглавлен Αἰτήματα – “Требования”, но принято называть эти требования “постулатами”. Пятый постулат, как известно, делает геометрию евклидовой. Содержательная часть его формулировки, в общем смысле, вводит ограничение на количество различных прямых, параллельных данной, которые можно провести через точку, не лежащую на данной прямой (здесь – одну и только одну параллельную можно провести). Однако классическая формулировка другая, она обычно оперирует двумя прямыми, на которые падает третья – см. перевод ниже. При этом и классических формулировок – много, они отличаются в деталях. Так, вариант, записанный в рассматриваемом манускрипте, содержит занятное дополнение. (Помимо прочего, постулат про “параллельные прямые” регулярно неверно излагается или ещё как-нибудь странно используется в современном “научпопе” и другой литературе.)

Читать древний шрифт сложно: тут не только лигатуры и прочие сокращения норовят ввести в заблуждение, но и начертания букв запутывают. Посудите сами: в пятой строке, например, слева, сразу после запятой, написано ἐκβαλλομένας, но букву β узнать непросто – здесь она скорее как современная рукописная русская “и” (строчная). В современной древнегреческой типографике текст со скриншота манускрипта (начиная с вертикальной красной черты) выглядит так:

Καὶ ἐὰν εἰς δύο εὐθείας ἐυθεῖα τις ἐμπἱπτουσα τὰς ἐντὸς καὶ ἐπὶ τὰ αὐτὰ μέρη γωνίας δύο ὀρθῶν ἐλάσσονας ποιῇ, ἐκβαλλομένας τὰς δύο εὐθείας ἐπ’ἄπειρον συμπίπτειν ἁλληλάις ἐφ’ ἅ μέρη εἰσὶν αἱ τῶν δύο ὀρθῶ(ν) ἐλάσσονες: καὶ δύο εὐθείας χωρίον μη περιέχειν.

Не литературный, но близкий к оригиналу, перевод, разбит на две части: 1) “И если одна прямая, падающая на две других, внутренние и по одну сторону углы меньше двух прямых [углов] образует, продолженные без ограничений две другие прямые встретятся на той стороне, на которой углы меньше двух прямых”; 2) “И две прямые пространства (области) не охватывают”.

Первая часть, – это, можно сказать, каноническая “древняя” запись пятого постулата. А вот вторая – в формулировку пятого постулата обычно не входит. Это, скорее, некий “шестой” постулат, поэтому его наличие в ватиканском тексте занимательно. Вообще, данный манускрипт содержит версию “Начал” в традиции “до Теона Александрийского”, то есть, без многочисленных правок и дополнений, внесённых, как считается, Теоном в другие исторически доступные нам версии. Но отдельный “постулат” про то, что никакие две прямые не содержат пространства (“не охватывают”), тем не менее, встречается и в других средневековых версиях “Начал”.

Почему лабораторная установка для квантовых экспериментов показывает именно эту статистику? Физика не должна бы отвечать на столь общий вопрос “почему?”. Тем не менее, предположим, статистика такая потому, что через несколько минут две группы исследователей, работающих в одном общем эксперименте, но в разных лабораториях, удалённых одна от другой, сравнят результаты измерений и подставят их в формулу, связанную с неравенством Белла – показатели должны совпасть с уже согласованными ожиданиями.

Впрочем, возможна и несколько другая трактовка: в тот момент, когда исследователи обменялись результатами измерений, обсудили их и пришли к общему мнению, исходные показатели, полученные ранее лабораторными установками, участвовавшими в эксперименте, определились – но, из-за особенностей восприятия принципов причинности, всем исследователям кажется, что это в прошедший момент эксперимента показатели были именно такими. Вокруг неравенства Белла много подобных лазеек, а самые интересные из них вовсе и не касаются строго экспериментальных классических предположений (вроде задержек по времени, “паразитных” наводок в пространстве и тому подобных “эксперментально-физических” особенностей, которые, впрочем, не так давно были все закрыты современными экспериментами).

