Pirmasis įrodymas, kad kvantiniai procesai generuoja tikrai atsitiktinius skaičius

Fizikai vis labiau supranta, kad visi fiziniai procesai gali būti vertinami atsižvelgiant į informaciją, kurią jie saugo ir apdoroja; kai kuriais atvejais informacija yra pagrindinis mūsų kosmoso egzistavimo vienetas. Toks mąstymas turi nepaprastų pasekmių: tai reiškia, kad tikrovė yra tam tikras skaičiavimas, kuriame pagrindiniai veikiantys procesai tiesiog prasiskverbia per didžiulę informacijos bazę.

Ir vis dėlto tai prieštarauja kitam didžiuliam iššūkiui, su kuriuo susiduria šiuolaikinis mokslas: atsitiktinumo prigimties supratimui. Nors informaciją galima apibrėžti kaip sutvarkytą simbolių seką, atsitiktinumas yra priešinga tvarkai, modelio nebuvimui. Vienas iš pagrindinių tikrojo atsitiktinumo bruožų yra tai, kad jo negalima sukurti kompiuteriu, kitaip jis nebūtų atsitiktinis, o tai sukelia burnoje tirpstančią problemą.

Jei visi fiziniai procesai visatoje yra nuolatiniai skaičiavimai, kaip atsiranda atsitiktinumas? Koks procesas gali būti atsakingas už jo sukūrimą?

Dar visai neseniai matematikai galėjo tirti tik atsitiktinumus, kuriuos generavo klasikiniai fiziniai procesai, tokie kaip monetų mėtymas arba kompiuterinės programos, generuojančios vadinamąjį pseudoatsitiktinumą. Kadangi fizinius procesus, tokius kaip monetų mėtymas, sunku įrodyti nešališkus ir juos sunku valdyti, darbo arklio atsitiktinių skaičių generatoriai yra tokios programos kaip Mathematica, kuri naudoja įdomias korinio automatų savybes, kad generuotų psedoracines skaičių sekas. Kitas būdas yra tiesiog pasirinkti skaičių seką iš neracionalaus skaičiaus, pavyzdžiui, pi, skaitmenų.

Ši medžiaga atrodo ir atrodo atsitiktinė, tačiau kadangi ją galima apskaičiuoti, matematikai į tai žiūri įtariai.

Tačiau per pastaruosius kelerius metus mokslininkai rado naują atsitiktinumo šaltinį, kurio negali sukurti kompiuterinė programa. Tai vadinama algoritminiu atsitiktinumu ir yra auksinis standartas, kai kalbama apie tvarkos nebuvimą. Naujas šio atsitiktinumo šaltinis yra kvantinis pasaulis ir atsiranda naudojant kvantinius procesus, pavyzdžiui, ar fotonas perduodamas, ar atspindimas pusiau sidabruoto veidrodžio.

Tai turėtų sukurti sekas, kurių niekada negali sukurti kompiuteris. Bet ar šios sekos išmatuojamai skiriasi nuo tų, kurias sukuria kompiuteriai?

Šį klausimą šiandien išsprendžia Cristianas Calude'as iš Oklando universiteto Naujojoje Zelandijoje ir keli jo draugai. Šie vaikinai atliko pirmąjį eksperimentinį atsitiktinumo, sugeneruoto šiais skirtingais būdais, palyginimą ir padarė tai didžiuliu mastu, naudodami 2^32 ilgio sekas.

„Calude“ ir „co“ palygina keletą skirtingais būdais sugeneruotų atsitiktinių sekų skonių. Sekos gaunamos iš kvantinio atsitiktinių skaičių generatoriaus, vadinamo Kiek , dar vienas iš Vienos fizikų, kurie taip pat naudoja kvantinius procesus, jie taip pat naudoja įprastas sekas, sukurtas kompiuterinėmis programomis, tokiomis kaip Mathematica ir Maple, taip pat 2^32 bitų seką iš dvejetainio pi išplėtimo.

Palyginimui komanda naudoja keturis skirtingus testus, kurie skirstomi į keturias kategorijas, pagrįstas algoritminės informacijos teorija, statistiniais testais, apimančiais dažnių skaičiavimus, testą, pagrįstą Šenono informacijos teorija, ir galiausiai testą, pagrįstą atsitiktiniais pasivaikščiojimais.

Rezultatai rodo, kad Quantis sukurta seka yra lengvai atskiriama nuo kitų duomenų rinkinių. Tai, pasak Calude ir co, yra įrodymas, kad kvantinis atsitiktinumas iš tikrųjų yra neapskaičiuojamas. Tai reiškia, kad jo negalėjo sugeneruoti kompiuteris.

Svarbu tai, kad jie palieka neatsakytą klausimą, ar šie surinkti įrodymai yra įtikinami, o užuot kreipiasi į tai, kad neįmanoma įrodyti absoliutaus atsitiktinumo.

Nepaisant to, jei šie įrodymai vertinami nominalia verte, tai palieka mums didelę konceptualią dilemą. Viena vertus, tai rodo, kad Quantis sukuria atsitiktinių skaičių sekas, kurių negali sugeneruoti kompiuteris. Ir vis dėlto pats Quantis yra mašina, kuri turi dirbti manipuliuodama informacija taip, kaip leidžia fizikos dėsniai – tai turi būti tam tikras kompiuteris.

Šis prieštaravimas gali reikšti tik tai, kad kažkas negerai galvojant apie atsitiktinumą, informaciją arba abu (arba bent jau tai, kaip aš tai nustatiau).

Žinoma, atsakymas turi slypėti informacijos prigimtyje kvantiniame pasaulyje. Pakankamai lengva informaciją klasikiniu būdu apibrėžti kaip sutvarkytą simbolių seką. Tačiau šis apibrėžimas žlunga, kai tik šie simboliai tampa kvantinės prigimties.

Jei kiekvienas bitas vienu metu gali būti ir 1, ir 0, ką reiškia, kad tokia seka yra tvarkinga? Lygiai taip pat kaip atrodytų tvarkos nebuvimas tokioje kvantinėje sekoje?

Sprendžiant šiuos klausimus mūsų visatos prigimtis yra erzinama.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1004.1521 : Eksperimentinis kvantinio atsitiktinumo neapskaičiuojamumo įrodymas

paslėpti