Jak natura przyczyny i skutku określi przyszłość technologii kwantowej?

Oto ciekawe pytanie: czy pewne zdarzenia fizyczne nie mają przyczyny, czy też istnieje powód każdego działania?

Ta zagadka leży w sercu jednej z najdziwniejszych dziedzin nauki fundamentalnej. I zdziwiło to jedne z największych umysłów w historii nauki.

Ma to jednak również ważne konsekwencje dla nowych technologii, takich jak obliczenia kwantowe i kryptografia kwantowa. Może nawet leżeć w sercu zupełnie nowej dziedziny nauki, która zmienia nasze rozumienie przyczyny i skutku.

Dziś otrzymujemy odpowiedź na to pytanie, dzięki pracy Morgana Mitchella z Instytutu Nauki i Technologii w Barcelonie w Hiszpanii, wraz z dziesiątkami współpracowników i ponad 100 000 eksperymentatorów na całym świecie, którzy przeprowadzili unikalny test jednego z najbardziej mylące przewidywania teorii kwantowej.

Ich wniosek jest taki, że nie musi być wyjaśnienia dla każdego działania. Jeśli ludzka wola jest wolna, istnieją zdarzenia fizyczne bez przyczyn, mówią Mitchell i spółka. Ich badania wykorzystują naukę opartą na dowodach, aby po raz pierwszy połączyć metafizyczną koncepcję wolnej woli z podstawową fizyką.

Najpierw trochę tła. Jedną z osobliwych cech mechaniki kwantowej jest to, że pozwala ona cząstkom kwantowym utworzonym w tym samym punkcie w przestrzeni i czasie dzielić to samo istnienie. To połączenie jest znane jako splątanie i pozostaje nienaruszone bez względu na to, jak daleko od siebie poruszają się te cząstki.

Dziwną rzeczą w splątaniu jest to, że łączy jeden punkt we wszechświecie z innym punktem bez przekraczania odległości pomiędzy nimi. Tak więc pomiar na jednym natychmiast wpływa na drugi, bez względu na odległość.

To od dawna zagadka, ponieważ nie ma sposobu, aby jedna cząstka wpływała na drugą bez wysyłania sygnałów szybszych od światła, a fizycy są prawie pewni, że tak się nie dzieje.

Ale jest jeszcze inne potencjalne wytłumaczenie. Oznacza to, że obie cząstki są skorelowane w ukryty sposób, którego fizycy jeszcze nie rozumieją. Ale gdyby można było zmierzyć tę ukrytą zmienną, fizycy zobaczyliby, jak określa ona zachowanie obu cząstek.

Zgodnie z tym sposobem myślenia zachowanie kwantowe jest całkowicie deterministyczne i wszystko, co dzieje się w skali kwantowej, ma swoje uzasadnienie. Ta ukryta zmienna musi być częścią głębszej teorii rzeczywistości.

Rodzi to oczywiste pytanie: jeśli istnieje głębsza teoria rzeczywistości, jak możemy znaleźć na to dowody?

W latach 60. John Bell, wówczas mało znany fizyk w CERN, zainteresował się tym problemem. Einstein bezskutecznie zmagał się z tym w latach trzydziestych XX wieku, ale od tego czasu kolejne pokolenia fizyków zmiotły problem pod dywan, niechętnych zajmowaniu się ideą, że może istnieć bardziej fundamentalna teoria niż mechanika kwantowa.

W przeciwieństwie do tego Bell chwycił problem za kark. Wykazał, że jeśli podstawą, na której zbudowano mechanikę kwantową, byłaby teoria ukrytych zmiennych, wszechświat zachowywałby się w nieco inny sposób, niż gdyby mechanika kwantowa była samą podstawą. I co najważniejsze, pokazał, jak tę różnicę można zmierzyć.

Test Bella mierzy właściwości dwóch splątanych cząstek — zasadniczo, jak pomiar jednej z nich wpływa na drugą. Gdyby teoria ukrytych zmiennych była prawdziwa, wynik byłby jeden; jeśli nie, inny wynik.