Эксперимент, связанный с неравенством Белла, строится так: квантовый объект, который можно разделить на пару достаточно хорошо локализуемых феноменов (например, запутанные, сцепленные общим состоянием частицы), распределяется по двум разнесённым в пространстве лабораториям, после чего две группы исследователей (или просто два исследователя, не важно), находящихся в этих лабораториях, измеряют каждый свою часть выбранным способом, а способ выбирают случайно (насколько вообще возможно случайно что-то выбрать: со случайностью тут связан отдельный набор “лазеек” – см. ниже). Дальше строится статистика по многим последовательным измерениям, где для каждого измерения, в каждой лаборатории, исследователи фиксируют, какие именно проводились измерения и какой получился результат. Потом эти результаты сравнивают между собой, обязательно учитывая последовательность типов измерений. Получается статистика, которую описывает модель квантовой механики. Определяющим моментом оказывается то, что измеряется одна квантово-механическая система.

Однако если попытаться свести наблюдаемый результат к некоторым заранее принятым допущениям, то легко возникает ощущение некоторой “контринтуитивности” – проступает корреляция, которой, как бы, быть не должно, поскольку, предположим, расставленные в разных и достаточно удалённых точках пространства системы не должны влиять одна на другую мгновенно. Это всего лишь допущения, которые иногда считают некими законами, как в “законах физики”. Видимо, отсюда растёт сравнение с “классической физикой”, приводящее к трактовкам в стиле “если измерить спин одного электрона из пары, то спин второго тут же изменится”. Однако “классическая физика”, что бы это ни значило, тут не должна никак мешать и вообще в процесс включаться.

Неравенство Белла показывает, что статистику, согласующуюся с некоторой интерпретацией экспериментов в области квантовой механики, нельзя получить при помощи параметров, находящихся за пределами модели, если, например, запрещено согласование этих параметров через пространство со сверхсветовой скоростью (а точнее – мгновенно). Но если мгновенное согласование возможно, то и статистику можно получить какую нужно. Нужна ли тут некоторая “не-локальность”? Не особенно: можно, например, продолжать считать, что всё “локально”, потому что ещё нужно принести и сравнить данные, чтобы построить статистику; а можно считать “локальной” саму квантовую систему. Подобная “не-локальность”, построенная на попытке вложить квантовый эксперимент над потоком вероятности в ту самую “классическую физику”, это лишь один из способов интерпретации, и вовсе не обязательно, что в него верят все физики.

“Локальность” против “не-локальности” основывается на введении расстояния и пространства. Как вообще можно понимать пространство? Предположим, что разнесённые по этому самому пространству частицы, участвующие в эксперименте, вовсе не удаляются одна от другой: эти частицы максимально похожи, они даже находятся в “общем” квантовом состоянии, что, – с точки зрения потока вероятности, описываемого, предположим, волновой функцией, – просто не позволяет их разделить в пространстве для измерения. Это всё один поток, который, предположим, экспериментально расщепляется на две статистики не ранее момента обсуждения результатов измерения экспериментаторами. В момент обсуждения одна последовательность результатов измерений привязывается к другой, а математический аппарат квантовой механики просто позволяет работать с потоком вероятностей так, что при преобразованиях несколько возможных исходов не теряются. Более того, известная интерпретация предполагает, что это группы исследователей, осуществляющие экспериментальные измерения квантовых феноменов, попадают в состояние “квантовой суперпозиции”, зацепившись за волновую функцию, а тот результат, который потом описывают популярные статьи, это как раз “коллапс волновой функции исследователей”, произошедший при сравнении показателей статистики.

С другой стороны, само пространство, выраженное в метриках расстояний, может представлять собой несколько более сложный феномен. Например, более “похожие” объекты находятся ближе. Тогда разнесение (условных) антенн экспериментального оборудования вовсе не означает, что и измеряемые частицы разнесены: дело в том, что для более или менее строгого экспериментального определения расстояния “в пространстве” требуется время, а для времени – требуется опорная частота, но её найти можно не всегда.

