To nie będzie felieton dla wszystkich.
To będzie felieton pisany przez matematyka duchem, informatyka ciałem i fizyka sercem. Niemniej znajomość żadnej z tych dziedzin nie będzie potrzebna, by go zrozumieć, a w każdym razie się o to postaram. Więcej – mam przeczucie, że dobra znajomość akademicka tych dziedzin może sprawić, że odczujecie potrzebę popukania mnie w głowę. Jeśli tak się stanie, zapraszam do krzyczenia na mnie na naszym serwerze discordowym Buntownicy Lyoko : )
Poszedłem na wykład.
Pierwszy wykład stacjonarny od dwóch lat, i to nawet nie na „mój” przedmiot, tylko jako wolny słuchacz. Naturalnie pokarało mnie i prawie na pewno złapałem na nim covida, piszę to niewyspany po nocy gorączkowania, ale mniejsza o to. Wykład na dumnie brzmiący temat „Kwantowe algorytmy genetyczne”.
Temat jak najbardziej wzbudzający nadzieję na ciekawe zajęcia, ale nie tego rodzaju, co podejrzewacie. Poszedłem tam raczej dla zabawy, oczekując głównie jak mało wykładowca powie na temat, a jak wiele absurdalnych dygresji wtrąci. Nie zawiodłem się żadną miarą.[1]
Główną częścią tego wykładu było przejście linia po linii przez prosty kwantowy program. Problem w tym, że nie mieliśmy bladego pojęcia, co tak naprawdę robimy i po co.
Jeśli ktoś z was miał jakąś styczność z programowaniem kwantowym, wie doskonale, że tak naprawdę korzystamy w nim z raczej ograniczonej puli narzędzi. Robimy z nich prawdziwe cuda, ale czasem nawet wiedząc, jaką cegiełkę każda linia kodu ma dołożyć do naszego końcowego rozwiązania, ciężko jest dostrzec powiązanie między skutkiem a przyczyną.[2]
Z wykładu wyszedłem w wiosenny wieczór z trzema głównymi myślami:
– raczej już na niego nie wrócę, ciężko się na nim czegokolwiek nauczyć
– współczuję ludziom, którzy muszą na ten przedmiot przygotować projekt zaliczeniowy, a tak naprawdę przez cały proces zdobywania niezbędnej do tego wiedzy przejść samodzielnie
– może ja też spróbuję przejść przez ten proces?
Jeśli w tej chwili zaczynacie się nudzić i myślicie o porzuceniu tego tekstu – zaufajcie mi, dojdziemy do Lyoko. Ten wstęp jest „ważny”.
No więc spróbowałem. Najpierw trzeba było zrozumieć, czy w zasadzie jest qubit. Łatwo powiedzieć, że odpowiednikiem bitu w klasycznym komputerze.
No tak, ale wszyscy mniej lub bardziej rozumiemy „zasady”, jakimi rządzi się bit. Intuicje dotyczące tego wynalazku są… intuicyjne.
1-0
Prawda-Fałsz
System binarny.
2 do potęgi n-tej.
I tak dalej. Każdy, kto choć trochę słuchał w szkole na matematyce albo lubi łamigłówki logiczne, ma dobrą intuicję związaną z działaniem bitów.
Qubit natomiast jest taki, jak cała fizyka kwantowa i wszystko, co udaje nam się z niej „wyciągnąć”.
Obcy. Dziwny. I z gruntu probabilistyczny.
Można powiedzieć, że qubit da się wprowadzić w każdy stan pomiędzy 0 a 1 i działać w ten sposób na wszystkich tych wartościach na raz. I technicznie rzecz biorąc będzie to prawdziwe zdanie, problem w tym, że niewtajemniczony słuchacz zrozumie je źle może nawet w 3 różnych miejscach, bo będzie się posługiwał „zdroworozsądkową” intuicją, a nie kwantową, probabilistyczną.
Słyszałem kiedyś, że jako ludzie jesteśmy za mało wyewoluowanym gatunkiem. Postrzegamy rzeczy oczami, widzimy trójwymiarową przestrzeń. Stąd nasza matematyka jest właśnie taka: geometryczna, regularna. Kąty w trójkącie dodają się do 180, a najbardziej zrozumiałe są dla nas liczby rzeczywiste[3].
A w tym samym czasie, gdy przy chodzi do badania rozkładu normalnego – rozkładu prawdopodobieństwa który wydaje się nas otaczać z każdej strony, niemal każde zjawisko naturalne, czy to w skali makro czy w skali kwantowej, wydaje się być mu poddane – ta geometryczna matematyka tak związana z tym, jak postrzegamy rzeczywistość, zawodzi. Wiemy o rozkładzie normalnym dużo mniej niż byśmy chcieli[4].
Powiem więcej – dzisiaj już z całą pewnością wiemy, że nasze postrzeganie rzeczywistości nijak ma się do tego, jaka naprawdę jest rzeczywistość. Kąty w trójkącie nie dodają się do 180 stopni. Czworokąt o samych kątach prostych wcale nie musi być prostokątem. Mamy dwie świetnie potwierdzone eksperymentalnie teorie, teorię względności i kwantową teorię pola. I obie te teorie pokazują nam bardzo wyraźnie, że rzeczywistość jest… poplątana.
Więc patrzymy sobie na świat. Powinniśmy widzieć wszędzie prawdopodobieństwa, ale ich nie widzimy. Stąd niektórzy nawet zadają sobie pytania, czy kiedykolwiek zrozumiemy fizykę kwantową tak naprawdę, czy może nie jesteśmy zdolni wymyślić i przyswoić niezbędnych intuicji.
