Экспериментальная проверка многомировой интерпретации квантовой механики искусственным интеллектом06.02.2021 06:47

Обычно многомировая интерпретация квантовой механики считается именно интерпретацией, то есть по определению не может дать предсказаний, отличных от канонической копенгагенской интерпретации отцов-основателей. Сторонники многомировой любят сравнивать эти две наиболее популярные интерпретации с гео- vs гелиоцентрическими воззрениями. Геоцентрическая теория Птолемея давала те же предсказания, что и гелиоцентрическая Коперника. Но мы-то сейчас знаем, что Коперник был прав и Земля вращается вокруг Солнца.

Однако наиболее ярые адепты многомировой пошли дальше и утверждают, что в некоторых случаях она дает предсказания, отличные от копенгагенской. Они хотят доказать ее верность экспериментально.

Многомировая vs Копенгагенская

Согласно квантовой механике, системы могут находиться в суперпозиции. Так наиболее общее состояние кубита представляется вектором состояния:

$|\psi\rangle=c_0|0\rangle+c_1|1\rangle$

В рамках копенгагенской интерпретации постулируется правило Борна:

При измерении кубита с вероятностью мы получим ноль и с вероятностью единицу.

Копенгагенская интерпретация утверждает, что данное описание наиболее полно и вероятности фундаментальны — они не следуют ни из какого более детального детерминированного механизма, строение которого мы пока не знаем. Эти утверждения не голословны, а основаны на ряде математических теорем: Коэна-Шпекера, Белла, GHZ и др. То есть сама математика квантовой механики говорит, что такой скрытый механизм, способный породить квантовые вероятности, не может существовать.

Однако многомировая интерпретация вопреки всему постулирует существование такого механизма. И он настолько примитивен, что представляет собой простое ветвление мира на N миров, соответствующих N слагаемым суперпозиции. Как правило при каждом делении этих слагаемых появляется не два, как в случае кубита, а несчетная бесконечность. Никто не знает в какой момент происходят эти деления (даже без учета теории относительности), но, как и многие другие возражения, это не останавливает адептов. Но не буду повторяться.

Приведенный вектор состояния кубита можно применять к разным физическим системам. Вместо базисных векторов $|0\rangle$ и $|1\rangle$ можно подставить «спин вверх» и «спин вниз» электрона, «вертикальная поляризация» и «горизонтальная поляризация» фотона, «жив» и «мертв» кот Шредингера.

Как говорил Фейнман: «Всю квантовую механику можно понять рассмотрев двухщелевой эксперимент».

В этом случае в суперпозиции будут слагаемые: «частица прошла через верхнюю щель» и «частица прошла через нижнюю». Копенгагенская интерпретация говорит, что вопрос о том через какую из щелей прошла частица не имеет смысла. Многомировая же утверждает, что в одном мире частица прошла через верхнюю щель, а в другом через нижнюю. Можно ли экспериментально проверить кто из них прав?

Предложение Дэвида Дойча

Известный сейчас Computer Scientist и специалист по квантовым алгоритмам Дэвид Дойч в 1985 г. опубликовал знаменитую работу в которой утверждает, что многомировая интерпретация является не просто интерпретацией, а более совершенной теорией с предсказаниями отличными от копенгагенской интерпретации.

Надо сказать, что Дойч является одним из самых видных апологетов многомировой. Ходят слухи, что будучи студентом он лично присутствовал на докладе самого Хью Эверетта и с тех пор обратился в веру.

Итак, что он предлагает. Смотрите, говорит он, в копенгагенской интерпретации наблюдателю отводится выделенная роль. Именно при наблюдении происходит коллапс вектора состояния и разрушение суперпозиции. Наблюдатель никогда не сможет увидеть квантовую суперпозицию. Но кого или что можно считать наблюдателем? Мы точно знаем, что человек является наблюдателем.
К тому же, копенгагенская интерпретация не накладывает никаких теоретических ограничений на размеры объектов, пропускаемых через двухщелевой экран. Лимиты сейчас чисто практические, связанные со сложностью борьбы с декогеренцией. На современном техническом уровне возможно наблюдать интерференцию только крупных молекул, не более. Даже одноклеточные пока еще слишком велики. Однако Дойч спрашивает: что будет если пропустить через двухщелевой экран наблюдателя? Что он увидит?

Дэвид Дойч, как True Believer многомировой, считает, что человек пройдя двухщелевой экран скажет: «Вау! Я побывал сразу в двух мирах! В одном я пролетел через верхнюю щель, а в другом через нижнюю. Потом эти миры проинтерферировали, соединились опять в один, и вот я тут».

Копенгагенская интерпретация конечно же говорит, что такого не может быть. Наблюдатель либо скажет, что он прошел через какую-то из двух щелей. В этом случае интерференция наблюдаться не будет. Информация о том какая из альтернатив реализовалась существует в Природе (в его мозге точно). Либо, если интерференция будет наблюдаться, тогда информация о том какая из альтернатив реализовалась должна отсутствовать в Природе (даже в его мозге). То есть при прохождении наблюдателем двухщелевого экрана он должен находиться без сознания. Информация о том через какую из щелей он прошел не должна поступать через его органы чувств и фиксироваться мозгом. Но строго говоря такой бессознательный наблюдатель не является наблюдателем!

При чем тут искусственный интеллект? Дэвид Дойч свято веря в многомировую надеется, что ее верность будет доказана еще при его жизни. Понятно, что пропустить человека через двухщелевой экран в ближайшем будущем нереально. Он предлагает заменить человека искусственным интеллектом. Причем так называемым сильным ИИ, то есть обладающим сознанием. Конечно и до такого сейчас еще далеко, но в принципе законы Природы не запрещают создания самоосознающих машин. Существование человека тому пример. Дойч предлагает сделать такой сильный ИИ, но довольно миниатюрный чтобы его можно было пропустить через двухщелевой экран. Спросив его затем что он видел мы получим ответ на вопрос о верности той или иной интерпретации.

Выводы

Конечно были предложены и другие (еще более фриковые) мысленные эксперименты. Но наивность сторонников многомировой интерпретации конечно поражает. Большинство из них работают в области Quantum Computing и считают, что все можно свести к кубитам и действиям с ними. Квантовый параллелизм объясняется ими множественностью миров в каждом из которых выполняется свое вычисление.

Интересно как они представят кубитами, например, оператор импульса $p=-i\hbar\frac{\partial}{\partial x}$ или оператор энергии (гамильтониан) свободного электрона $H=-\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x^2}$ . Слышали ли они, что электроны и вообще все фермионы описываются спинорами Дирака, а не простейшими используемыми ими матрицами Паули (гейтами X, Y, Z)?

Хотя сейчас и пытаются применить некоторые понятия из квантовых вычислений к парадоксам черных дыр и квантовой гравитации, вы не встретите упоминаний о множестве миров в книгах и статьях по квантовой тематике, выходящих за рамки элементарного введения в предмет.