Ещё одна занятная лазейка касается “степени случайности” параметров измерений: исследователи, согласно условиям эксперимента, должны выбирать параметры измерений непредсказуемым, для окружающей эксперимент действительности, образом. Предположим, что при создании эксперимента строго определяется не только весь возможный набор результатов измерений, но и действия самих измеряющих. Тогда, опять же, можно получить любую статистику, подходящую под любые неравенства. Устранить этот аспект (обычно, называемый “супердетерминизмом”) не получится – он находится среди допущений, задающих интерпретацию эксперимента. Это позволяет, как минимум, уверенно сохранить “локальность”. Отменяет ли наличие подобного “супердетерминизма” свободу воли исследователей? Нет, не отменяет: исследователи всё так же вольны интерпретировать результаты, а перед этим – планировать серии измерений и технические детали экспериментов, составляя собственное представление о них. Здесь, кстати, кроется один из отличительных аспектов осознания, который никак не вписывается в новомодные системы ИИ с “машинным обучением”.

И это далеко не все онтологические лазейки, связанные с интерпретацией неравенства Белла.

(См. также “Алгоритм Шора и Вселенная кубиками“, “Алгоритм Шора в фантастической машине превращения вероятностей“.)

Теорема Пифагора регулярно упоминается, когда речь заходит о Великой теореме Ферма. Это логично. Понятно, что теорема Пифагора называется так больше по историческим причинам (как и многие другие теоремы), а известна была раньше, но тем занимательнее выглядит тот факт, что математические идеи пифагорейцев можно увидеть и в современном доказательстве теоремы Ферма. Вообще, осознать математическую машинерию, позволяющую получить это доказательство, довольно трудно. Тем не менее, можно проиллюстрировать ситуацию некоторыми примерными построениями. В них видны необычные аспекты.

Так, связь модулярных форм с уравнением Ферма устанавливается через коэффициенты разложения Фурье для формы. Эти коэффициенты – целые числа, имеющие прямое перечислительное воплощение: количество решений уравнения (“в остатках”, или по модулю некоторого (простого) числа). При этом элементы ряда Фурье можно рассматривать как гармоники. Буквально – как некоторые вращающиеся по окружностям точки. Тогда, если хотите, упомянутые целочисленные коэффициенты образуют некоторый “спектр”, последовательно определяющий симметрии, связанные с исходным уравнением. Точнее, конечно, будет использовать термин “мотив” – однако подобные технические детали тут не важны, но обратите всё же внимание на данное название.

Всё это как раз очень напоминает пифагорейские концепции, описывающие конфигурации явлений окружающей действительности через “сочетаемость” натуральных чисел, происходящую из геометрических свойств этих чисел. И вот оказывается, что тройки решений, удовлетворяющие уравнению Ферма, не вкладываются в набор возможных конфигураций симметрий рациональных чисел. На более техничном языке, конечно, всё звучит сильно загадочнее, даже в первом приближении популярного изложения: эллиптическая кривая, соответствующая упомянутой тройке чисел, не может быть модулярной (Рибет); однако, она должна быть модулярной, потому что все такие кривые – модулярны (это доказательство Уайлса); отсюда и выводится нужное противоречие. Периодические функции, окружности (и диски, кстати), а также разнообразные их логические сочетания, постоянно используются в соответствующем математическом аппарате, но на очень высоком уровне абстракции, поэтому и обозначаются другими терминами, которые с одной стороны – точнее, а с другой – шире. Но конкретно суть доказательства теоремы Ферма, в самом первом приближении, можно представить как невозможность уложить числа в геометрические фигуры. А это подход пифагорейцев, пусть и геометрия используется несколько иная.