I wtedy przychodzi Franz Hopper, który bierze to całe kwantowe bagno, i robi z niego kolejne. Superkomputer Lyoko nie jest kwantowy tylko z nazwy – słowo „qubit” pojawia się w serialu w sensownym kontekście[5].
Czyli Lyoko zostało zbudowane na qubitach, które mają dwa różne stany. To nie jest tak, że qubit może być w stanie 1 albo 0 i po prostu dowiemy się, w którym jest. Qubit jest w stanie pomiędzy 1 a 0, i gdy chcemy się dowiedzieć, jaki jest ten stan, on zmieni się z pewnym prawdopodobieństwem w 1 albo 0.
Założenie, że Lyoko nie korzysta z tej niezwykłej własności qubitów i używa ich jako w zasadzie zwykłych bitów jest nie tylko nielogiczne. Jest nudne : )
Albert Einstein miał powiedzenie, które szybko zaczęło irytować jego wybitnych kolegów po fachu w miarę jak teoria kwantowa zdobywała coraz więcej eksperymentalnych podstaw i każda próba obalenia jej kończyła się fiaskiem.
„Bóg nie gra w kości. Bóg nie gra w kości. Bóg nie gra w kości.”
Aż w końcu ktoś[6] mu powiedział: „Przestań mówić Bogu, co ma robić.”
Czy w takim razie Franz Hopper gra w kości?
Jak na świat, u którego podstaw leży prawdopodobieństwo i niepewność, Lyoko wydaje się być bardzo stabilne, wręcz nudne.
Można powiedzieć, że to tak jak z naszym rzeczywistym światem. Ale podstawowa różnica jest taka, że w rzeczywistości zachodzi mnóstwo szalenie ciekawych efektów kwantowych, każdy dziwniejszych od poprzedniego, a jakoś zbierają je do kupy inne efekty, takie jak grawitacja.
W Lyoko nie tylko nie ma tych „innych efektów”, które mogłyby świat jakoś „uspokajać”, w Lyoko istnieje też tylko jeden efekt kwantowy. Można w nim trochę pozmieniać prawdopodobieństwa, ale na koniec dnia to nie będzie dobra symulacja efektu Unruha, promieniowania Hawkinga, czy nawet zachowania fotonu[7]. To będą qubity, cegiełki, z których zbudowane jest Lyoko. I gdy nikt nie patrzy, te qubity będą w stanie pomiędzy 0 a 1.
Teoretyzowanie, co to oznacza, może przyprawić o ból głowy. Szczególnie że sam serial nie daje nam w tym kierunku żadnych wskazówek. Ale zawsze warto się nad tym chwilę pogłowić. Nie widziałem jeszcze żadnego opowiadania eksplorującego ten temat, ani nawet luźnych rozważań w formie felietonu.
A chciałbym.
Wyzywam Wyklętego, wyzywam Morrigan, i każdego, kto dotrwał do końca tego chaotycznego i nieskładnego tekstu: Powiedzcie nam wszystkim, tutaj na stronie, coś o Lyoko, czego nikt nie wie. Powiedzcie coś o kwantowym Lyoko.
Autor: Qazqweop
[1] Hej, udało mi się nawet z przyjaciółką wkręcić jednego z młodszych studentów, żeby zadał pytanie (zasadne, żeby nie było) sprowadzające się do:
– Ale o co tu w zasadzie chodzi, bo Profesor to w sumie nic nie powiedział?
Odpowiedź, zgodnie z przewidywaniami, brzmiała:
– W sumie to się nie interesuj.
To jest oczywiście bardzo luźna transkrypcja tego wykładu, sama odpowiedź trwała chyba z 4 minuty. Niemniej sens w pełni zachowany.
[2] Co jest bardzo w duchu teorii kwantowej. Główny fenomen tej teorii i to, czemu wzbudzała takie oburzenie wśród najlepszych fizyków te 100 lat temu, to że fundamentalnie zaprzecza związkowi skutku i przyczyny, co obserwujemy w skali mikro. Brzmi to absurdalnie. Ciąg przyczynowo-skutkowy jest przecież pierwszym prawem natury, prawem logiki. I owszem, jest to absurdalne. Jest także prawdziwe.
[3] Euk… Euklidesowa. Chodzi mi o to, że rzeczywistość jest euklidesową.
[4] To teraz dla ludzi mówiących moim językiem:
Chodzi o to, że nie jesteśmy w stanie wyznaczyć dystrybuanty rozkładu normalnego funkcjami analitycznymi. A że funkcje analityczne wyrosły z naszej intuicji geometrycznej, a ta się wzięła stąd, jak patrzymy (w sensie że oczami) na rzeczywistość… to wniosek jest taki, że jesteśmy na za niskim poziomie ewolucji, albo w ogóle egzystencji, żeby zrozumieć wszechświat.
…to były zajęcia trwające do 18 po całym dniu kolokwiów. I my, i prowadzący byliśmy w klimacie na takie rozkminy xd
[5] Odcinek 30: Wspaniały Dzień.
I to chyba tyle, jestem prawie pewien, że „qubit” pada tylko raz przez cały czas trwania serialu.
[6] To mógł być Niels Bohr (ten od modelu atomu i powłok elektronowych)
[7] Bardzo ciekawe sprawy, kwantowa próżnia itp. Polecam Wikipedię. A jeśli ktoś boi się fizyki, ale go to ciekawi, a w szkole mimo tego strachu miał przynajmniej czwórę, to polecam na YouTube wykład (popularnonaukowy) Andrzeja Dragana „Teoria kwantowa vs czarne dziury.” Ostatnio jest tego pana dużo w mediach, i większość jego otwartych wykładów w internecie to papka popularnonaukowa na poziomie „Wiedzy i życia” albo innego „Świata nauki”, ale ten jeden wykład jest naprawdę przyjemny i merytoryczny.