Hvordan arten af ​​årsag og virkning vil bestemme fremtiden for kvanteteknologi

Her er et nysgerrig spørgsmål: Har visse fysiske begivenheder ingen årsag, eller er der en årsag bag hver handling?

Denne gåde ligger i hjertet af et af de mærkeligste områder inden for grundlæggende videnskab. Og det har undret nogle af de største hjerner i videnskabens historie.

Men det har også vigtige konsekvenser for nye teknologier som kvantecomputere og kvantekryptografi. Det kan endda ligge i hjertet af et helt nyt videnskabsområde, der ændrer vores forståelse af årsag og virkning.

I dag får vi svar på dette spørgsmål, takket være Morgan Mitchells arbejde ved Barcelona Institute of Science and Technology i Spanien, sammen med snesevis af samarbejdspartnere og mere end 100.000 eksperimentatorer rundt om i verden, som har udført en unik test af en af kvanteteoriens mest forvirrende forudsigelser.

Deres konklusion er, at der ikke behøver at være en forklaring på hver handling. Hvis menneskets vilje er fri, er der fysiske begivenheder uden årsager, siger Mitchell og co. Deres forskning bruger evidensbaseret videnskab til at forbinde det metafysiske koncept om fri vilje med grundlæggende fysik for første gang.

Først lidt baggrund. Et af de besynderlige træk ved kvantemekanikken er, at den tillader kvantepartikler, der er skabt på samme tidspunkt i rum og tid, at dele den samme eksistens. Dette led er kendt som sammenfiltring, og det forbliver intakt, uanset hvor langt fra hinanden disse partikler bevæger sig.

Det mærkelige ved sammenfiltring er, at det forbinder et punkt i universet med et andet punkt uden at spænde over afstanden derimellem. Så en måling på den ene påvirker øjeblikkeligt den anden, uanset hvor langt væk den er.

Det er et langvarigt puslespil, fordi der ikke er nogen måde for en partikel at påvirke den anden uden at sende signaler, der er hurtigere end lyset, og fysikere er ret sikre på, at det ikke er det, der sker.

Men der er en anden potentiel forklaring. Dette er, at begge partikler er korreleret på en skjult måde, som fysikere endnu ikke forstår. Men var det muligt at måle denne skjulte variabel, ville fysikere se, hvordan den bestemmer opførselen af ​​begge partikler.

Ved denne måde at tænke på er kvanteadfærd helt deterministisk, og der er en grund til alt, hvad der sker på kvanteskalaen. Denne skjulte variabel skal være en del af en dybere teori om virkeligheden.

Det rejser et åbenlyst spørgsmål: Hvis der er en dybere teori om virkeligheden, hvordan kan vi så finde beviser for det?

I 1960'erne blev John Bell, dengang en obskur fysiker ved CERN, bekymret over dette problem. Einstein havde kæmpet med det uden held tilbage i 1930'erne, men successive generationer af fysikere havde fejet problemet ind under gulvtæppet siden da, tilbageholdende med at beskæftige sig med ideen om, at der kunne være en mere grundlæggende teori end kvantemekanik.

Derimod fattede Bell problemet ved nakkeskindet. Han viste, at hvis en skjult variabel teori var grundfjeldet, hvorpå kvantemekanikken blev bygget, ville universet opføre sig på en subtil anderledes måde, end hvis kvantemekanikken var grundfjeldet alene. Og afgørende viste han, hvordan denne forskel kunne måles.

Bells test måler egenskaberne af to sammenfiltrede partikler - i det væsentlige hvordan en måling på den ene påvirker den anden. Hvis en teori om skjult variabel var sand, ville der være ét udfald; hvis ikke sandt, et andet resultat.

I slutningen af ​​1960'erne var Bell-testen ud over kvantefysikernes evner. Det krævede en pålidelig kilde til sammenfiltrede partikler, som var umulige at producere i de dage. Og det krævede masser af målinger at opbygge de statistiske beviser, der krævedes for at overbevise fysikere.

Det var først i 1982, at teknologien var avanceret nok til, at en Bell-test kunne udføres. Og eksperimentet viste tydeligt, at teorier om skjulte variable var uforenelige med resultaterne. Bell-testen viste, at måden en sammenfiltret partikel påvirkede en anden ikke var resultatet af en skjult variabel styret af deterministiske principper. Med andre ord kunne processen med årsag og virkning ikke forklare denne påvirkning.

Dette resultat var så tankevækkende og dybtgående, at de fleste fysikere simpelthen ignorerede det. Men en lille gruppe kvantefysikere begyndte at undersøge det mere detaljeret.

De bekymrede sig om, at eksperimentet havde et vigtigt smuthul. Bells test kræver, at visse målinger udføres med tilfældige indstillinger. For eksempel kunne en sammenfiltret foton sendes gennem et polariserende filter sat i en tilfældigt valgt vinkel.

Ægte tilfældighed er vigtig, fordi den ikke har et underliggende mønster, der kunne bestemmes af en skjult variabelteori. Men hvis indstillingerne i testen ikke var tilfældige, men i stedet påvirket af en skjult variabel, ville resultaterne være ugyldige og eksperimentet ugyldigt.

