Første bevis på, at kvanteprocesser genererer virkelig tilfældige tal

Der er en voksende følelse blandt fysikere af, at alle fysiske processer kan tænkes ud fra den information, de lagrer og behandler; ifølge nogle konti er information den grundlæggende enhed for eksistens i vores kosmos. Den form for tænkning har ekstraordinære implikationer: det betyder, at virkeligheden er en slags beregning, hvor de grundlæggende processer, der er på arbejde, simpelthen hugger sig vej gennem et stort grundlag af information.

Og alligevel er dette i modstrid med en anden af ​​de store udfordringer, moderne videnskab står over for: at forstå tilfældighedens natur. Mens information kan defineres som en ordnet sekvens af symboler, er tilfældighed det modsatte af orden, fraværet af mønster. Et af de grundlæggende træk ved ægte tilfældighed er, at det ikke kan produceres af en computer, ellers ville det ikke være tilfældigt, og det skaber et læskende problem.

Hvis alle fysiske processer i universet er igangværende beregninger, hvordan opstår tilfældighed? Hvilken slags proces kan være ansvarlig for dens oprettelse?

Indtil for nylig kunne matematikere kun studere tilfældighed genereret af klassiske fysiske processer såsom møntkast eller computerprogrammer, der genererer såkaldt pseudo-tilfældighed. Da fysiske processer som møntkast er svære at bevise upartiske og svære at styre, er arbejdshestens tilfældige tal-generatorer programmer som Mathematica, der bruger de interessante egenskaber ved cellulære automater til at generere psedorandom-sekvenser af tal. En anden metode er simpelthen at vælge en talfølge fra cifrene i et irrationelt tal såsom pi.

Disse ting ser ud og føles tilfældige, men fordi de kan beregnes, behandler matematikere dem med mistænksomhed.

Men i de sidste par år har videnskabsmænd fundet en ny kilde til tilfældighed, som ikke kan produceres af et computerprogram. Dette kaldes algoritmisk tilfældighed, og det er guldstandarden, når det kommer til fravær af orden. Den nye kilde til denne tilfældighed er kvanteverdenen og kommer fra at udnytte kvanteprocesser, såsom om en foton transmitteres eller reflekteres af et halvforsølvet spejl.

Dette burde producere sekvenser, som aldrig kan skabes af en computer. Men er disse sekvenser målbart forskellige fra dem, der produceres af computere?

Dette spørgsmål afgøres i dag af Cristian Calude ved University of Auckland i New Zealand og et par kammerater. Disse fyre har udført den første eksperimentelle sammenligning af tilfældighed genereret på disse forskellige måder, og de har gjort det i enorm skala ved at bruge sekvenser på 2^32 lange.

Calude og co sammenligner flere varianter af tilfældig sekvens genereret på forskellige måder. Sekvenserne kommer fra en kvante tilfældig talgenerator kaldet Hvor mange , en anden fra fysikere i Wien, som også udnytter kvanteprocesser, bruger de også konventionelle sekvenser genereret af computerprogrammer som Mathematica og Maple samt en sekvens på 2^32 bit fra en binær udvidelse af pi.

Holdet bruger fire forskellige tests i deres sammenligning, som falder i fire kategorier baseret på algoritmisk informationsteori, statistiske test, der involverer frekvenstællinger, en test baseret på Shannons informationsteori og endelig en test baseret på tilfældige gåture.

Resultaterne viser, at sekvensen genereret af Quantis let kan skelnes fra de andre datasæt. Dette siger Calude og co, er bevis på, at kvantetilfældighed faktisk er uberegnelig. Det betyder, at det ikke kunne være blevet genereret af en computer.

Det er væsentligt, at de efterlader ubesvaret spørgsmålet om, hvor overbevisende disse beviser er, som de har indsamlet, og går i stedet langt for at påpege, at det er umuligt at bevise absolut tilfældighed.

Ikke desto mindre, hvis disse beviser tages for pålydende, efterlader det os med et betydeligt konceptuelt dilemma. På den ene side viser det, at Quantis producerer sekvenser af tilfældige tal, som ikke kan genereres af en computer. Og alligevel er Quantis i sig selv en maskine, der skal arbejde ved at manipulere information på den måde, fysikkens love tillader – det må være en slags computer.

Denne modsigelse kan kun betyde, at der er noget galt med den måde, vi tænker på tilfældighed eller information eller begge dele (eller i det mindste med den måde, jeg har sat det op her).

Selvfølgelig skal svaret ligge i informationens natur i kvanteverdenen. Det er nemt nok at definere information klassisk som en ordnet sekvens af symboler. Men den definition falder fra hinanden, så snart disse symboler bliver kvante i naturen.

Hvis hver bit kan være både et 1 og et 0 på samme tid, hvad betyder det så, at sådan en sekvens er i orden? På samme måde, hvordan ville fraværet af orden se ud i sådan en kvantesekvens?

Det er i tacklingen af ​​disse spørgsmål, at naturen af ​​vores univers bliver drillet fra hinanden.

Ref: arxiv.org/abs/1004.1521 : Eksperimentel bevis på kvantetilfældigheds-uberegnelighed

skjule