На скриншоте ниже – результат работы нехитрой программы на языке Python, которая вычисляет в точке x == i (мнимая единица) значение функции, известной как j-инвариант – j(x).

j(x) – это модулярная функция, которая важна, например, в теории эллиптических кривых, но в настоящей заметке теоретические детали не играют существенной роли. Значение j(x) для мнимой единицы – это целое число 1728 (в каком-то смысле, по определению). А 1728 == 12^3, что тоже не является простым совпадением, так как 12 == 2^2 * 3. Можно j(x) записать в виде бесконечной суммы (разложение Фурье или q-expansion, если хотите, где q == exp(2*π*i*x)), что и используется в программе: j(x) == q^(-1) + 744*q^(0) + 196884*q^1 + 21493760*q^2 + 864299970*q^3 +… Коэффициенты – целые числа.

Поскольку модулярные формы имеют большое значение в арифметике, коэффициенты из разложения j-инварианта проявляются в математике довольно неожиданным образом, порождая даже отдельные направления (как в случае “Чудовищной бурды” – Monstrous Moonshine, самогон, который в русскоязычной “Википедии” едва не превратился в “Монструозный отблеск”). Но это тема для другой записки, более подробной. Здесь же отметим, что так как коэффициенты – целые числа, можно взять их побольше (например, 42) и посчитать значение j(x) “численными методами”, проверив, сойдётся ли, и насколько быстро, результат. Понятно, что если в выражение для q (см. выше) подставить x == i, вместо i*i получится -1, что и делает каждый очередной элемент суммы всё меньше и меньше, несмотря на увеличивающиеся коэффициенты.

Однако здесь есть хитрости. Если использовать обычные настройки Python, то точности для вычислений не хватает, результат не сходится. Если взять math.exp() и math.pi, точность по умолчанию, получаем 1728.000000000000014825929946, причём ещё на 13 шаге суммирования – не очень-то хороший результат: больше чем 1728. Увеличение точности само по себе тут не помогает, нужно использовать модуль decimal и ввести достаточно длинные значения для π и e, заменив math.exp() и math.pi на Decimal(E**(Decimal(-2)*Pi))**n, где E и Pi – значения со многими знаками после запятой. Точность в decimal устанавливается при помощи getcontext().prec. Результат со скриншота получен для prec = 81 в Python 3.5. Всё это хорошо иллюстрирует, что компьютеры не считают в действительных числах.

Исходный код (проверьте, что символы табуляции не были “съедены” так же, как и некоторые цифры десятичного разложения):

from decimal import Decimal, getcontext
getcontext().prec = 81
Pi =	Decimal('3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982')
E =	Decimal('2.718281828459045235360287471352662497757247093699959574966967627724076630353547594571382178525166427427')
M = [
1, 744, 196884, 21493760, 864299970, 20245856256, 333202640600,
4252023300096, 44656994071935, 401490886656000, 3176440229784420,
22567393309593600, 146211911499519294, 874313719685775360,
4872010111798142520, 25497827389410525184, 126142916465781843075,
593121772421445058560, 2662842413150775245160, 11459912788444786513920,
47438786801234168813250, 189449976248893390028800, 731811377318137519245696,
2740630712513624654929920, 9971041659937182693533820, 35307453186561427099877376,
121883284330422510433351500, 410789960190307909157638144, 1353563541518646878675077500,
4365689224858876634610401280, 13798375834642999925542288376, 42780782244213262567058227200,
130233693825770295128044873221, 389608006170995911894300098560, 1146329398900810637779611090240,
3319627709139267167263679606784, 9468166135702260431646263438600, 26614365825753796268872151875584,
73773169969725069760801792854360, 201768789947228738648580043776000, 544763881751616630123165410477688,
1452689254439362169794355429376000
]
j = Decimal(0)
n = -1
for c in M:
	j = j + Decimal(c) * Decimal(E**(Decimal(-2)*Pi))**n
	print("j = ", j)
	n = n + 1
print("j^(1./3) =", float(j)**(1./3))

Попытаться построить квантовый компьютер на тысячи кубитов имеет смысл хотя бы для того, чтобы проверить, что имеющиеся модели работают для больших пространств состояний. Попытка факторизации 1024-битного числа на гипотетическом квантовом компьютере при помощи алгоритма Шора сталкивается с необходимостью как-то действовать в пространстве из 2^1024 состояний (ну, предположим). Влезет ли такое количество состояний во Вселенную? Насколько 2^1024 вообще большое?

