Kaip priežasties ir pasekmės pobūdis nulems kvantinės technologijos ateitį

Štai įdomus klausimas: ar tam tikri fiziniai įvykiai neturi priežasties, ar už kiekvieną veiksmą slypi priežastis?

Ši mįslė glūdi vienos keisčiausių fundamentinio mokslo sričių esmė. Ir tai suglumino kai kuriuos didžiausius protus mokslo istorijoje.

Tačiau tai taip pat turi svarbių pasekmių naujoms technologijoms, tokioms kaip kvantinė kompiuterija ir kvantinė kriptografija. Tai netgi gali būti visiškai naujos mokslo srities, keičiančios mūsų supratimą apie priežastis ir pasekmes, esmė.

Šiandien mes gauname atsakymą į šį klausimą dėka Morgano Mitchello darbo Barselonos mokslo ir technologijų institute Ispanijoje, taip pat dešimčių bendradarbių ir daugiau nei 100 000 eksperimentuotojų visame pasaulyje, kurie atliko unikalų vieno iš labiausiai klaidinančios kvantinės teorijos prognozės.

Jų išvada tokia, kad nereikia paaiškinti kiekvieno veiksmo. Jei žmogaus valia yra laisva, yra fizinių įvykių be priežasčių, sako Mitchellas ir kt. Jų tyrimai naudoja įrodymais pagrįstą mokslą, kad pirmą kartą susietų metafizinę laisvos valios sampratą su pagrindine fizika.

Pirma, šiek tiek fono. Viena iš įdomiausių kvantinės mechanikos ypatybių yra ta, kad ji leidžia kvantinėms dalelėms, sukurtoms tame pačiame erdvės ir laiko taške, turėti tą patį egzistavimą. Šis ryšys yra žinomas kaip įsipainiojimas ir išlieka nepakitęs, nesvarbu, kiek toli vienas nuo kito juda šios dalelės.

Keistas dalykas, susijęs su įsipainiojimu, yra tai, kad jis sujungia vieną visatos tašką su kitu tašku, neperžengdamas atstumo tarp jų. Taigi vieno matavimas akimirksniu paveikia kitą, kad ir kaip toli jis būtų.

Tai ilgai trunkantis galvosūkis, nes nėra būdo, kad viena dalelė paveiktų kitą, nesiunčiant greitesnių už šviesą signalų, o fizikai yra gana tikri, kad tai ne tai, kas vyksta.

Tačiau yra ir kitas galimas paaiškinimas. Tai yra tai, kad abi dalelės yra koreliuojamos paslėptu būdu, kurio fizikai dar nesupranta. Tačiau jei būtų įmanoma išmatuoti šį paslėptą kintamąjį, fizikai pamatytų, kaip jis lemia abiejų dalelių elgesį.

Pagal šį mąstymo būdą kvantinis elgesys yra visiškai deterministinis ir viskam, kas vyksta kvantinėje skalėje, yra priežastis. Šis paslėptas kintamasis turi būti gilesnės tikrovės teorijos dalis.

Tai kelia akivaizdų klausimą: jei yra gilesnė tikrovės teorija, kaip galime rasti jos įrodymų?

1960-aisiais Johnas Bellas, tuomet neaiškus fizikas CERN, susirūpino šia problema. Einšteinas nesėkmingai kovojo su ja dar XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, tačiau nuo tada fizikų kartos šią problemą nušlavė po kilimu, nenorėdamos susidoroti su mintimi, kad gali būti ir svarbesnė teorija nei kvantinė mechanika.

Priešingai, Bellas problemą suvokė per kaklo raižą. Jis parodė, kad jei paslėpta kintamųjų teorija būtų pamatinė uoliena, ant kurios buvo pastatyta kvantinė mechanika, visata elgtųsi subtiliai kitaip nei tuo atveju, jei kvantinė mechanika būtų vien tik pamatinė uoliena. Ir svarbiausia, jis parodė, kaip galima išmatuoti šį skirtumą.

Bello testas matuoja dviejų įsipainiojusių dalelių savybes – iš esmės tai, kaip vienos matavimas veikia kitą. Jei paslėptų kintamųjų teorija būtų teisinga, būtų vienas rezultatas; jei netiesa, rezultatas kitoks.