Pod koniec lat 60. test Bella był poza możliwościami fizyków kwantowych. Wymagało to niezawodnego źródła splątanych cząstek, którego w tamtych czasach nie można było wyprodukować. I wymagało to wielu pomiarów, aby zebrać dowody statystyczne potrzebne do przekonania fizyków.

Dopiero w 1982 roku technologia była na tyle zaawansowana, że ​​można było przeprowadzić test Bella. Eksperyment jasno wykazał, że ukryte teorie zmiennych były niezgodne z wynikami. Test Bella wykazał, że sposób, w jaki jedna splątana cząstka wpływała na inną, nie był wynikiem ukrytej zmiennej rządzonej przez zasady deterministyczne. Innymi słowy, proces przyczyny i skutku nie mógł wyjaśnić tego wpływu.

Ten wynik był tak zawrotny i głęboki, że większość fizyków po prostu go zignorowała. Ale mała grupa fizyków kwantowych zaczęła badać to bardziej szczegółowo.

Martwili się, że eksperyment miał ważną lukę. Test Bella wymaga wykonania pewnych pomiarów z losowymi ustawieniami. Na przykład splątany foton mógłby zostać przesłany przez filtr polaryzacyjny ustawiony pod losowo wybranym kątem.

Prawdziwa losowość jest ważna, ponieważ nie ma ukrytego wzorca, który mógłby być określony przez teorię ukrytych zmiennych. Jeśli jednak ustawienia w teście nie były losowe, ale miały wpływ na ukrytą zmienną, wyniki byłyby nieważne, a eksperyment nieważny.

Ale oto trudność. Zagwarantowanie prawdziwej losowości jest trudne. Fizycy potrafią obliczać liczby pozornie losowe, ale proces ten zależy od praw fizyki, a zatem od teorii ukrytych zmiennych, jeśli taka istnieje. Rzeczywiście, jeśli działa teoria ukrytych zmiennych, to rządzi ona całym wszechświatem i każdym jego procesem, w tym każdym procesem deterministycznym użytym do przygotowania eksperymentu.

Od 1982 roku fizycy przeprowadzili wiele testów Bella. Rzeczywiście, stały się rutyną w laboratoriach optyki kwantowej i kluczową częścią protokołów wykorzystywanych w powstających technologiach, takich jak kryptografia kwantowa. Każdy z tych testów sugeruje, że teoria ukrytych zmiennych nie może być prawdziwa. Ale jednocześnie każdy test może być ofiarą tej samej luki.

Dla Bella istniała jedna potencjalna droga wyjścia z tej zagadki – użycie ludzkiej wolnej woli. W zasadzie wolna wola pozwala nam wybrać dowolne otoczenie eksperymentu, niezależnie od roli teorii zmiennej ukrytej. Tak więc ostateczny test Bella polegałby na tym, że ludzie wybierali ustawienia w eksperymencie, aby zamknąć tę lukę wolności wyboru.

Łatwiej powiedzieć niż zrobić. Typowy test Bella obejmuje miliony splątanych par i miliony zmian w ustawieniach eksperymentalnych w ciągu kilku godzin. Ale pojedynczy człowiek kontrolujący te ustawienia mógł je zmienić nie szybciej niż około 3 bity na sekundę. Oczywiście taki eksperyment byłby niepraktyczny.

W tym miejscu wkracza Mitchell i jego koledzy. Ich pomysł polegał na pozyskiwaniu niezbędnych ludzkich wpływów. Tak więc przez 12 godzin 30 listopada 2016 r. zebrali 100 000 ochotników – tak zwanych Bellsterów – z całego świata, aby wygenerować losowe bity, które następnie można wykorzystać do kontrolowania ustawień w 13 różnych testach pomysłów Bella.

