Информация может быть отрицательной
Двоечник в квантовом мире может знать меньше, чем ничего
Даже самый неосведомленный человек, распоследний "двоечник", не может знать меньше, чем ничего. С точки зрения здравого смысла понятие "отрицательного знания" просто не имеет смысла. Но то, что истинно в нашем обычном повседневном мире, то, к чему мы все так привыкли, может совершенно не работать в случае сверхмалых расстояний. Теперь выясняется, что существование "отрицательного знания" вполне возможно в условиях квантового мира. Крошечные объекты вроде атомов, молекул и электронов ведут себя совершенно иначе, чем привычные нам макрообъекты - они подчиняются своеобычным законам квантовой механики.
Честь открытия того факта, что знание в квантовой механике может быть негативным, принадлежит сразу трем исследователям - Михалу Городецкому (Michal Horodecki) из польского Института теоретической физики Гданьского университета, Джонатану Оппенгейму (Jonathan Oppenheim) с Факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета и Андреасу Винтеру (Andreas Winter) с Факультета прикладной математики Бристольского университета (Великобритания). Их работа была издана 4 августа в наисолиднейшем научном журнале Nature.
Что может означать такое отрицательное знание? "Если я говорю это вам, то вы будете знать еще меньше", - поясняет доктор Андреас Винтер. Чем-то это напоминает типичную деятельность спецслужб или наших родных СМИ по дезинформации противника или собственного населения... Хотя, конечно, это все совершенно не та "отрицательная, негативная информация", что обнаруживается в квантовом мире, исследователи подчеркивают, что имеют в виду отнюдь не просто лживую информацию.
Столь "странные" ситуации могут возникнуть оттого, что понятие "знания" в квантовом мире очень серьезно отличается от того, что мы инстинктивно используем в повседневной жизни. "В квантовом мире мы можем знать слишком много, - говорит доктор Оппенгейм, - и это случается как раз в тех ситуациях, когда проявляется отрицательное знание". Отрицательное знание ('negative knowledge' или, что более правильно, 'отрицательная информация' - 'negative information'), оказывается, служит точной количественной мерой отмены того факта, что мы знаем слишком много. Как говорится, "он слишком много знал, это-то его и сгубило..."
В квантовом мире есть такие вещи, о которых мы никак не можем знать, независимо от того, насколько мы умны - хоть семи пядей во лбу! Например, мы не можем одновременно узнать и точные координаты, и импульс какой-либо элементарной частицы (запрет накладывается так называемым принципом неопределенности Гейзенберга (W.Heisenberg, 1927)). В этом странном мире существует также такое "нелепое" на первый взгляд понятие, как "энергия нулевых колебаний системы". Могут иметь место также и такие "непостижимые" случаи, когда кто-либо "один" знает больше, чем все вместе. Подобные ситуации известны под именем квантовомеханической "спутанности" ('entanglement'), и если бы два человека смогли разделить между собой подобную "спутанность", то это привело бы к появлению отрицательной информации (трудно удержаться от шутливой, но в общем-то нелепой аналогии с чрезвычайно запутанными взаимоотношениями какой-нибудь изолгавшейся супружеской пары, тоже явно не приносящими ничего "позитивного").
Хотя все вышесказанное и может показаться чем-то весьма таинственным и излишне глубокомысленным, доктор Городецкий все же отважился указать, что идея отрицательной информации все-таки может иметь строго научное обоснование. "Мы можем определить количество информации в уже привычных терминах: сколько материала я должен послать вам прежде, чем вы узнаете нечто. В случае отрицательной квантовой информации вы можете узнать кое-что и без меня, до того, как я посылал вам какие-либо квантовые частицы. Фактически, вы получите некий потенциал взаймы у времени, с тем, чтобы узнать больше квантовой информации в будущем..." (соответствующий потенциал для будущей квантовой связи).
Таким образом, существование отрицательной информации является следствием некоторых экзотических особенностей квантовой теории информации - захватывающей новой области физики, включающей такие явления, как квантовая телепортация и квантовые вычисления. В то время как классическая теория информации имеет дело с более привычными для нас предметами - классической коммуникацией и вычислениями, - квантовая теория информации заменяет классическое понятие 'битов' информации его квантовомеханическим аналогом - кубитами ('qubits'), которые представляют собой квантовые частицы, подобные электронам или атомам. В то время как классические биты могут иметь лишь два состояния - "0" (ноль) или "1" (единица), кубиты способны находиться одновременно в двух состояниях - "0" или "1" в одно и то же самое время.
Приняв тот факт, что квантовая информация может быть и отрицательной (на самом деле речь идет о своего рода новой трактовке уже известных эффектов), исследователи надеются более основательно изучить такие явления, как квантовая телепортация и квантовые вычисления, а также еще глубже постичь устройство квантового мира.
Источники:
Quantum information can be negative - i-Newswire_com - Press Release And News Distribution
Quantum information can be negative - Homepage of Jonathan Oppenheim (более подробный вариант пресс-релиза)
Quantum information can be negative - arXiv
Справка
"Спутанные" частицы
"Спутанными" (entangled) называются пары, тройки и в принципе любые наборы частиц, подчиняющихся законам квантовой механики, которые описываются единой волновой функцией, не допускающей представления в виде произведения волновых функций отдельных частиц. Поведение таких частиц (ими могут быть фотоны, электроны, протоны, атомы и даже крупные молекулы) настолько сильно скоррелировано, что каждая из них как бы "чувствует" присутствие партнеров на любых расстояниях. "Спутанные" частицы демонстрируют немало таких свойств, что выглядят совершенно необычными и даже невозможными с точки зрения классической физики. В частности, использование "спутанных" частиц дает возможность с высокой точностью переносить квантовое состояние одной частицы на другую или на другие - этот процесс и называется квантовой телепортацией.
