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我们生活在一个量子计算机里 We live inside a quantum computer

(2012-11-12 08:25:01)
标签:

物理

教育

《黑客帝国》<Matrix> 里有两个世界:真实的物质世界,虚拟的信息世界(在计算机里)。虚拟的信息世界是由bits组成的。 (我个人观点)其实真实的物质世界不太真实,虚拟的信息世界更真实。物质世界和信息世界根本就是一个世界。更确切的说,我们的世界是一个量子信息世界。空 间=许多许多qubits的集合。基本粒子=qubits的运动激发。也就是说,世间万物是由qubits的激发组成的。

我们生活在一个量子计算机里 We live inside quantum computer

上面的描述十分通俗,但也很贴切。更学术更准确的论述:

信息与物质的统一 (a unification of information and matter)


我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer


People have been wondering about the origin of light, electrons, and gravity
for very long time. Such curiosity has driven the development particle
physics in last 100 years.  In another field --modern condensed matter
physics, physicists have been trying to find new types of matter, so that they
can use the new materials to make new devices. It turns out that these two
seemly unrelated fields have deep connection.

In early days of particle physics, our approach has been dominated by the
reductionist approach: to gain deeper understanding of something,
we simply need to divide the thing into small parts.  Thus to gain deeper
understanding of photons and electrons and to understand the strange properties of
photons and electrons, we need to find smaller parts of photons and
electrons. The different properties of photon and an electron
may be due to their different internal structures.

However, this line of thinking may be fundamentally flawed. They are based on
the reductionist belief that the space is empty and that things placed in the
empty space are divisible. However, there are many examples from condensed
matter physics indicating that sometimes this line of thinking doesnot make sense. 
For example, due to the particle-wave duality in quantumtheory,  sound waves in a
solid correspond to kind of particle called phonon.  Phonons are as much
particle-like as any other elementary particles. But if we look at phonons
closely, we do not see smaller parts that form phonon.  We see the atoms
that form the entire solid.  The phonons are not formed by those atoms, the
phonons are simply collective motions of those atoms.  We see that phonons
cannot be understood by dividing them into smaller parts and the reductionist
approach does not work.

This leads us to wonder that are we misguided by the reductionist principle
all those years? It should occur to us that photons, electrons, gravitons,
etc, may not have smaller parts. Looking for the smaller parts of photons,
electrons, and gravitons to gain deeper understanding of those elementary
particles may not be right approach.

Motivated by those considerations, here will advocate different view of
the elementary particles based on the principle of emergence.  In this
approach, we view the empty space as dynamical medium formed by quantum
degrees of freedom If there is no degrees of freedom, there will be no space.  
The simplest local degrees of freedom in quantum theory are qubits. So in this
approach, space collection of qubits.  In condensed matter physics, a
collection of qubits is called lattice spin systems.  Here, we will
use such condensed matter terminology and view space itself as qubit system or a
spin system.  The deformations of this medium (ie the rearrangements or the
collective motions of qubits/spins) are waves, which in quantum theory correspond
to various particles. Thus in the emergence approach, we may understand the
origin of various particles by understanding the origin of various waves.  
The different orders of bosons/spins lead to different kinds of waves which in
turn lead to different types of particles.


我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer

In the  field of condensed matter physics, we find recently that new class of
quantum states of qubits -- long-range entangled states -- can exist. Amazingly,
the collective wave-like excitations in some of those highly entangled quantum
states can satisfy the Maxwell equation and Dirac equation
despite the original
qubit system has no gauge fields and no Grassman fields!  So, those long-range
entangled states are the long sought-after ether -- medium that supports a
wave that satisfies the Maxwell equation.  This suggests
that we can view our vacuum as long-range entangled state and view the
elementary particles as the excitations in such long-range entangled state.
Such point of view may provides an unification and an origin for all
elementary particles.


We may try to use such point view of long-rang entanglement to
understand many fundamental issues in theoretica lphysics.  It seems possible
that long-range entanglement can unify many fundamental mysteries/wonders,
which will totally change our view of universe. People have been studying
entanglements from quantum computing and quantum matter points ofview. But the
entanglement may have some very fundamental implications to particle physics
as well.


