Kategorie MatematykaNauka

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

Zgodnie z efektem motyla, małe wydarzenia mogą spowodować dramatyczne zmiany w przyszłości. W nowym eksperymencie sprawdzono, czy zjawisko to utrzymuje się w symulacji komputera kwantowego.


Czym dokładnie jest efekt motyla?

W teorii chaosu efekt motyla to zmienna, która jest bardzo uzależniona od warunków początkowych. Nawet niewielka zmiana w jednej z wartości deterministycznych nieliniowości może spowodować duże różnice w późniejszym etapie.

Termin, ściśle związany z twórczością Edwarda Lorenza, wywodzi się z metaforycznego przykładu powstawania tornada. Na jego powstanie mają wpływ drobne zaburzenia, takie jak odległy trzepot skrzydeł motyla, który miał miejsce kilka tygodni wcześniej. Wówczas zainicjowane są kolejne zaburzenia, które ostatecznie przeradzają się w potężny żywioł.

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

Warto pamiętać, że w kulturze popularnej termin „efekt motyla” jest mocno nadużywany. Stał się synonimem „dźwigni” – idei małej rzeczy, która ma duży wpływ na całość. Do tego dochodzi implikacja, że podobnie jak dźwignią, można nim manipulować do pożądanego wyniku.

To mija się z celem według rozumienia Lorenza. W rzeczywistości ​​małe rzeczy w złożonym systemie mogą nie mieć lub mieć ogromny wpływ. W praktyce oznacza to, że niemożliwe jest ustalenie, co się stanie. Inaczej ma się ta kwestia w świecie kwantowym.

Alternatywny stan kwantowy

Reguły świata kwantowego wyjaśniają, w jaki sposób poruszają się cząstki subatomowe. Wyniki mogą być naprawdę zadziwiające, ponieważ zaprzeczają tradycyjnej logice. W dużym skrócie: cząstki tak małe, jak elektrony i protony nie istnieją tylko w jednym punkcie w przestrzeni. Mogą zajmować kilkanaście innych. Matematyczne ramy mechaniki kwantowej próbują wyjaśnić ruchy tych cząstek.

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

Prawa mechaniki kwantowej można również zastosować do komputerów kwantowych. Są one bardzo różne od tradycyjnych odpowiedników, których używamy obecnie. Ich zaletą jest to, że mogą rozwiązywać pewne problemy szybciej niż zwykłe komputery, ponieważ stosują się do zupełnie innych praw fizyki.

Standardowy komputer używa bitów o wartości 0 lub 1. Komputer kwantowy wykorzystuje kubity, które mogą osiągnąć rodzaj połączonego stanu 0 lub 1. Jest to unikalna cecha systemów kwantowych.


Kluczowe są informacje

W systemie kwantowym niewielkie zmiany w kubitach (występujące nawet w trakcie obserwacji bądź szacowania ich wartości) mogą mieć ogromne skutki. Badacze Bin Yan i Nikolai A. Sinitsyn chcieli sprawdzić czy efekt motyla zachodzi w świecie kwantowym.

W swoim badaniu naukowcy chcieli zobaczyć, co się stanie, gdy zasymulują wysłanie kubitu w przeszłość jednocześnie go uszkadzając. Badacze konstruujący eksperymenty kwantowe często używają odpowiedników „Alicja” i „Bob”, aby zilustrować swój teoretyczny proces.

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

W tym przypadku pozwolili Alicji przenieść swój kubit w przeszłość, szyfrując informacje w ramach tego, co nazywają „odwrotną ewolucją”. Kiedyś Bob, intruz, mierzył kubit Alicji, jednocześnie wpływając na niego.

Alicja przenosi swój kubit do przodu w czasie. Gdyby efekt motyla utrzymywał się, pierwotna informacja w kubicie Alicji uległaby zmianie. Jednakże odwrotna ewolucja pozwoliła Alicji odzyskać oryginalne informacje, mimo że wtargnięcie Boba zniszczyło wszystkie połączenia między jej kubitem a innymi, które podróżowały z nią.

W świecie kwantowym motylek nie działa

To oznacza, że efekt motyla nie ma prawa występować w świecie kwantowym i rodzi to kolejne problemy. Jednym z nich jest szyfrowanie informacji, które ma dwie ważne zasady.

Szyfrowanie powinno być tak dobrze ukryte, aby nikt nie mógł się do niego dostać poza osobami upoważnionymi. Jeśli haker próbuje złamać kod, który ukrywa informacje, może nie być w stanie się do niego dostać, ale może go nieodwracalnie uszkodzić, uniemożliwiając każdemu przeczytanie oryginalnej wiadomości.

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

To badanie może wskazać sposób na uniknięcie tego poprzez ochronę informacji, nawet po ich uszkodzeniu, tak aby zamierzony odbiorca mógł je prawidłowo zinterpretować.

Ponieważ efekt motyla (lub jego brak) jest tak szczególny dla systemów kwantowych, teoretycznie mógłby zostać użyty do sprawdzenia integralności komputera kwantowego. Dodatkowo wspomniany eksperyment może weryfikować czy komputer faktycznie funkcjonuje na zasadach kwantowych.

Czy istnieje efekt motyla? Możliwe, ale na pewno nie działa on w wymiarze kwantowym

Ponieważ komputery kwantowe są bardzo podatne na błędy, narzędzie do łatwego testowania ich działania ma ogromną wartość. Niezawodny komputer kwantowy może rozwiązać niezwykle złożone problemy, które mają zastosowanie od chemii i medycyny, po obliczanie strategii finansowych firmy. Możliwości takich urządzeń są niezmierzone i nic dziwnego, że wielu inżynierów pokłada w nich nadzieję.


Źródła: journals.aps.org
Fotografie: Pixabay