Физики до сих пор спорят о квантовом мире спустя 100 лет
Искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления стимулируют рост спроса на массовые источники энергии. Однако нейроморфные вычисления, которые стремятся имитировать структуру и функции человеческого мозга, могут представить новую парадигму для энергоэффективных вычислений.
С этой целью исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) создали платформу на основе капель, которая использует ионы для выполнения простых нейроморфных вычислений. Используя свою способность сохранять кратковременную память, команда научила систему капель распознавать рукописные цифры и играть в «крестики-нолики». Работа опубликована в журнале Science Advances.
Авторы вдохновлялись человеческим мозгом, который вычисляет с помощью ионов вместо электронов. Ионы движутся через жидкости, и их перемещение может требовать меньше энергии, чем перемещение электронов в твердотельных устройствах.
«Подумайте о том, что вы ели на завтрак», — сказал учёный LLNL и старший автор Александр Ной. «Это не так много энергии, но вы способны выполнять довольно сложные вычислительные задачи и задачи по обработке информации».
Используя эту идею в качестве основы, Ной и его коллеги создали гибкую и небольшую платформу. Их устройство относительно просто: две капли солёной воды, их периферия покрыта липидами — жироподобными соединениями, которые не растворяются в воде. Две капли подвешены в масле, где они соприкасаются и образуют бислой (два слоя липидов), который имитирует клеточную мембрану. В каждую каплю вставлен электрод, который используется для подачи напряжения. Команда измеряет силу тока в паре капель.
Этот ответ — ток, протекающий через капли — является ключом к вычислениям. В системе без памяти ответ на определённый всплеск входного напряжения будет одинаковым каждый раз. Но в системе с каплями исследователи наблюдали поведение, связанное с памятью: устройство выдавало немного отличающийся ток в зависимости от напряжения, которое было приложено ранее.
Команда проиллюстрировала это поведение на примере, напоминающем эксперимент с собакой Павлова. Обычно высокие напряжения приводят к высоким выходным токам. Подавая в систему капель повторяющиеся тренировочные импульсы низкого и высокого напряжения, они смогли наблюдать высокие выходные токи при низких напряжениях. Другими словами, они научили «собаку» (то есть капли) выделять слюну (выдавать высокий ток) не только при виде еды (высоковольтный вход), но и при звуке звонка (низковольтный вход).
«Это довольно увлекательно, как такой простой объект может выполнять эти функции», — сказал Чжунву Ли, постдок LLNL и первый автор статьи.
С твёрдым пониманием возможностей памяти капель авторы смогли сотрудничать с исследователями в области компьютерных наук из Университета Южной Калифорнии и Google Research, чтобы использовать алгоритмы резервуарных вычислений и научить систему распознавать рукописные цифры и играть в «крестики-нолики».
Для распознавания рукописных цифр они подавали в капли напряжение «код» для каждого пикселя в изображении. Поскольку у капель есть память, каждый код приводил к другому выходному току. На начальном этапе обучения команда сопоставила этот выход с правильной цифрой. С этим сопоставлением капля смогла идентифицировать дальнейшие рукописные цифры.
Затем капли сыграли партию в «крестики-нолики» с идеальным стандартным компьютером. Ходы снова вводились в виде кодов напряжения в каплю, а выход был сопоставлен с тем ходом, который капля должна была сделать дальше. После обучения система капель смогла на равных играть со стандартным компьютером.
Это демонстрация принципа работы не конкурирует с сегодняшними компьютерными чипами, которые намного быстрее и сложнее, но авторы подчеркнули, что её нужно изучить для будущих технологий энергоэффективных вычислений.
«Я не думаю, что кто-либо из нас будет заменён каплями в ближайшее время, — сказал Ной. — Но это круто, что можно научить каплю играть в настольную игру».
Физики до сих пор спорят о квантовом мире спустя 100 лет
Теория квантовой механики преобразовала повседневную жизнь с момента её предложения сто лет назад, но как она работает, остаётся загадкой — и физики глубоко разделены во мнениях о том, что на самом деле происходит, говорится в опросе, опубликованном в журнале Nature.
