Кіріспе

Кванттық теориядағы байқауларды есепке алуға арналған логика теориясы. Логиканың математикалық зерттеуінде және кванттық негіздерді физикалық талдауда кванттық логика – кванттық теорияның құрылымынан шабыттанған ұйғарымдарды манипуляциялау ережелерінің жиынтығы. Формальдық жүйе, Гаррет Бирхофф пен Джон фон Нейманның классикалық механикадағы эксперименттік сынақтардың құрылымы Буль алгебрасын құрайды, ал кванттық механикадағы эксперименттік сынақтардың құрылымы әлдеқайда күрделі құрылымды құрайды деген байқауларын бастау ретінде қабылдайды. Кванттық механикалық құбылыстарды талдау үшін тағы бірнеше логикалар ұсынылды, алайда олар да "кванттық логика" деген атпен белгілі. Бұл мақалада олар туралы әңгіме қозғалмайды. Кванттық логика мен осы бәсекелестер арасындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтарды талқылау үшін қараңыз. Кванттық логика, әсіресе философ Хилари Путнам, мансабының бір кезеңінде, ұғымдық тұжырымдама үшін дұрыс логика ретінде ұсынылған. Бұл тезис Путнамның 1968 жылғы "Логика эмпирикалық па?" атты мақаласындағы маңызды элемент болды, онда ол ұйғарымдық логика ережелерінің эпистемологиялық мәртебесін талдады. Қазіргі заманғы философтар кванттық логиканы дәлелдеудің негізі ретінде қабылдамайды, себебі оған материалдық шарттылық тән емес; кең таралған балама – сызықтық логика жүйесі, ал кванттық логика оның бір бөлігі. Математикалық тұрғыдан алғанда, кванттық логика Буль алгебрасы үшін үлестіру заңының әлсіреуі арқылы құрылады, нәтижесінде ортокомплементті тор пайда болады. Кванттық механикалық байқалатын шамалар мен күйлерді тордағы немесе оған қатысты функциялар арқылы анықтауға болады, бұл кванттық есептеулер үшін баламалы формализмді ұсынады.

Кіріспе

Кванттық логика мен классикалық логика арасындағы ең айқын айырмашылық – бұл ұсыныстық тарату заңының орындалмауы: p және (q немесе r) = (p және q) немесе (p және r), мұндағы p, q және r символдары ұсыныстық айнымалылар болып табылады. Тарату заңының неге орындалмағанын түсіндіру үшін, бір түзуде қозғалатын бөлшекті қарастырайық және (азайтылған Планк тұрақтысы 1-ге тең болған бірліктер жүйесін пайдаланып) p = "бөлшектің импульсі берілген аралықта бар" q = "бөлшектің орны берілген аралықта" r = "бөлшектің орны берілген аралықта" деп есептейік. Мынаны байқауға болады: p және (q немесе r) = шын, яғни бөлшектің күйі 0 және +1/6 арасындағы импульстардың салмақталған суперпозициясы және -1 және +3 арасындағы орналасулар болып табылады. Екінші жағынан, "p және q" және "p және r" деген ұсыныстардың әрқайсысы, белгісіздік принципі рұқсат еткеннен қатаңрақ, бір уақыттағы орналасу мен импульс мәндеріне шектеулер қояды (олардың әрқайсысының белгісіздігі 1/3-ке тең, ал рұқсат етілген ең төменгі шама 1/2). Сондықтан, ешбір жағдай бұл екі ұсыныстың бірін де қолдауға мүмкін емес, ал (p және q) немесе (p және r) = жалған.

