Pierwszy dowód na to, że procesy kwantowe generują naprawdę losowe liczby

Wśród fizyków narasta przekonanie, że wszystkie procesy fizyczne można rozpatrywać w kategoriach informacji, które przechowują i przetwarzają; według niektórych rachunków informacja jest podstawową jednostką egzystencji w naszym kosmosie. Takie myślenie ma niezwykłe implikacje: oznacza, że ​​rzeczywistość jest rodzajem obliczeń, w których podstawowe procesy po prostu przedzierają się przez ogromne podłoże informacji.

A jednak jest to sprzeczne z innym wielkim wyzwaniem, przed którym stoi współczesna nauka: zrozumieniem natury losowości. Podczas gdy informację można zdefiniować jako uporządkowaną sekwencję symboli, losowość jest przeciwieństwem porządku, brakiem wzorca. Jedną z podstawowych cech prawdziwej losowości jest to, że nie może być stworzona przez komputer, w przeciwnym razie nie byłaby losowa, co stwarza problem apetyczny.

Jeśli wszystkie procesy fizyczne we wszechświecie są obliczeniami ciągłymi, jak powstaje losowość? Jaki proces może odpowiadać za jego powstanie?

Do niedawna matematycy mogli badać wyłącznie losowość generowaną przez klasyczne procesy fizyczne, takie jak rzuty monetą lub programy komputerowe, które generują tak zwaną pseudolosowość. Ponieważ procesy fizyczne, takie jak rzuty monetą, trudno udowodnić bezstronnie i trudno nimi zarządzać, generatorami liczb losowych dla koni roboczych są programy takie jak Mathematica, które wykorzystują interesujące właściwości automatów komórkowych do generowania pseudolosowych sekwencji liczb. Inną metodą jest po prostu wybranie sekwencji liczb z cyfr liczby niewymiernej, takiej jak pi.

To wygląda i wydaje się przypadkowe, ale ponieważ można je obliczyć, matematycy traktują to z podejrzliwością.

Ale w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy odkryli nowe źródło losowości, którego nie może wytworzyć program komputerowy. Nazywa się to losowością algorytmiczną i jest złotym standardem, jeśli chodzi o brak porządku. Nowym źródłem tej przypadkowości jest świat kwantowy, który pochodzi z wykorzystywania procesów kwantowych, takich jak przepuszczanie lub odbijanie fotonu przez półsrebrne lustro.

Powinno to dawać sekwencje, których komputer nigdy nie może stworzyć. Ale czy te sekwencje są wymiernie różne od tych wytwarzanych przez komputery?

To pytanie rozstrzyga dzisiaj Cristian Calude z Uniwersytetu w Auckland w Nowej Zelandii i kilku kolegów. Ci goście przeprowadzili pierwsze eksperymentalne porównanie losowości generowanej na różne sposoby i zrobili to na ogromną skalę, używając sekwencji o długości 2^32.

Calude i wspólnie porównują kilka odmian losowych sekwencji wygenerowanych na różne sposoby. Sekwencje pochodzą z kwantowego generatora liczb losowych o nazwie Ile , inny od fizyków z Wiednia, którzy również wykorzystują procesy kwantowe, używają również konwencjonalnych sekwencji generowanych przez programy komputerowe, takie jak Mathematica i Maple, a także sekwencji 2^32 bitów z binarnego rozwinięcia liczby pi.

Zespół wykorzystuje do porównania cztery różne testy, które dzielą się na cztery kategorie oparte na algorytmicznej teorii informacji, testy statystyczne obejmujące liczenie częstotliwości, test oparty na teorii informacji Shannona i wreszcie test oparty na błądzeniu losowym.

Wyniki pokazują, że sekwencja wygenerowana przez Quantis jest łatwa do odróżnienia od innych zestawów danych. To, powiedzmy, Calude i co, jest dowodem na to, że losowość kwantowa jest rzeczywiście nieobliczalna. Oznacza to, że nie mógł zostać wygenerowany przez komputer.

Co ważne, pozostawiają bez odpowiedzi pytanie, na ile przekonujące są te dowody, że zebrali, a zamiast tego dokładają wszelkich starań, aby wskazać, że nie można udowodnić absolutnej przypadkowości.

Niemniej jednak, jeśli ten dowód weźmie się za dobrą monetę, pozostawia nas przed poważnym dylematem pojęciowym. Z jednej strony pokazuje, że Quantis tworzy ciągi liczb losowych, których komputer nie może wygenerować. A jednak sam Quantis jest maszyną, która musi manipulować informacjami w sposób, na jaki pozwalają prawa fizyki – musi to być rodzaj komputera.

Ta sprzeczność może tylko oznaczać, że coś jest nie tak ze sposobem, w jaki myślimy o losowości, informacji lub obu (a przynajmniej w sposobie, w jaki to tutaj ustawiłem).

Oczywiście odpowiedź musi leżeć w naturze informacji w świecie kwantowym. Łatwo jest zdefiniować informację klasycznie jako uporządkowaną sekwencję symboli. Ale ta definicja rozpada się, gdy tylko te symbole nabierają charakteru kwantowego.

Jeśli każdy bit może być jednocześnie 1 i 0, co to znaczy, że taka sekwencja jest uporządkowana? Podobnie, jak wyglądałby brak porządku w takiej sekwencji kwantowej?

To właśnie w rozwiązywaniu tych pytań natura naszego wszechświata jest rozrywana.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1004.1521 : Eksperymentalny dowód nieobliczalności losowości kwantowej

ukryć