Закрывая вопрос о квантовых вычислениях (исключительно в блоги)

Тут камрад копипастой все пытается доказать наличие у него способности самостоятельно мыслить. Я же хочу публично закрыть для себя этот вопрос (вопрос квантовых вычислений, про способность камрада самостоятельно мыслить вопрос не стоит), поскольку после осмысления ряда обстоятельств для меня тема квантовых вычислений представляется, по крайней мере на данной стадии, переливанием из пустого в порожнее, причем не только в научпоп статьях и публикациях - там не только переливание, там откровенная профанация, - но и, собственно, в исследованиях.

Для пояснения своей мысли разберу часть публикации камрада:

Для себя стоит принять на веру то, что до измерения состояние частицы не определено, и возможность узнать это состояние без измерения нету. А после измерения частица перейдёт в одно из возможных состояний с уничтожением состояния суперпозиции.

Принимать на веру это не требуется, это понятный и легко объяснимый факт - измерение происходит через взаимодействие элементарных частиц, например взаимодействие (столкновение) электрона и кванта света - фотона. Такое столкновение изменит состояние и фотона, и электрона, и это означает, что такое измерение вот этого конкретного состояния возможно всего один раз. Следствием из этого является невозможность определить ни местонахождение частицы вне измерения, ни какие-то еще ее состояния. 

На основании этого физики не только сделали вывод о том, что невозможно определить одновременно и местонахождение, и импульс микрочастицы, но приняли  допущение о том, что она находится во всех возможных состояниях одновременно - и это состояние назвали состоянием квантовой суперпозиции. При этом в связи с отказом от траекторного способа отслеживания местоположения частицы

только отказ от классического траекторного способа описания движения электрона в атоме позволяет правильно рассчитать и предсказать свойства атома. Вероятностный способ описания движения частиц в квантовой механике является единственно правильным способом описания свойств атомных систем - таков вывод современной физики.

они состояние квантовой суперпозиции распространяют на местоположение кванта, допуская, что квант может находиться во всех местах одновременно. 

Альтернатива Фейнмана. Ричард Фейнман в 50-х предложил новый взгляд на квантовую проблему. Он усомнился в классической картине, что каждый электрон проходит только через одну щель. Фейнман предположил, что электрон не только проходит через обе щели, но и одновременно перемещается (рыщет) по всем возможным траекториям от источника до экрана (включая и путь к туманности Андромеды и обратно). Каждому из этих путей можно поставить в соответствие некоторое число, и их сумма даст искомую вероятность. Этот подход получил название суммирование по путям. Фейнман говорил: "Квантовая механика дает совершенно абсурдное с точки здравого смысла описание Природы. Но оно полностью соответствует эксперименту. Поэтому следует принять Природу такой, какой Она есть, — абсурдной". В отличие от матричной механики этот принцип получил свое развитие и применение во многих последующих теориях.

Состояние суперпозиции физики распространяют и на состояние кванта, заявляя, что квант в состоянии до измерения находится во всех своих возможных состояниях одновременно. Мне, к сожалению, сложно понять основания такого заявления, тем более, что в момент измерения квант находится всегда в каком-то одном состоянии и ничто не указывает, что вне измерения он находится в нескольких состояниях одновременно - например, фотон во всех состояниях поляризации, или электрон со всеми спинами одновременно, да еще и с промежуточными (?) состояниями между двумя известными у электрона.

Даже если речь идет о корпускульно-волновой природе кванта (двойственной), то его волновая природа всегда оказывалась результатом интерпретаций экспериментов, траекторные аспекты движения частиц в которых очевидно не учитывались. Во всяком случае в описании ни одного эксперимента я не увидел, каким образом обеспечивалось либо отсутствие отражения электрона от материалов, окружающих щель, и стенок, ограничивающих пространство прибора эксперимента, и последующее попадание мечущегося электрона в щель под разными углами, где они могут в связи с геометрией щели и углами захода в нее давать повторяющееся распределение, либо единообразия угла прилета частицы в кристаллическую решетку, при том, что угол прилета учитывался в построении эксперимента, правда, постоянство этого угла допускалось, а не обеспечивалось и не констатировалось. Отказ от траекторного подхода выключает из учета ряд факторов, хотя, например, формула "угол падения равен углу отражения" реализуется на квантах света фотонах, а из этого, как минимум, два следствия: во-первых, траекторный подход таки позволяет отслеживать траектории частиц, во-вторых, обнаружив измерением в двущелевом эксперименте электрон в "неположенном" месте, мы могли бы допустить отражение электрона от стенок прибора и влияние его траектории на распределение, а вовсе не суперпозицию местонахождения. Неизвестны опыты по выявлению влияния геометрии щели на распределение квантов, по влиянию покрытия стенок прибора на такое распределение. При этом что, собственно, у электрона например, колеблется (термин длина волны применяется для повторяющихся колебаний, частота которых обратно пропорциональна длине волны) так и осталось невыясненным:

Предыдущая закончилась констатацией, что мы пока не установили, что именно колеблется при движении электрона. В истории физики такое уже случалось. Когда-то при выводе уравнений электродинамики Максвелл тоже не знал, что представляют собой описываемые им колебания и волны, но уравнения оказались верны. Поэтому отложим пока вопрос о физической природе волн де Бройля и просто введем некую «электронную» волну, то есть волновую функцию . О ней мы знаем пока только одно: волновая функция должна описывать результаты опытов, доказывающих волновые свойства электронов (дифракцию и т. п.).