«Заткнись и считай!» — знаменитая цитата в квантовой физике, которая иллюстрирует разочарование учёных, пытающихся разгадать один из величайших парадоксов мира.
В течение последнего века уравнения, основанные на квантовой механике, последовательно и точно описывали поведение чрезвычайно малых объектов. Однако никто не знает, что происходит в физической реальности за математикой.
Проблема началась на рубеже XX века, когда учёные поняли, что классические принципы физики не применимы к вещам на уровне атомов.
Ошеломляюще, но фотоны и электроны ведут себя как частицы и волны одновременно. Они также могут находиться в разных положениях одновременно — и иметь разные скорости или уровни энергии.
В 1925 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер и немецкий физик Вернер Гейзенберг разработали набор сложных математических инструментов, описывающих квантовую механику с помощью вероятностей. Эта «волновая функция» позволила предсказывать результаты измерений частицы.
Эти уравнения привели к развитию огромного количества современных технологий, включая лазеры, светодиодные лампы, МРТ-сканеры и транзисторы, используемые в компьютерах и телефонах. Но вопрос оставался: что именно происходит в мире за пределами математики?
Чтобы отметить 100-летие квантовой механики, многие ведущие физики мира собрались в прошлом месяце на немецком острове Гельголанд, где Гейзенберг написал своё знаменитое уравнение. Более 1100 из них ответили на опрос, проведённый ведущим научным журналом Nature.
Результаты показали, что среди физиков «поразительное отсутствие консенсуса о том, что квантовая теория говорит о реальности», — говорится в заявлении Nature.
Более трети (36%) респондентов поддержали наиболее широко принятую теорию, известную как копенгагенская интерпретация. В классическом мире всё имеет определённые свойства — такие как положение или скорость — независимо от того, наблюдаем мы их или нет. Но это не так в квантовом мире, согласно копенгагенской интерпретации, разработанной Гейзенбергом и датским физиком Нильсом Бором в 1920-х годах.
Согласно этой теории, только когда наблюдатель измеряет квантовый объект, он принимает определённое состояние из возможных вариантов. Это описывается как «коллапс» волновой функции в единственную возможность. Самое известное изображение этой идеи — кот Шрёдингера, который остаётся одновременно живым и мёртвым в коробке — до тех пор, пока кто-нибудь не заглянет внутрь.
Бразильский физик-философ Децио Краузе сказал Nature, что копенгагенская интерпретация «самая простая из имеющихся». Несмотря на проблемы теории — например, отсутствие объяснения, почему измерение имеет такой эффект, — альтернативы «представляют другие проблемы, которые, на мой взгляд, хуже», — сказал он.
Но большинство физиков поддержали другие идеи. Пятнадцать процентов респондентов выбрали интерпретацию «множества миров», одну из нескольких теорий в физике, утверждающих, что мы живём в мультивселенной. Она утверждает, что волновая функция не коллапсирует, а разветвляется на столько вселенных, сколько существует возможных исходов.
Так, когда наблюдатель измеряет частицу, он получает положение для своего мира, но она находится во всех других возможных положениях во многих параллельных вселенных. «Это требует драматической перестройки наших представлений о мире, но, на мой взгляд, именно этого мы и должны ожидать от фундаментальной теории реальности», — сказал американский физик-теоретик Шон Кэрролл в опросе.
Эксперты по квантовой механике разделились во мнениях по другим важным вопросам, стоящим перед этой областью. Существует ли какая-то граница между квантовым и классическим мирами, где законы физики внезапно меняются? Сорок пять процентов физиков ответили утвердительно на этот вопрос — и ровно столько же ответили отрицательно.
Только 24% сказали, что уверены в правильности выбранной ими квантовой интерпретации. И три четверти считали, что однажды она будет заменена более всеобъемлющей теорией.
© 2025 AFP