Понятно, что какие-то прямые физические воплощения для такого числа придумать не получится, поскольку, например, 2^1024 несравнимо больше, чем масса Земли, подсчитанная в граммах. Но можно пойти на комбинаторные ухищрения. Нарежем пространство Вселенной на 2^80 небольших кубиков. 2^80 выглядит очень похожим на разные оценки “объёма Вселенной”, “количества частиц” и других сходных параметров. Перестановкой этих кубиков можно получать разные конфигурации Вселенной, которые, возможно, будут весьма сходными. Предположим, что количество конфигураций это (2^80)! (факториал, а не восклицание). “Реальный”, – что бы это ни значило, – показатель может быть другим: нужно учитывать возможности по сочетанию получившихся кубиков, их взаимное расположение. Однако для нашего примера это не важно.

Существенно ли (2^80)! превосходит 2^1024? Может показаться, что 2^1024 очень большое число. Однако провести сравнение нетрудно. Заметьте, что при вычислении факториала каждое чётное число повышает степень двойки (иногда – больше чем на единицу), поэтому 2^1024 вкладывается уже в 1026! (ну или примерно так; 1026 = 1024+2, проверьте; естественно, 171! больше 2^1024). Что уж говорить про (2^80)!! (Здесь второй восклицательный знак обозначает восклицание.) Теперь может показаться, что 2^1024 не такое уж и большое число, чтобы не вкладываться в качественно нарезанную Вселенную.

С другой стороны, а кто сказал, что разрешается разбирать объём Вселенной на кубики и переставлять их? Это было только предположение. Тем не менее, для реализации квантового алгоритма квантовым компьютером как раз нечто подобное и требуется, только детали различаются от интерпретации к интерпретации, поэтому иногда переставляются целые разные вселенные (ну, хорошо, не “переставляются”, а “интерферируют”). При этом комбинаторная часть здесь выносится за пределы реальности. То есть, можно предположить, что некая огромная “категория”, содержащая все возможные комбинации состояний и все процессы преобразования между состояниями, локализуется в конкретный результат измерений квантового компьютера, а этот результат помогает в факторизации больших чисел. Тут есть глубоко теоретический математический смысл.

Но, конечно, если Вселенная является симуляцией, то мощностей на 2^1024 состояний может и не хватить. А ведь не исключено, что получение нужной для 1024 битов разрешающей способности может потребовать во много раз больше кубитов, а элементов квантовой схемы – так вообще миллионы могут понадобиться. Впрочем, в симуляции факторизация скорее всего известна заранее: выписать на листке подобранное вручную 1024-битное простое число, удерживая его в области внимания, довольно трудно, а все остальные способы получения больших простых чисел, предположим, представляют собой результат спуска подготовленного значения из машины симуляции вселенных (из гипервизора, так сказать). Да что уж там – даже и выписывание числа может быть “наведённым”: ведь ещё предстоит проверить его простоту (спускается ли структура простых из машины симуляции в симуляцию?).

Так или иначе, но выходит, что реализация квантового алгоритма факторизации выдвигается во внешнюю область, которая не определяется окружающей “физической реальностью”, но объекты из этой области могут в “физическую реальность” проваливаться. Однако считается, что удерживать схему из кубитов там сложно, поэтому элементы достаточно быстро должны бы входить в зацепление с “реальностью”, теряя, тем самым, возможности для эффективной работы. В физике это называется декогеренцией, а для наших целей можно считать, что “категория”, стоящая за квантовым вычислением, “запутывается” (entanglement) с той действительностью, о которой смогли договориться наблюдатели – то есть, локализуется или схлопывается, теряя все полезные свойства. Иногда результатом локализации может быть “результат вычислений”. Хотя, вычисления ли это? Отдельный вопрос.