第29章 信息生命體(八)

  6.非生命物理係統

  到目前為止,我們(men)主要討論的都是生物學的(de)例子,但為了進一步實現理解生物集(jí)群獨有特征的目標,我們還必須理(lǐ)解所關心這些特性在非生命係(xì)統中出現在哪裏。例如,有(yǒu)些非生命的(de)、純物理係統允許我(wǒ)們在沒有生物組織的情況下研究(jiū)可控性。引(yǐn)力體()、範德瓦爾斯氣體()和(hé)自旋玻璃(s)都是潛在作為純(chún)物理複(fù)雜係統的例(lì)子。不幸的是,這些係統中的絕大多數從(cóng)未進行(háng)過任何形式(shì)的(de)可(kě)控性分析,因為幾乎沒有控製它們的實際需求。耦合量子係統是個例外,由於量子計算的潛力人們對其(qí)可控性進行了嚴格的核查。

  盡管對量子係統可控性的全麵回顧超出了本文的範圍,但值得指出一(yī)些與網絡可(kě)控性相關比較突出的結果。最值得注意的是,許多耦合的量子係統隻需通(tōng)過操縱一個或兩個量子比特就可以實現完全可控性,其作用類似於網絡控製理論中的驅動節點。若通過使(shǐ)用某種形式的外部控(kòng)製可以訪問整個希爾伯(bó)特空間(jiān),那麽一個量子係統就被稱為是完全可控的(.)。

  給定足夠的外部控製量,任何係統都(dōu)應該是完全可控的。例如如果可以控(kòng)製一(yī)個係統每(měi)個單獨的自旋,那麽一個耦合的自旋-粒子鏈將是在極(jí)其精細下完全可控的。更有(yǒu)趣是,為了完全控製係統,量(liàng)子係統需要的最小(xiǎo)外(wài)部控(kòng)製是(shì)什麽,這與等人()等人在網絡可控性方麵提出的問題一樣,答案也驚人的相似。具體來說(shuō),等人()研(yán)究了一種通過各向同性海(hǎi)森堡型(-)相互(hù)作用耦合在一起自旋為-的粒子鏈的完全可控性條件,發現通過兩個非(fēi)對(duì)易(-)的外部控製對鏈末端(duān)單個節點的狀態,就足(zú)以對網絡(luò)實現完全可控性。

  類似地,在具有型相互作用的海森堡型自旋鏈中(Z自旋分量之間沒有耦合),隻需操縱單個(gè)位點及與鄰近(jìn)位點的相(xiàng)互作用就可以實現完全可控性(.;&-)。然(rán)而也並非所有自旋鏈係統都如此容(róng)易控製。例如,伊辛型(-)的(de)相互作用需要對每個局部自旋進行控製才能實現完全可控(kòng)(.)。事實(shí)上,就像網絡可控性一樣,很難判斷給定的拓撲結構和交互類型是否能在少數驅動節點上產生完全可控性,量子可控性領域的(de)許多研究都集中在解決這個問題上。

  現在還很難知道(dào)量子係統的非經典性是否會影響我們對純物理(lǐ)係統(tǒng)控製的理解。但可以明確的是,這些係統中的一(yī)些係(xì)統要麽通過少量的(de)局部相(xiàng)互(hù)作用實現全局控製(zhì),要麽需要(yào)對每(měi)個組件進行(háng)操縱。這(zhè)與“控製核“部分提到的對複雜網絡可控性的研究是一致的:與隨機網絡相比,包(bāo)括生(shēng)物網絡在內的無標度(dù)網絡往往需要更多的驅動節點來實現完全可控性,但又(yòu)少於完全斷開連接的網絡,僅僅需要對每(měi)個(gè)節點進(jìn)行操縱(zòng)。這可能表(biǎo)明,生物(wù)係統的可控性特征(zhēng)程度在於臨界狀態,與很(hěn)多時候生物係統(tǒng)動力學中的臨界的狀態相似(見“臨界性(xìng)”部分)。因此總的來說,在對生命群體進行(háng)分析的同時,對物理集群係統進行更廣泛的分析,可能會被證明更富有成效,可以準確確定哪(nǎ)些特征是生命中物理所特有的(de),而非作為物理宇宙中(zhōng)一個更廣泛(fàn)的屬性。

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