1960-ųjų pabaigoje Bell testas buvo už kvantinių fizikų galimybių. Tam reikėjo patikimo įsipainiojusių dalelių šaltinio, kurio tais laikais buvo neįmanoma pagaminti. Ir reikėjo atlikti daugybę matavimų, kad būtų surinkti statistiniai įrodymai, reikalingi fizikus įtikinti.

Tik 1982 m. technologija buvo pakankamai pažengusi, kad būtų galima atlikti Bell testą. Ir eksperimentas aiškiai parodė, kad paslėptų kintamųjų teorijos nesuderinamos su rezultatais. Bell testas parodė, kad tai, kaip viena įsipainiojusi dalelė paveikė kitą, nebuvo paslėpto kintamojo, valdomo deterministiniais principais, rezultatas. Kitaip tariant, priežasties ir pasekmės procesas negalėjo paaiškinti šios įtakos.

Šis rezultatas buvo toks verčiantis mintis ir gilus, kad dauguma fizikų jį tiesiog ignoravo. Tačiau nedidelė kvantinių fizikų grupė pradėjo tai išsamiau tirti.

Jie nerimavo, kad eksperimentas turėjo svarbią spragą. Bello testas reikalauja, kad tam tikri matavimai būtų atlikti atsitiktiniais nustatymais. Pavyzdžiui, įsipainiojęs fotonas gali būti siunčiamas per poliarizuojantį filtrą, nustatytą atsitiktinai pasirinktu kampu.

Tikras atsitiktinumas yra svarbus, nes jis neturi pagrindinio modelio, kurį galėtų nustatyti paslėpta kintamųjų teorija. Tačiau jei testo nustatymai būtų ne atsitiktiniai, o paveikti paslėpto kintamojo, rezultatai būtų negaliojantys, o eksperimentas negaliojantis.

Bet čia yra sunkumas. Garantuoti tikrą atsitiktinumą sunku. Fizikai gali apskaičiuoti iš pažiūros atsitiktinius skaičius, tačiau šis procesas priklauso nuo fizikos dėsnių, taigi ir nuo bet kokios paslėptos kintamųjų teorijos, jei ji egzistuoja. Iš tiesų, jei veikia paslėptų kintamųjų teorija, ji valdo visą visatą ir kiekvieną joje vykstantį procesą, įskaitant bet kokį deterministinį procesą, naudojamą eksperimentui nustatyti.

Nuo 1982 m. fizikai atliko daugybę Bell testų. Iš tiesų, jie tapo įprasta kvantinės optikos laboratorijose ir yra pagrindinė protokolų, naudojamų naujose technologijose, pavyzdžiui, kvantinėje kriptografijoje, dalis. Kiekvienas iš šių testų rodo, kad paslėptų kintamųjų teorija negali būti teisinga. Tačiau tuo pačiu metu kiekvienas testas gali tapti tos pačios spragos auka.

Bellui buvo viena galima išeitis iš šios galvosūkio – pasinaudoti žmogaus laisva valia. Iš esmės laisva valia leidžia pasirinkti bet kokį eksperimento parametrą, nepaisant paslėpto kintamojo teorijos vaidmens. Taigi galutinis Bell testas apimtų žmones, kurie pasirinktų eksperimento nustatymus, kad pašalintų šią pasirinkimo laisvės spragą.

Tai lengviau pasakyti nei padaryti. Įprastas Bell testas apima milijonus susipynusių porų ir milijonus eksperimentinių nustatymų pakeitimų per kelias valandas. Tačiau vienas žmogus, valdantis šiuos nustatymus, galėtų juos pakeisti ne greičiau kaip apie 3 bitus per sekundę. Akivaizdu, kad toks eksperimentas būtų nepraktiškas.

Štai čia ateina Mitchellas ir jo kolegos. Jų idėja buvo sutelkti reikiamą žmogaus įtaką. Taigi 2016 m. lapkričio 30 d. 12 valandų jie subūrė 100 000 savanorių, vadinamųjų Bellsterių, iš viso pasaulio, kad sugeneruotų atsitiktinius bitus, kuriuos vėliau būtų galima naudoti 13 skirtingų Bell idėjų testų nustatymams valdyti.

