Роджер Пенроуз - Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Если мы все-таки предположим, что чувствительные к одиночным квантам нейроны играют важную роль где-то в глубине нашего мозга, то возникает вопрос, какие следствия это могло бы иметь. Для начала я изложу концепцию квантового компьютера , предложенную Дойчем (см. также главу 4 «Сложность и вычислимость в физических объектах»), а затем мы выясним, можно ли ее рассматривать как имеющую отношение к теме нашей дискуссии.

Как было указано выше, главная идея состоит в использовании квантового параллелизма, в соответствии с которым два совершенно различных процесса должны рассматриваться как происходящие одновременно в виде квантовой линейной суперпозиции, например, фотон одновременно отражается от полупрозрачного зеркала и проходит через него или один и тот же фотон проходит через каждую из двух щелей. В случае квантового компьютера этими двумя различными наложенными друг на друга процессами будут два различных вычисления . При этом предполагается, что нас интересуют результаты не обоих вычислений, а некий результат, основанный на частичной информации, полученной из суперпозиции этих процессов. Наконец, когда оба вычисления завершены, над этой парой процессов должно быть проведено соответствующее «наблюдение», позволяющее получить искомый ответ [211]. Таким образом, это устройство могло бы сэкономить время за счет выполнения двух вычислений одновременно! До сих пор не видно никакого значительного преимущества от использования такого подхода, поскольку было бы гораздо проще непосредственно использовать два классических компьютера параллельно (или один классический параллельный компьютер), чем один квантовый. Однако реальные преимущества квантового компьютера могли бы проявиться при необходимости выполнить очень большое , возможно, неограниченно большое, количество параллельных вычислений, когда нас интересуют не их результаты сами по себе, а только подходящая комбинация результатов всех вычислений.

Принципиальное устройство квантового компьютера предполагает использование квантовой разновидности логических элементов, у которых выходной сигнал является результатом «унитарной операции» над входным сигналом — операции типа U, — и вся работа компьютера состояла бы в выполнении операции Uдо самого конца вычислений, пока конечный «акт наблюдения» не приведет к выполнению операции R.

Согласно выводам Дойча квантовые компьютеры не предназначены для выполнения неалгоритмических операций (т. е. действий, выходящих за пределы возможностей машины Тьюринга), но способны в некоторых, очень специфических случаях, достигать более высокого быстродействия (в смысле теории сложности , см. Главу 4. «Сложность и вычислимость в физических объектах»), чем обычная машина Тьюринга. Для такой блестящей идеи эти выводы представляются довольно неутешительными, но будем помнить о том, что пока мы стоим у самых истоков.

Какое отношение все это может иметь к работе мозга, содержащего значительное число нейронов, чувствительных к единичным квантам? Провести аналогию здесь мешает в первую очередь то, что квантовые эффекты быстро теряются в «шуме» — мозг слишком «горяч», чтобы квантовая когерентность (поведение, которое удобно описывать как непрерывное действие U) сохранялась в нем сколько-нибудь продолжительное время. В моей терминологии это означало бы, что постоянно удовлетворяется одногравитонный критерий, так что операция Rвыполняется все время, изредка прерываясь операцией U.

Таким образом, пока у нас нет повода слишком надеяться на то, что квантовая механика откроет нам нечто новое о мозге. Возможно, мы все обречены быть просто компьютерами! Лично я в это не верю, но для окончательного выяснения вопроса нам необходимо идти дальше в наших исследованиях.

Я хочу вновь обратиться к вопросу, который проходит красной нитью через большую часть этой книги: действительно ли наши представления об окружающем мире, управляемом законами классической и квантовой физики в их современном понимании, адекватны для описания мозга и разума? «Обычное» квантовое описание нашего мозга определенно заходит в тупик, поскольку акт «наблюдения» считается важной составляющей правильной интерпретации общепринятой квантовой теории. Следует ли считать, что мозг «наблюдает сам себя» каждый раз при осознанном восприятии или возникновении мысли? Общепринятая теория не дает нам никаких указаний на то, каким образом квантовая механика могла бы принять это в расчет и, тем самым, как применить ее к мозгу в целом. Я попытался сформулировать вполне независимый от сознания критерий включения операции R(«одногравитонный критерий»), и если нечто подобное удалось бы развить до полностью согласованной теории, то появилась бы возможность построения более ясного квантового описания мозга, чем существующее ныне.

Однако я считаю, что эти фундаментальные проблемы возникают не только при наших попытках описать деятельность мозга. Работа самих цифровых компьютеров существенно зависит от квантовых эффектов, пониманию которых, по-моему мнению, мешают трудности, внутренне присущие квантовой теории. Что это за «существенная» квантовая зависимость? Чтобы понять роль квантовой механики в цифровых вычислительных машинах, мы, прежде всего, должны выяснить, как можно заставить полностью классический объект вести себя подобно цифровому компьютеру. В главе 5 мы рассматривали классический «компьютер из биллиардных шаров» Фредкина — Тоффоли (см. Глава 5. «Вычислима ли жизнь в бильярдном мире?»); но, как мы видели, в этом теоретическом «устройстве» были использованы идеализации, позволяющие обойти проблему существенной нестабильности, внутренне присущей классическим системам. Эта проблема нестабильности, как указано выше (рис. 5.14), проявляется в эффективном увеличении фазового объема эволюционирующей системы, которое почти неизбежно приводит к непрерывной потере точности операций, выполняемых классическим устройством. Именно квантовая механика позволяет в конце концов остановить это снижение точности. В современных электронных компьютерах необходимо существование дискретных состояний (скажем, для записи цифр 0 и 1 ), всегда позволяющих однозначно установить, когда компьютер находится в одном, а когда в другом состоянии. Это выражает саму суть «цифровой» природы компьютерных операций. Эта дискретность, в конечном счете, достигается за счет квантовой механики. (Мы можем вспомнить здесь квантовую дискретность энергетических состояний, спектральных частот, значений спина и т. д., см. главу 6.) Даже старые механические вычислительные машины зависели от прочности различных своих частей, каковая, в свою очередь, непосредственно вытекает из дискретности квантовой теории [212].