Статьи по теме
Изобретена телепортация нового типа и получены пятерки "спутанных" фотонов
Коллектив ученых из Китая и Австрии разработал и успешно применил метод физического эксперимента, позволяющий получать пятерки "спутанных" квантов света. Исследователям также впервые удалось осуществить квантовую телепортацию нового типа, которую они назвали телепортацией открытого назначения. Это достижение знаменует собой важный шаг на пути к созданию квантовых компьютеров.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Телепортация на атомном уровне
Ученые из Соединенных Штатов и Австрии независимо друг от друга осуществили квантовую телепортацию одиночных атомов. Принципиальная возможность подобного процесса была осознана в начале девяностых годов прошлого века. Этим эффектом очень интересуются разработчики квантовых компьютеров, которые рассчитывают использовать его в своих устройствах.
Впервые получены триплеты и квартеты спутанных световых квантов
Независимо друг от друга физики из Канады и Австрии впервые получили системы "спутанных" световых квантов, в которые объединено более двух частиц. Исследователи из Университета Торонто изготовили тройку "спутанных" фотонов, а их коллеги из Венского университета - четверку.
Шагающий наноробот
Двое химиков из Нью-Йоркского университета впервые в мире создали прямоходящего двуногого наноробота. В качестве исходного материала Надриан Симан и Уильям Шерман воспользовались мелкими фрагментами двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК.
Открыт эффект, который позволит изготавливать наномашины
Американские ученые превратили одиночные углеродные нанотрубки в идеально действующий конвейер, способный переносить отдельные атомы. Вероятно, подобные устройства найдут широкое применение в технологиях изготовления наномашин, которые сейчас усиленно разрабатываются во многих странах.
Безделушки из наночастиц предвещают технологический переворот
Физики из Китая, Японии и США научились создавать внутри стеклянных пластинок объемные структуры, составленные из золотых наночастиц.
Американские физики научились создавать электронные приборы из отдельных молекул
Американские физики провели серию экспериментов, которые впервые позволили наносить по одному атому на единственную многоатомную молекулу. Дальнейшие исследования в этой области обещают значительно расширить возможности электронных технологий близкого будущего. Стандартными строительными блоками следующих поколений электронных приборов, по всей вероятности, станут отдельные крупные молекулы, а их придется легировать с помощью абсолютно новых технологий.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Создано первое наноустройство, способное взвешивать отдельные молекулы
Эта технология может привести к появлению новых способов молекулярной идентификации, более дешевых и быстрых, чем ныне существующие, а также к созданию революционных приборов для протеомики.
Темная энергия может быть изучена в лаборатории
Два физика - британский и канадский - утверждают, что для измерения важнейших свойств таинственной "темной энергии", которая все последнее десятилетие буквально сводила с ума астрономов и космологов, достаточно поставить простой лабораторный эксперимент. Его можно провести с помощью хорошо известных устройств, основанных на явлении сверхпроводимости.
Наномандала принесет в мир нанотехнологий буддистское счастье
Организованное взаимодействие отдельных атомов в нанотехнологии имеет некоторое сходство с картинами, возникающими под руками трудолюбивых буддистских монахов, создающих из цветного песка в ходе специальных таинств так называемые песочные мандалы. Цели и методы создания такой мандалы в восточных и западных культурах, конечно, довольно сильно различаются.
Королевский астроном, известный фантаст и принц пугают нас приближающимся апокалипсисом
Выдающийся британский ученый считает, что в настоящее время шансы близкого всемирного апокалипсиса стремительно возросли и составляют примерно 50 на 50. Впрочем, как-то сомнительно, что этот довольно пессимистический взгляд на окружающую нас действительность станет основой для букмекерских ставок.
Наука-2004: марсоходы, хоббиты, пульсары, конденсат из фермионов...
Традиционный перечень журнала Science включает десятку наиболее ярких достижений науки уходящего года. Первое место в новом рейтинге заняли итоги исследования марсианской поверхности с помощью бортовой аппаратуры американских марсоходов-роверов Spirit и Opportunity, а также европейской орбитальной станции Mars Express.
В космос отправятся пряничные корабли
Кремниевый микроробот величиной в половину диаметра человеческого волоса, снабженный "ножками" из живой сердечной мышцы, начал ползать по лаборатории Лос-Анджелеса. Это первый случай, когда удалось использовать мускульные усилия для движения микромеханического устройства. Теперь предполагается спроектировать работающий на мускульной энергии микромеханизм, который сможет искать и латать пробоины от микрометеоритов на космических кораблях.
Физики научились манипулировать отдельными электронами в атомах
Найден способ снимать отдельные электроны с одиночных атомов золота, а потом заново преобразовывать такие рукотворные ионы в нейтральные атомы. Результаты этого эксперимента могут стать первым шагом на пути к созданию запоминающих устройств, в которых носителями информации будут служить отдельные атомы.
Когда сказка станет пылью... (Нанотехнологии: революция начинается)
В самые ближайшие годы произойдет технологическая революция, в результате которой мы обзаведемся портативными мощными хранилищами памяти, всевидящими глазами и всеслышащими ушами, невидимыми помощниками, готовыми исполнить любую прихоть, и к тому же станем практически бессмертными.