Norėdami nuosekliai pateikti pakankamai duomenų, Mitchell ir co. žaismingas bitų gamybos procesas, suteikiant žaidėjams balus ir atlygį už tam tikrų tikslų pasiekimą. Tada bitai buvo tiekiami pastoviu 1000 bitų per sekundę greičiu laboratorijoms visame pasaulyje, kurios sutiko įvairiais būdais atlikti Bell testą, naudojant fotonus kaip kvantines daleles, atomus ir net superlaidininkus daugybėje kombinacijų.

Pats savaime tai įspūdingas pasiekimas. 100 000 savanorių iš viso pasaulio įtraukimas į eksperimentą tuo pačiu metu per vieną dieną yra reikšmingas pasiekimas pagal bet kokius standartus. Bus įdomu pamatyti, kaip ateityje bus galima panaudoti tokią sutelktinio tiekimo galimybę.

Tačiau pats eksperimentas yra pagrindinis dėmesys, o rezultatai yra nedviprasmiški. Visi 13 eksperimentų davė rezultatų, kurie stipriai paneigia paslėptos kintamosios teorijos galimybę. Ir jie uždaro pasirinkimo laisvės spragą tiek, kiek tai įmanoma. Rezultatai empiriškai rodo, kad žmogaus veiksnumas nesuderinamas su priežastiniu determinizmu – šiuo klausimu anksčiau buvo prieinama tik metafizikai, sako Mitchell ir kt.

Tai gera žinia daugeliui naujų kvantinių technologijų, kurios remiasi Bell testais, pavyzdžiui, kvantine teleportacija ir kvantine kriptografija. Pavyzdžiui, paslėptų kintamųjų teorijos egzistavimas reikštų, kad kvantinė kriptografija gali būti ne visiškai saugi.

Žinoma, šis „Big Bell“ testas nėra tobulas. Žmones valdo fizikos dėsniai taip pat, kaip ir visus kitus objektus. Iš tiesų, mes esame tiesiog sudėtingi įrenginiai, iš esmės nesiskiriantys nuo bet kurio kito įrenginio, galinčio sukti ratukus ir keisti eksperimentinius nustatymus.

Taigi žmogaus laisva valia neturi ypatingo statuso visatoje, ir jei paslėptų kintamųjų teorija valdo visatą, ji turi valdyti ir mūsų laisvą valią. Tokiu atveju žmogaus valia nebūtų laisva, bet galiausiai valdoma deterministinės paslėptų kintamųjų sistemos.

Taigi „Big Bell“ testas nepašalina visų spragų. Tačiau tai rodo, kad jei po kvantine mechanika yra gilesnė realybė, ji mums nebus prieinama.

Taigi kaip dėl pradinio klausimo: ar tam tikri fiziniai įvykiai neturi priežasties?

„Big Bell“ testas pateikia atsakymą, nors ir sąlyginį. Atsakymas yra toks: jei žmonės turi laisvą valią, kai kurie fiziniai įvykiai neturi priežasties.

Ir tai yra žingsnis į visiškai naują pamatinių eksperimentų rinkinį dėl priežasties ir pasekmės pobūdžio. Kvantinė mechanika ir ypač Bell testai ištrina skirtumą tarp priežasties ir pasekmės. Taigi fizikai tyrinėja šių idėjų ribas, siekdami išsiaiškinti, kaip jas galima panaudoti skaičiavimo įrenginiuose, saugos algoritmuose ir panašiai. Ankstyvieji rezultatai yra daug žadantys dviprasmiški, nors praeis šiek tiek laiko, kol jie atsidurs kasdienėse programose.

Praėjo 50 metų nuo tada, kai Bellas pateikė prieštaringas idėjas, tačiau Bell testai dabar yra kylančios kvantinių technologijų revoliucijos pagrindas. Jis tikrai būtų optimistiškai nusiteikęs, kad bus pasiekta tolesnė pažanga.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1805.04431 : Iššūkis vietiniam realizmui žmogaus pasirinkimu

paslėpti