Тарих және қазіргі сын

1932 жылы өзінің классикалық «Кванттық механиканың математикалық негіздері» атты еңбегінде Джон фон Нейман Гильберт кеңістігіндегі проекцияларды физикалық өлшемдер туралы тұжырымдар ретінде қарастыруға болатынын атап өтті; яғни, байқаушы физикалық жүйенің күйі туралы «иә» немесе «жоқ» деп жауап беруге болатын сұрақтарды қоюы мүмкін, және осы сұрақтар кейбір өлшемдер арқылы шешілуі мүмкін. 1936 жылы фон Нейман мен Бирхофф осы кванттық тұжырымдарды манипуляциялау принциптерін кванттық логика деп атады. Джордж Маккей өзінің 1963 жылғы кітабында (сонымен қатар «Кванттық механиканың математикалық негіздері» деп аталады) кванттық логиканы ортокомплементтелген тордың құрылымы ретінде аксиомаға түсіруге тырысты және физикалық өлшемді кванттық тұжырымдар арқылы анықтауға болатынын мойындады. Маккейдің баяндамасы ортокомплементтелген торды бөлінетін Гильберт кеңістігінің жабық сызықтық кіші кеңістіктерінің торы ретінде қарастырса да, Константин Пирон, Гюнтер Людвиг және басқалар кейіннен негізгі Гильберт кеңістігін қабылдамайтын аксиомаларды жасады. Ханс Райхенбахтың жалпы салыстырмалылық теориясын қорғауынан шабыттанған философ Хилари Путнам 1968 және 1975 жылдардағы екі мақаласында Маккейдің жұмысын танымал етті, онда ол кванттық өлшемдерге байланысты аномалиялардың себебі логиканың өзінде жатыр деген тұжырымды айтты. Путнам кванттық өлшеу мәселесінде жасырын айнымалыларға немесе толқындық функцияның күйреуіне баламалы түсіндірме табуды үміттенеді, бірақ Глисон теоремасы осы мақсатқа қатысты үлкен қиындықтар туғызды. Кейін Путнам бұл көзқарасынан бас тартты, бірақ бұл аз қамтылған мәлімдеме болды, алайда салдары болды. Бирхофф пен фон Нейманның бастапқы жұмысы кванттық механиканың Копенгагендік интерпретациясымен байланысты есептеулерді ұйымдастыруға бағытталған болса, енді кванттық логиканың өміршең жасырын айнымалы теорияны қамтамасыз ететіні немесе оның қажеттілігін жоятыны үмітіндегі зерттеушілердің тобы пайда болды. Олардың жұмысы нәтижесіз болды және қазір оның беделі төмен. Көптеген философтар кванттық логиканы классикалық логикаға лайықсыз бәсекелес деп санайды. Кванттық логиканың логика екендігі айқын емес (бірақ рас), яғни, ол ерекше ыңғайлы тіл ретінде кванттық құрылғылар жүргізген өлшемдерді жинақтауға қарағанда, ойлау процесін сипаттайды. Әсіресе, қазіргі заманғы ғылым философтары кванттық логика физика мәселелерін дұрыс шешудің орнына, физикадағы шешілмеген мәселелерді метафизикалық қиындықтармен алмастыруға тырысады деп санайды. Тим Модлин кванттық «логика [өлшеу] мәселесін оны тұжырымдау мүмкін емес ететіндей 'шешеді'» деп жазады. Кванттық логика логикашылар арасында өте патологиялық қарсы мысал ретінде шектеулі қолданыста қалып отыр (Далла Кьяра мен Джантини: «Неге кванттық логика? Жасырын себебі, 'кванттық логика бар!'»). Кванттық логикаға қатысты негізгі түсінік математикалық фольклор ретінде санаттау үшін интуициялық құрал ретінде сақталса да, талқылауларда кванттық логика сирек айтылады. Кванттық логиканың жандануының ең жақсы мүмкіндігі – кванттық есептеудің жақындағы дамуы, ол кванттық протоколдар мен алгоритмдердің формалды талдауы үшін жаңа логиканың көбеюіне әкелді (қараңыз). Бұл логика (компутациялық) лингвистикада да қолданылуы мүмкін.

Кванттық логика - байқалатын заттар логикасы

Осы мақаланың қалған бөлігі оқырманның Гильберт кеңістігіндегі өз-өзіне қосымша операторлардың спектрлік теориясымен таныс екенін қарастырады. Дегенмен, негізгі идеяларды шектеулі өлшемді жағдайда да түсінуге болады.

Маки байқалатын заттар

Ортокомплементтелген Q торды ескере отырып, Маккей байқалатыны φ – R-дың Борель кіші жиындарының ортокомплементтелген торынан Q-ға дейінгі саналатын аддитивті гомоморфизм. Символдармен белгіленгенде, бұл R-дың жұптық қиылыспайтын Борель кіші жиындарының кез келген {Si}i тізбегі үшін {φ(Si)}i жұптық ортогоналды ұғымдар (Q элементтері) екенін білдіреді және, балама ретінде, Маккей байқалатыны – R-де проекциялық өлшем. Теорема (спектрлік теорема). Егер Q – Хилберт кеңістігі H-дың жабық кіші кеңістіктерінің торы болса, онда H-да Маккей байқалатындары мен тығыз анықталған өзін-өзі қосатын операторлар арасында биективті сәйкестік бар.

Басқа логикалармен байланысы

Кванттық логика сызықтық логикаға және B модальдық логикасына кіріктіріледі. Шындығында, кванттық есептеуді талдауға арналған қазіргі заманғы логикалар көбінесе кванттық логикадан басталады және классикалық логиканың кеңейтілген нұсқаларының қажетті қасиеттерін оған қосуға тырысады; нәтижелері кванттық логиканы міндетті түрде қамтиды. Кез келген кванттық ұсыныстар жиынының ортокомплементтелген торы Буль алгебрасына кіріктірілуі мүмкін, ол классикалық логикаға бейімделеді.

Шектеулер

Кванттық логиканың көптеген қарастырулары негізгі тордың ортомодульді болуын қажет етеді деп есептесе де, мұндай логикалар бірнеше өзара әрекеттесетін кванттық жүйелерді өңдей алмайды. Фулис пен Рэндаллдың мысалында, шекті өлшемді Гильберт модельдері бар ортомодульді ұсыныстар жұпталу арқылы ортомодульді модельді қабылдамайды. Сондай-ақ, ортомодульділік заңы кванттық логиканың дедукция теоремасын жоққа шығарады. Кванттық логика ешқандай мағыналы материалдық шартты қабылдамайды; белгілі бір техникалық мағынада монотонды кез келген байланыстырушы ұсыныстар класын Буль алгебрасына дейін қысқартады. Осының салдарынан кванттық логика уақыттың өтуін бейнелеуде қиындыққа тап болады. Дегенмен, BV жүйесі, кванттық логикаға өте жақын сызықтық логиканың терең қорытынды фрагменті, кез келген дискретті кеңістік-уақытты өңдей алатыны белгілі.

Математикалық зерттеулер және есептеу қолданбалары

Н. Папаниколау, "Кванттық жүйелер туралы формалды түрде ойлау: шолу", ACM SIGACT News, 36(3), 2005. 51–66 бб. arXiv cs/0508005.

Кванттық негіздер

Д. Коэн, Гилберт кеңістігі мен кванттық логикаға кіріспе, Спрингер Verlag, 1989. Негізгі және жақсы түсіндірілген; жоғары сынып студенттеріне қолайлы.