ЗВС
Вероятностный счёт в вероятностном мире
        Иль вот: живой предмет желая изучить,
Чтоб ясное о нём познанье получить,
Учёный прежде душу изгоняет
Затем предмет на части расчленяет
И видит их, да жаль: духовная их связь
Тем  временем исчезла, унеслась!
Гёте «Фауст»
        С лёгкой руки Рене Декарта в науке, а затем и в повседневной жизни появились представление о жёстко детерминированном мире и тяга к максимально точным вычислениям координат, импульсов и прочих параметров, хотя никто и никогда с этим детерминизмом практически не сталкивался. Первым в существовании такого мира усомнился Гейзенберг, отметив, что любое измерение означает взаимодействие, следовательно, энергообмен и изменение исходного состояния, и предложив свою знаменитую формулу неопределённости. Хотя «впитанный с молоком матери» детерминизм всячески продолжает требовать точности, в повседневной жизни мы всё чаще осознаём вероятностный характер мира, в котором живём.
        Одним из наиболее ярких примеров пользы более широкого вероятностного подхода может служить «Задача трёх тел». Учёные Еврейского Университета в Иерусалиме предложили новый способ предсказать поведение системы из трёх тел, обойдя существенные недостатки методов, применяющихся в настоящее время. Подход, позволяющий решить одну из величайших проблем физики и математики, описан в пресс-релизе на Phys.org. Ещё со времен Анри Пуанкаре было известно, что задача трёх тел не имеет детерминированного решения. Движение объектов, которые взаимодействуют друг с другом по закону тяготения Ньютона, сильно зависит от их начального положения и скоростей, поэтому поведение системы кажется случайным (иными словами, возникает хаос). Следовательно, нужно искать статистическое решение. Имевшиеся ранее подходы не учитывали двух существенных моментов.

Изображение: Hebrew University of Jerusalem
        Во-первых, хаотическое движение системы чередуется с регулярным и подвержено распаду, когда два тела начинают вращаться вокруг общего центра масс, а третье попеременно приближается и удаляется от них. Если представить всё разнообразие состояний системы в виде фазового пространства, в котором каждая точка соответствует определённому состоянию, то большие области пространства будут описывать именно регулярное движение, в том числе после распада. Во-вторых, неограниченный диапазон действия силы тяжести предполагает бесконечный объём фазового пространства, то есть произвольную «область сильного взаимодействия», и при вычислении вероятностей необходимо учитывать конфигурации внутри неё.
        В новой работе исследователи предложили использовать для предсказания судьбы системы поток объёма фазового пространства, а не сам фазовый объём. Такая теория предсказывает вероятность убегания каждого тела в симуляциях при определённых предположениях. Ожидается, что новый подход позволит решить множество астрофизических проблем, в том числе процесса возникновения пар компактных объектов (нейтронных звезд или чёрных дыр), создающих гравитационные волны. И вот здесь как нельзя более кстати появляются квантовые компьютеры.
        Со времен создания первых компьютеров, вначале электромеханических, действующих как система переключателей, вычислители (русский перевод слова «компьютер») работали на принципах двоичного счисления. Все данные в задачах представлялись в виде череды нулей и единиц, что соответствовало положению переключателя вкл/выкл. Совершенствовалась элементная база компьютеров: вместо реле – вакуумные радиолампы, затем п/п транзисторы, затем чипы (сначала ИС – интегральные схемы, потом БИС – большие интегральные схемы, потом СБИС – сверхбольшие интегральные схемы)... Количество элементов на единицу объёма увеличивалось, производительность росла. Но процесс оставался дискретным: всё те же «нуль/единица», «да/нет».
        В 1980-х годах благодаря теоретическим работам таких выдающихся умов, как Пол Бениофф, Юрий Манин, Ричард Фейнман, появилась надежда, что эту неприятность можно обойти, если применить для вычислений квантово-механические принципы. Говоря предельно просто, суть заключается в том, что переключатель находится одновременно и в состоянии «вкл», и в состоянии «выкл» – во всех возможных состояниях. Это явление называется квантовой суперпозицией и иллюстрируется знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шрёдингера с котом, сидящим в ящике: когда мы не знаем, жив кот или мёртв, пока этот ящик не откроется.
        Квантовая механика это, прежде всего, механика, построенная на анализе пространства возможного, а не состоявшегося. Главный принцип квантовой механики – это принцип дополнительности. Правильное объяснение сложного процесса возможно только тогда, когда в этом объяснении используются взаимоисключающие понятия: квантовая частица – это и частица, и волна, хотя в нашей привычной логике один и тот же объект не может быть и частицей, и волной: это принципиально другая сущность, против которой выступает наш впитанный с детства детерминизм. Квантовый компьютер сможет колоссальным образом ускорить расчёты.
        Но всё, что происходит в квантовом мире (а значит и в этом компьютере), вероятностно: у нас есть объективная вероятность получить некоторое значение, но мы не сможем гарантировать, какое значение мы получим, оно будет взято из пространства возможностей. Многократное повторение этих вычислений может дать некоторое устойчивое в статистическом смысле значение. Это выглядит ненадёжно потому, что сами ответы носят вероятностный характер, а мы в душе детерминисты. Увы, но настало время понять, что реальность вероятностна, это её объективное свойство. До сих пор вся наша физика была о том, что состоялось. Однако реальность включает и то, что ещё не состоялось – это главное отличие мышления от физического процесса. На этом пороге детерминизм ломается полностью. Истина в том, что нельзя говорить ни о материальном, ни об идеальном. Правильно и то, и то.
        Мы на самом деле живём и работаем в вероятностном мире, в котором 3<2x2<5, а вовсе не 4, но ведь в нём и 1<2<3. А это значит, что нужны вычислители, которые не просто считают, а имея специально организованную память, связывают объекты с их текущим состоянием. Как это состояние изменится – это всегда вероятностная вещь. Попытка посмотреть, что было раньше – тоже. Прошлое так же вероятностно, как и будущее потому, что мы не можем держать в памяти все события прошлого. Мы оставляем только то, что нам надо. Необходимы компьютеры, работающие в шестимерном континууме, в котором есть три координаты пространственные и три координаты времени. Важнейший постулат естествознания заключается в том, что всё уже есть – нужно разглядеть то, что надо.
В оглавление