***

Ну да Бог с ним. Вопрос оказывается не в этом, а в другом, и это более важно. Допустим, что все эксперименты были проведены правильно, и результаты их интерпретированы корректно (правда, остается вопрос парадигмы, в рамках которой они интерпретируются). Однако ни ни одна интерпретация, ни отказ от траекторного способа отслеживания частицы не дает основания  говорить о суперпозиции, как о чем-то реально существующем. Это было, является и остается математическим допущением, позволяющим описывать вероятностное состояние частицы. И на самом деле важным вопросом оказывается вопрос, а можем ли мы использовать это состояние суперпозиции (которое мы не можем измерить никакими приборами, поскольку оно существует исключительно вне измерения - по определению)? А если не можем, то что это нам дает? Ведь если не можем использовать, то это нам и не дает ничего.

Но даже, допустим, мы сможем использовать этот состояние суперпозиции - или как нечто неопределенное, или как третье состояние. которое и 1, и 0 одновременно, те самым не только 1 и не только 0. То есть это третье состояние дает нам троичную логику из трех состояний - 1,0, и "хрен его знает". Троичная логика известная и в жизни: ты идешь на переговоры и должен помнить о трех вариантах (грубо) их итогов: согласны, не согласны, давайте отложим.  Троичное исчисление не является ни новинкой, ни прорывом, пользуемся же мы десятеричным исчислением и никаких особых достижений в связи с этим нет.

Никакого промежуточного состояния суперпозиция нам дать не сможет, всегда или 1, или 0. Более того, мы к кубиту обратиться не можем, чтобы суперпозицию не уничтожить. А это значит, что операционально для нас ее не существует. Даже при работе с кубитом работа с суперпозицией должна осуществляться вне его - то есть в обычном компьютере, с обычными  битами в виде алгоритма обсчета.

Все математические конструкции, использующие состояние суперпозиции и рассчитывающие результаты экспериментов на ее основе, будут обсчитываться на уровне вероятностных результатов обычными компьютерами, потому что квантовая суперпозиция - это математическая модель, порождение человеческого интеллекта, а не физическое состояние объектов реального мира. Следует также отметить, что на уровне термина квантовая суперпозиция используется очень нечетко: что конкретно должно пониматься под состоянием  квантовых частиц, не определено, и под ними могут пониматься и характеристика спина (я, например, не видел исследований о том, что у одного электрона может быть два различных спина, сначала один, потом другой, тем более о том, что это изменение состояния спина осуществляется вне воздействия на электрон внешней силы, спонтанно), и нахождение на энергетическом уровне, и нахождение в пространстве, и поляризация. Это, вообще-то, означает нарушение закона тождества в обсуждении, и если не указывается, о суперпозиции каких состояний идет речь в том или ином эксперименте, их не только нельзя сравнить между собой, нельзя понять даже, о чем там в принципе идет речь.

***

Как вам всем известно, единицей хранения информации в классических системах является бит. Это минимально возможная единица информации. Причем в качестве 1 или 0 можно условно обозначать многие состояния различных систем, например наличие или отсутствие напряжения на элементе, уровень этого напряжения, состояния выключателя лампочки и многое другое.

Аналогичным образом для квантовых систем можно ввести понятие квантового бита — кубита.

Кубит, кьюбит (от англ. — quantum bit, q-bit — квантовый бит) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере, использующаяся для квантовых вычислений

Чем же может быть физически представлен этот кубит? Это может быть уже упоминавшийся ранее электрон со своим спином (например, спин вверх — 1, вниз — 0), фотон света с определенным направлением поляризации или даже определённое направление распространения частицы. В общем всё, что способно находится в состоянии суперпозиции (в дальнейшем для удобства под кубитом я буду понимать именно эту абстрактную физическую реализацию). То есть состояние кубита не известно до его измерения, и при измерении он переходит в одно из двух возможных состояний. Причем состояние суперпозиции будет уничтожено (тут мы и получим классический бит информации, в зависимости от состояния — 0 или 1).

Здесь автор этого высказывания выделил только те характеристики квантов, которые имеют два состояния. С суперпозицией работать невозможно, при измерении "получим классический бит информации, в зависимости от состояния — 0 или 1". Где тут квантовое преимущество? В неопределенности того, выпадет 0 или 1? Чтобы с ней потом сделать что? Генератор случайных чисел? И все?

Проблема фактического обоснования существования квантового преимущества (а не его декларации) реально существует. Она воплощается в реальный мир как бездоказательные заявления о квантовых преимуществах, или как заведомые манипуляции - лживые заявления, подлоги, призванные убедить в квантовом преимуществе. Хотите пример? Пожалуйста:

С 2 битами мы можем получить 4 состояния, с 3 - 8, с 4 - 16, с 5 - 32, и т.д. то есть 2ⁿ, где n - число битов. Посмотрите, как описывается количество состояний кубитов, пресловутое квантовое преимущество. Это ли не манипуляция?