Men her er vanskeligheden. Det er svært at garantere ægte tilfældighed. Fysikere kan beregne tilsyneladende tilfældige tal, men denne proces afhænger af fysikkens love og derfor af enhver teori om skjult variabel, hvis den skulle eksistere. Faktisk, hvis en skjult variabel teori er i drift, så styrer den hele universet og enhver proces i det, inklusive enhver deterministisk proces, der bruges til at opsætte eksperimentet.

Siden 1982 har fysikere udført mange Bell-tests. Faktisk er de blevet rutine i kvanteoptiklaboratorier og en vigtig del af de protokoller, der bruges i nye teknologier såsom kvantekryptografi. Hver af disse tests tyder på, at teorien om skjulte variabler ikke kan være sande. Men på samme tid kan hver test være et offer for det samme smuthul.

For Bell var der én potentiel vej ud af denne gåde – at bruge menneskets frie vilje. I princippet giver fri vilje os mulighed for at vælge en hvilken som helst indstilling for eksperimentet, uanset hvilken rolle en skjult variabelteori spiller. Så den ultimative Bell-test ville involvere mennesker, der vælger indstillingerne i eksperimentet for at lukke dette valgfrihed smuthul.

Det er lettere sagt end gjort. En typisk Bell-test involverer millioner af sammenfiltrede par og millioner af ændringer i de eksperimentelle indstillinger over en periode på et par timer. Men et enkelt menneske, der kontrollerer disse indstillinger, kunne ikke ændre dem hurtigere end omkring 3 bits i sekundet. Det er klart, at et sådant eksperiment ville være upraktisk.

Det er her, Mitchell og hans kolleger kommer ind i billedet. Deres idé var at crowdsource den nødvendige menneskelige indflydelse. Så i 12 timer den 30. november 2016 samlede de 100.000 frivillige – såkaldte Bellsters – fra hele verden for at generere tilfældige bits, som derefter kunne bruges til at styre indstillingerne på 13 forskellige test af Bells ideer.

For at producere nok data konsekvent har Mitchell og co. gamificeret processen med at producere bits, hvilket giver spillere scores og belønninger for at nå bestemte mål. Bitsene blev derefter tilført med en konstant hastighed på 1.000 bits i sekundet til laboratorier over hele verden, der havde aftalt at udføre en Bell-test på forskellige måder, ved at bruge fotoner som kvantepartikler, atomer og endda superledere i utallige kombinationer.

I sig selv er det en imponerende præstation. At engagere 100.000 frivillige fra hele verden til at arbejde på et eksperiment på samme tid på en enkelt dag er en betydelig bedrift efter enhver standard. Det bliver interessant at se, hvordan denne form for crowdsourcing-kapacitet kan bruges i fremtiden.

Men selve eksperimentet er det virkelige fokus, og resultaterne er utvetydige. De 13 eksperimenter frembragte alle resultater, der kraftigt modbeviser muligheden for en skjult variabelteori. Og de lukker valgfrihedens smuthul, så vidt det er muligt. Resultaterne viser empirisk, at menneskelig handlefrihed er uforenelig med kausal determinisme, et spørgsmål, der tidligere kun var tilgængeligt af metafysik, siger Mitchell og co.

Det er gode nyheder for de mange nye kvanteteknologier, der er afhængige af Bell-tests, såsom kvanteteleportation og kvantekryptografi. Eksistensen af ​​en skjult variabel teori ville for eksempel indebære, at kvantekryptografi måske ikke er helt sikker.

Selvfølgelig er denne Big Bell Test ikke perfekt. Mennesker er styret af fysikkens love på samme måde som alle andre objekter. Faktisk er vi ganske enkelt komplekse maskiner, der i princippet ikke adskiller sig fra enhver anden maskine, der kan dreje drejeknapper og ændre eksperimentelle indstillinger.

Så menneskets frie vilje har ingen særlig status i universet, og hvis skjult variabel teori styrer universet, skal den også styre vores frie vilje. I så fald ville den menneskelige vilje ikke være fri, men i sidste ende styret af et deterministisk system af skjulte variabler.

Så Big Bell Test lukker ikke alle smuthullerne. Men det tyder på, at hvis der er en dybere virkelighed under kvantemekanikken, vil den ikke være tilgængelig for os.

Så hvad med det oprindelige spørgsmål: Har visse fysiske begivenheder ingen årsag?

Big Bell Test giver et svar, omend af en betinget variant. Svaret er dette: hvis mennesker har fri vilje, så har nogle fysiske begivenheder ingen årsag.

Og det er et springbræt for et helt nyt sæt grundlæggende eksperimenter om årsag og virkning. Kvantemekanik – og Bell-tests i særdeleshed – udvisker sondringen mellem årsag og virkning. Så fysikere udforsker grænserne for disse ideer for at se, hvordan de kan bruges i computerenheder, sikkerhedsalgoritmer og lignende. De tidlige resultater er lovende tvetydige, selvom det vil vare noget tid, før de finder vej til hverdagsapplikationer.

Det er 50 år siden, Bell fremsatte sine kontroversielle ideer, men Bell-tests ligger nu i hjertet af den nye kvanteteknologiske revolution. Han ville helt sikkert være optimistisk om, at der vil ske yderligere fremskridt.

Ref: arxiv.org/abs/1805.04431 : Udfordrende lokal realisme med menneskelige valg

skjule