我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer

It has been shown that light and electrons can indeed have unified origin
from qubits that form the entire space, provided that those space-forming
qubits are in particular long-range-entangled state -- string-net liquid state.
So such an emergence picture based on long-range entanglements can explain
the origin of gauge interaction (such as the electromagneticinteraction) and
Fermi statistics, and unify these two seemingly totally unrelated phenomena
:

  • Q: Where do light and fermions come from?

  • A: Light and fermions come from the qubits that form the space.

  • Q: Why do light and fermions exist?

  • A: Light and fermions exist because the space-forming qubits form string-net condensedstate.

  • Q: What are light and fermions?

  • A: Light waves are collective motions of strings and fermions are ends of open strings in the string-net condensed state.

The basic picture is:

  1. Space collection of qubits. No qubits no space. There is nothing between the qubits.

  2. Vaccum ground state of qubits (ie particular pattern of entanglement of qubits)

  3. Motion of qubits (ie deformation of the pattern of entanglement) waves

  4. For right ground state (or for right pattern of entanglement), the wave happen to satisfy Maxwell equtions, and correspond to the eletromagnetic wave. To form the right pattern of entanglement, the qubits first form string-net and string-nets then form quantum liquid. The wave  that satisfies Maxwell equtions is the string densoty wave.

  5. The quanta of the eletromagnetic wave are photons

  6. The electrons are ends of strings.


If light and electrons can be unified by qubits that form our space, then, can we unify everything under qubits, even all the eight wonders in our universe?


Eight wonders in our universe:
(1) Locality.
(2) Identical particles.
(3) Gauge interactions.
(4) Fermi statistics.
(5) Chiral fermions.
(6) Small mass of fermions. (Much less than Planck mass)
(7) Lorentz invariance.
(8) Gravity.


So far, we can unify seven out of eight wonders (1 -- 7) by qubits organized into string-nets.


我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer


Qubits unify everything

This line of thinking is an unification of matter, interaction, and information!

In fact, quantum theory already unifies matter and information. 

This is because, acoording to quantum theory and relativity theory 

Changing information (qubits) -> energy -> mass -> matter.
  Frequency property of information

  Energy/mass property of matter

In quantum theory, Frequency Energy mass.

But can simple qubits (quantum information) really produce/unify the following
fascinating and mysterious properties of universe:


(1) all interactions are gauge interaction (electromagnetism, strong/weak interation). 
(2) matter are formed by fermions (electrons, quarks, etc.). Who ordered Fermi statistics in our universe?
(3) angular momentum of fermions are fractionalized  (spin-1/2) 


The answer is yes! Information can really unifies  matter and interaction. 
Information and  matter are really the same.


道生一,一生二,二生三,三生万物 --> 信息与物质的统一


Refs:


1. arXiv:hep-th/0109120 Origin of Light Xiao-Gang Wen

  An origin and unification of light and electrons from qubits was proposed. 


2. arXiv:hep-th/0302201 Quantum order from string-net condensations and origin of light and  massless fermions Xiao-Gang Wen 

An origin and unification of photons/gluons and leptons/quarks from qubits was proposed. But the SU(2) gluons couple to left-hand and right-hind fermions equally, while in our world the SU(2) gluons couple to left-hand and right-hind fermions differently. 我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer


3. http://dao.mit.edu/~wen/talks/LightStory.htm

simple introduction to  origin of light from qubits 


4. arXiv:1210.1281  Topological order: from long-range entangled quantum matter to an  unification of light and electrons Xiao-Gang Wen

An origin and unification of light and electrons from qubits in more details.


5. The universe is quantum computer Seth Lloyd

 The universe is quantum computer is simply another way  to say (抓眼球的表达) quantum theory describes our world.


我们生活在一个量子计算机里 <wbr>We <wbr>live <wbr>inside <wbr>a <wbr>quantum <wbr>computer


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