Но какие основания полагать, что электрон будет существовать с двумя спинами одновременно? Что дает нам основание так считать? Только допущение о возможности суперпозиции? А почему не считать, что существуют два типа электронов с двумя вариантами спинов? Ведь никто не исследовал один и тот же электрон во времени, замеряя его спин в разных ситуациях, и определяя его как изменившийся. И как его изменение измерить? Был спин вверх, стал спин вниз? Где в микромире верх, а где низ?

Проблема не в том, что это непонятно, проблема в том, что на это математическое допущение - квантовая суперпозиция, постулат (то, что кладется в основу и принимается без доказательств) - полагаются там, где его собираются использовать физически. Поскольку физически с квантовой суперпозицией не сталкивался никто, измерением ее установить невозможно, разные коллективы физиков в буквальном смысле тычутся в разные варианты состояний, пытаясь придумать, как физически использовать квантовую суперпозицию.Очень показательны при этом истории о достижениях группы Михаила Лукина - тут надо гуглить и читать все, очень показательно и поучительно. При этом историями про квантовое преимущество заполнен весь интернет. 

В связи с последним мне в голову приходят два примера.

Первый пример - про красную ртуть. Те, кто пребывал в сознательном возрасте в начале 90-х, не могли не слышать о красной ртути.

Второй пример (своими словами, по памяти) - история о том, как физики пришли, условно, к Сталину, и доложили ему, что в западных публикациях исчезли упоминания о ядерных исследованиях. Обратили внимание на этот настораживающий разведпризнак. 

В случае с квантовыми вычислениями настораживающим разведпризнаком может быть только фантастическая невнятица и профанация в описаниях квантовых компьютеров, продвижение этой темы через каждый утюг, и восторженно неофитский тон обывателей, обсасывающих эту тему.

По-моему глубокому убеждению, квантовый компьютер как что-то более мощное и перспективное, чем обычный компьютер, невозможен теоретически - именно в силу несуществования физической квантовой суперпозиции, банальности квантового запутывания, и является коммерчески ориентированной разводкой, или ширмой, камуфляжем. Реальные достижения, ПМСМ, возможны при перенесении обычных исчислений на размеры квантов, с использованием физических явлений микромира, но с использованием обычной двоичной битной системы вычислений. Может быть, троичной. Может быть, многоразрядной, там, не 64 разряда, а на порядки больше. На уровне спинов электронов, или атомов кристаллов, но без суперпозиции.

И еще - по поводу ансамбля частиц: итоговое состояния ансамбля частиц 1 или 0 (всех частиц в ансамбле) будет или таким же случайным, как все остальные триллионы случайных комбинаций частиц внутри ансамбля при симуляции суперпозиции, или принудительным - по воле человека. При этом, что характерно, состояние 1 или 0 будет задаваться человеком произвольно: то есть то состояние, которое человек захочет считать 0 (или единицей) будет выбором человека и определяться по его воле - иначе никакие произвольные (в смысле направленные, не хаотические, логические) операции в этом квантовом компьютере будут невозможными. А квантовую суперпозицию приходится симулировать. Поэтому квантовым компьютером - когда там что-то состоится - будут называть компьютер, работающих в двоичном (или троичном, но не больше) исчислении, в котором хранение состояний и их изменение и регистрация (снятие состояний для использования) будет реализовываться на квантовом уровне, но состояние суперпозиции использоваться не будет, и никакого квантового превосходства, связанного именно с квантовой суперпозицией, не будет. А то, что сейчас называется квантовым превосходством, окажется обычным экспериментальным моделированием, актуальным именно для этого типа кванта и для какого-то заданного процесса, который будет предметом изучения. То есть те самые отдельные задачи, которые якобы будут рассчитываться и решаться квантовым компьютером на много порядков быстрее, на самом деле будут просто физическим экспериментом, позволяющим понять происходящее только для этого конкретного эксперимента. Вот по такому типу решения ситуаций:

"Взялись советские и американские инженеры сделать плавающий танк. В ТЗ было требование,  чтобы с воды, на плаву можно было стрелять. И мы, и американцы сделали это. Только американский танк переворачивался от выстрела, а наш - нет.
На какой-то выставке встречаются ведущие разработчики, и американский спрашивает нашего: как вы так сделали, что у вас танк не переворачивается? какую матмодель использовали? Нашему неловко было сказать, что моделирование было в натуре, в бассейне, но он нашелся, что ответить: это секретная информация! Американец радостный побежал докладывать, что, вот, оказывается, почему русские сделали нормальный танк, а американцы - нет: у них секретная военная матмодель."

Вот это вот моделирование в бассейне и будет квантовым компьютером. Только для интерпретации результатов этих экспериментов и вычисления закономерностей понадобится использование обычных компьютеров (ну, понятно, супермощных там, и т.п.) и созданных именно для них алгоритмов счета.