Aby konsekwentnie produkować wystarczającą ilość danych, Mitchell i spółka. grywalizując proces produkcji bitów, dając graczom punkty i nagrody za osiągnięcie określonych celów. Bity były następnie przesyłane ze stałą szybkością 1000 bitów na sekundę do laboratoriów na całym świecie, które zgodziły się przeprowadzić test Bella na różne sposoby, używając fotonów jako cząstek kwantowych, atomów, a nawet nadprzewodników w niezliczonych kombinacjach.

Samo w sobie jest to imponujące osiągnięcie. Zaangażowanie 100 000 wolontariuszy z całego świata do pracy nad eksperymentem w tym samym czasie w ciągu jednego dnia jest znaczącym osiągnięciem według wszelkich standardów. Ciekawie będzie zobaczyć, jak tego rodzaju możliwości crowdsourcingu można wykorzystać w przyszłości.

Ale prawdziwym celem jest sam eksperyment, a wyniki są jednoznaczne. Wszystkie 13 eksperymentów przyniosło wyniki, które zdecydowanie obalają możliwość istnienia teorii ukrytych zmiennych. I zamykają lukę w wolności wyboru tak dalece, jak to tylko możliwe. Wyniki pokazują empirycznie, że sprawczość człowieka jest nie do pogodzenia z determinizmem przyczynowym, pytaniem wcześniej dostępnym tylko dla metafizyki, powiedzmy Mitchell i spółka.

To dobra wiadomość dla wielu powstających technologii kwantowych, które opierają się na testach Bella, takich jak teleportacja kwantowa i kryptografia kwantowa. Istnienie teorii ukrytych zmiennych sugerowałoby na przykład, że kryptografia kwantowa może nie być całkowicie bezpieczna.

Oczywiście ten test Wielkiego Dzwonu nie jest doskonały. Ludzie rządzą się prawami fizyki w taki sam sposób, jak wszystkimi innymi przedmiotami. Rzeczywiście, jesteśmy po prostu skomplikowanymi maszynami, w zasadzie niczym nie różniącymi się od innych maszyn, które potrafią kręcić tarczami i zmieniać eksperymentalne ustawienia.

Tak więc ludzka wolna wola nie ma szczególnego statusu we wszechświecie, a jeśli teoria ukrytych zmiennych rządzi wszechświatem, musi również rządzić naszą wolną wolą. W takim przypadku ludzka wola nie byłaby wolna, lecz ostatecznie rządzona przez deterministyczny system ukrytych zmiennych.

Tak więc Test Wielkiego Dzwonu nie zamyka wszystkich luk. Sugeruje jednak, że jeśli pod mechaniką kwantową istnieje głębsza rzeczywistość, nie będzie ona dla nas dostępna.

A co z pierwotnym pytaniem: czy pewne zdarzenia fizyczne nie mają przyczyny?

Test Wielkiego Dzwonu dostarcza odpowiedzi, aczkolwiek warunkowej odmiany. Odpowiedź brzmi: jeśli ludzie mają wolną wolę, to niektóre wydarzenia fizyczne nie mają przyczyny.

I to jest odskocznią dla zupełnie nowego zestawu fundamentalnych eksperymentów dotyczących natury przyczyny i skutku. Mechanika kwantowa — aw szczególności testy Bella — zacierają różnicę między przyczyną a skutkiem. Dlatego fizycy badają granice tych pomysłów, aby zobaczyć, jak można je wykorzystać w urządzeniach komputerowych, algorytmach bezpieczeństwa i tym podobnych. Wczesne wyniki są obiecująco niejednoznaczne, chociaż minie trochę czasu, zanim trafią do codziennych zastosowań.

Minęło 50 lat odkąd Bell przedstawił swoje kontrowersyjne pomysły, ale testy Bella leżą teraz w centrum nadchodzącej rewolucji w technologii kwantowej. Z pewnością byłby optymistą, że nadejdzie dalszy postęp.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1805.04431 : Zakwestionowanie lokalnego realizmu ludzkimi wyborami

ukryć