Квантовая магия - [46]
Такое определение энергии имеет и некоторый физический смысл: например, в случае передачи информации по каналу с шумом для «переворота» (искажения)меньше энергии внешнего воздействия (шума), чем для «переворота» двух и более символов.
После этого можно говорить о градиенте энергии. ), и они приходят во взаимодействие, то градиент энергии между ними будет максимальный (перепад энергии максимально возможный, так как одна подсистема находится в состоянии с минимальной энергией, а другая — с максимально возможной энергией). Возникает поток энергии, который приводит всю систему в равновесие, и она перейдет, например, в суперпозиционное состояние
Несколько слов об энтропии. Энтропия и энергия в физике неразрывно связаны друг с другом. При формальном определении энергии, скажем, как числа единиц в двоичном базисе можно эту связь установить для любых состояний (не только физических).
Энтропия по своему фундаментальному определению (в терминах состояний) — это логарифм от числа допустимых состояний системы.
Как говорит : «Это определение ошеломляет своей простотой: энтропия есть логарифм числа допустимых состояний системы. <…> Говорят, что энтропия служит мерой беспорядка в системе. Такое утверждение точно соответствует определению. Чем больше у системы допустимых состояний, тем больше энтропия».
Как известно, статистическая физика исходит из следующего основного предположения (иногда это утверждение называют основной гипотезой статистической физики): замкнутая система с равной вероятностью может находиться в любом допустимом для нее состоянии. Состояние считается допустимым, если оно удовлетворяет наложенным на систему ограничениям. Основные ограничения — это ограничения по энергии и по числу подсистем (определяется размерностью гильбертова пространства).
Число допустимых состояний, в свою очередь, зависит от энергии. Поясню этот момент на примере системы из 10 двухуровневых подсистем (в двоичном базисе). Для состояния с максимальной энергией, то есть 1111111111, есть только одно допустимое состояние. Для состояния с чуть меньшей энергией, например, с одним нулем — уже 10 допустимых состояний, скажем, 1101111111, то есть 10 различных вариантов размещения 0. Это степень вырождения для данного значения энергии. Для состояния с двумя нулями число допустимых состояний (степень вырождения) равно 45 и т. д. Максимальное число допустимых состояний (252) имеет место для состояний из 5 единиц и 5 нулей, то есть состояний типа 1101011000. Здесь работает комбинаторика, и в целом мы имеем гауссово распределение для числа допустимых состояний.
Таким образом, энтропия (логарифм от числа допустимых состояний)[71] является функцией энергии (числа единиц в нашем случае), то есть:
(m) = g(m),
где m — энергия (число единичек); g(m) — степень вырождения для данного значения энергии (число допустимых состояний, соответствующих этой энергии).
Минимальная энтропия будет равна нулю (одно состояние) для состояний 1111111111 и 0000000000 (для состояний с максимальной и минимальной энергией), а максимальное значение энтропии в нашем примере равно 5,53 (252).
Такая схема позволяет ввести формальное понятие энергии для любой нефизической системы, состояния которой заданы в двоичном базисе, и оно будет согласовано с понятием энтропии.
Можно также достаточно просто показать, почему при взаимодействиях (при обмене энергией) возникают суперпозиционные состояния и квантовая запутанность.
Согласно статистической физике, при взаимодействии двух подсистем энергия перераспределяется таким образом, чтобы объединенная система имела максимальное число допустимых состояний (энтропия была максимальна). Объединенная система стремится к равновесию, к наиболее вероятностной конфигурации (к вершине «колокола» на гауссовой кривой).
Суммарная энергия m = m>1+ m>2 при этом остается постоянной, а меняются значения энергии подсистем m>1 и m>2 (энергия перераспределяется). Обозначим эти новые значения m'>1 и m'>2. Система стремится к равновесному состоянию, при котором относительные энергии равны, то есть выполняется условие[72]
/N>1 = m'>2/N>2 = m/N,
где N>1(2) и N — размерность подсистем и объединенной системы (число двоичных позиций), N = N>1 + N>2.
Например, пусть начинают взаимодействовать две подсистемы 00000 и 11111 с энергией m>1 = 0 и m>2 = 5, размерностью N>1 = 5, N>2 = 5, и образуется объединенная система размерностью N = 10 (как в нашем предыдущем примере). Мы будем иметь m/N = 1/2, то есть значения m'>1 и m'>2, согласно условию равновесия, должны быть равны 2,5, что невозможно реализовать без суперпозиционных состояний, то есть состояния каждой из наших подсистем должны быть равны 1/2(00000 + 11111), а это максимально-запутанное
