Може да изглежда невъзможно, но в квантовия свят ефектът на пеперудата не се проявява

6
2841

Според Теорията на хаоса, едно съвсем незначително събитие може да окаже огромно влияние на бъдещото развитие на някоя голяма и сложна система. Много хора знаят за така наречения ‘ефект на пеперудата‘, който за пръв път се споменава в романа на писателя фантаст Рей Бредбъри от 1952 година ‘И гръмна гръм’.  В тази книга човек, който е отишъл в далечното минало, за да наблюдава и може би ловува тиранозаври, случайно смачква с крака си една пеперуда. Това води след себе си такава поредица от събития, че тази на пръв поглед незначителна случка променя целия ход на историята, при това не за добро.

В началото на 1970-те години метеорологът и математик Едуард Нортън Лоренц формулира ефекта на пеперудата в науката и положи началото на Теорията за хаоса. Казано по-опростено, тази теория гласи, че началните условия оказват твърде голямо влияние на еволюцията на много сложните системи. Една от любимите метафори на Лоренц е, че размахването на крилете на една пеперуда в Бразилия в крайна сметка може да доведе до възникването на торнадо в Тексас, което в противен случай не би се състояло. От тази теория се подразбира, че ако можехме да се върнем назад и дори съвсем малко да променим миналото, то нашият сложен свят би имал съвсем друго бъдеще. При това, бъдещето, което за нас е настояще, ще изчезне, а и ние с него.

Ефектът на пеперудата твърдо се проявява в напия ежедневен свят, в който класическата физика описва системи по-големи от атомните мащаби. Но в субатомния свят на квантовата механика действат съвсем други, при това твърде странни закони и правила.  Дали и там действа ефектът на пеперудата? И ако не действа, какво го замества и какво се случва вместо него?

В списание Physical Review Letters бе публикувана научна статия, в която се изследва този аспект на квантовата механика при разработването на нов метод за защита на квантовата информация. Използвайки особеностите на квантовото заплитане, когато състоянията на два заплетени кубита (квантови бита) зависят един от друг, те са търсили начин да ги направят невъзприемчиви към шумове и разрушаване. В подобни условия тези кубити могат да бъдат напълно възстановени, дори и ако някой се е опитал да открадне или повреди информацията в тях. Тази особеност освен, че защитава квантовата информация, дава съвсем нова възможност за надеждно скриване на всякакви данни.

Учените са очаквали да получат в квантовия свят ефект на пеперудата, подобен на този в нашия макросвят. Това изглежда съвсем логично: когато квантовата система се развива в продължение на дълъг период от време, локалните променливи, описващи конкретния кубит в заплетените  квантови системи в крайна сметка трябва да имат съвсем различни значения – тоест, ще се прояви ефектът на пеперудата.

Учените провели мислен експеримент с използването на познатите в криптологията измислени личности Алис и Боб. Квантовата система, която те разглеждали, се развива по сложен начин в течение на времето, а чрез провеждането на поредица логически операции може да се имитира движение напред и назад във времето. И така, в началото Алис в настоящето записва някаква информация в кубит и стартира квантовата система в обратно направление, с което имитира пътешествие в миналото. В това минало Боб прочита информацията, записана в кубита на Алис. Но понеже получаването на информацията за кубита в квантовия свят променя неговото състояние, то това означава, че се променя и неговата информация. Освен това, според законите на квантовата динамика това получаване на информация трябва да разруши всички квантови връзки на този кубит с другите кубити.

Ето защо, логично е да се предположи, че ако стартираме тази система отново в миналото, то настоящето, в което Алис записва информацията в кубита и изпраща квантовия бит на Боб, би трябвало съществено да се промени. А това означава, че Алис няма да може да възстанови своята информация след настъпването на ‘новото настояще’.

Но при практическата проверка на този мислен експеримент се е случило нещо съвсем друго.

За проверката на този мислен експеримент учените са го моделирали в реалния квантов процесор IBM-Q. За моделиране на пътешествие във времето са се провеждали логически операции върху заплетените кубити, които са се изпълнявали в прав и обратен ред. В началото те по този начин са изпратили всички кубити ‘в миналото’ чрез провеждането на верига логически операции, а след това са детектирали състоянието на единия кубит, като по този начин за разрушавали неговата заплетеност. После са върнали кубитите ‘в настоящето’, като са извършили същите логически операции, но в обратен ред.

Резултатът се оказал съвсем неочакван: измереният кубит се е върнал в на практика същото състояние, в което се е намирал преди началото на реалния експеримент плюс неголям фонов шум. Тоест, заради това, че квантовата система е била силно заплетена, дългите и сложни логически операции, подадени в обратен ред, са възстановили изгубената информация от вече веднъж измерения кубит.

Тоест, за голямо учудване на учените, по този начин не само се опровергава ефекта на пеперудата в квантовия свят, но и се доказва, че този ефект в квантовия свят отсъства. Сякаш системата се опитва да защити настоящето.

Силната заплетеност в квантов смисъл означава, че системата още в началото е имала устойчиви квантови зависимости между своите отделни компоненти. Тоест, заплетените кубити въпреки, че имат различни свойства, в известен смисъл действат като едно цяло. В крайна сметка, даже след променяне на локалната информация квантовите взаимодействия между всички заплетени кубити съставят своеобразна защита на квантовата динамика на системата и я принуждават да възстановява повредените локални променливи, И колкото е по-сложна тази заплетена квантова система, толкова повече квантови връзки поражда и толкова по-надеждно защитава информацията – тоест ‘защитава настоящето’.

Тези мислени и практически експерименти доказаха, че в квантовия свят ефектът на пеперудата отсъства и този факт веднага намери приложение. Той се използва за проверка на квантовите компютри. Има случаи, при които не е много ясно наистина ли даден квантов компютър използва квантова механика при своите изчисления за получаване на резултатите – възможно е той все още да използва законите на класическата физика. Тук за проверка се използва отсъствието на ефекта на пеперудата, понеже това е чисто квантово механически процес и от друга страна, това е само поредица от логически операции, които се изпълняват в прав и обратен ред. Друго място, където може да се използва това е защита на информацията, понеже заплетената квантова система защитава данните при извършване на промени в някои отделен кубит или няколко кубита от нея.

Предстоят още експерименти. Планират се опити с друга квантова система в лаборатория, а не с квантов компютър. Ще се използват ултра охладени атоми, които проявяват ясно изразени квантово механични свойства. Възможно е създаването на отделни квантови компоненти, при които не се налага използването на квантов процесор.

Липсата на ефекта на пеперудата повдигна редица интересни въпроси относно различията между квантовия свят и света на класическата физика, в който ние живеем. Много от класическите физици са на мнение, че законите на квантовата механика важат и в мащаби, при които ние може директно да наблюдаваме процесите. И наистина, понякога квантовата механика дава много сходни с класическата физика резултати.

Но днес физиците се питат, как квантовият свят успява да се прояви в нашето ежедневие. Въпросът за това, доколко ефектът на пеперудата може да се използва в нашия макроскопичен свят остава отворен, а и никой засега няма идея как да провери този ефект в макросвета. Не се знае и доколко все пак класическият ефект на пеперудата може да бъде използван в квантовия свят. Учените се надяват да отговорят на тези въпроси в своите бъдещи изследвания.

5 3 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
6 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари