211service.com
Hvordan arten av årsak og virkning vil bestemme fremtiden til kvanteteknologi
Her er et nysgjerrig spørsmål: Har visse fysiske hendelser ingen årsak, eller er det en grunn bak hver handling?
Denne gåten ligger i hjertet av et av de merkeligste områdene innen grunnleggende vitenskap. Og det har forvirret noen av de største hjernene i vitenskapens historie.
Men det har også viktige konsekvenser for nye teknologier som kvantedatabehandling og kvantekryptografi. Det kan til og med ligge i hjertet av et helt nytt vitenskapsområde som endrer vår forståelse av årsak og virkning.
I dag får vi svar på dette spørsmålet, takket være arbeidet til Morgan Mitchell ved Barcelona Institute of Science and Technology i Spania, sammen med dusinvis av samarbeidspartnere og mer enn 100 000 eksperimentatorer rundt om i verden som har utført en unik test av en av kvanteteoriens mest forvirrende spådommer.
Konklusjonen deres er at det ikke trenger å være en forklaring for hver handling. Hvis menneskelig vilje er fri, er det fysiske hendelser uten årsaker, sier Mitchell og co. Forskningen deres bruker evidensbasert vitenskap for å koble det metafysiske konseptet fri vilje med grunnleggende fysikk for første gang.
Først litt bakgrunn. En av de merkelige egenskapene til kvantemekanikk er at den lar kvantepartikler skapt på samme punkt i rom og tid dele den samme eksistensen. Denne koblingen er kjent som sammenfiltring, og den forblir intakt uansett hvor langt fra hverandre disse partiklene beveger seg.
Det merkelige med sammenfiltring er at det forbinder ett punkt i universet med et annet punkt uten å spenne over avstanden i mellom. Så en måling på den ene påvirker øyeblikkelig den andre uansett hvor langt unna den er.
Det er et langvarig puslespill fordi det er ingen måte for en partikkel å påvirke den andre uten å sende raskere enn lys-signaler, og fysikere er ganske sikre på at dette ikke er det som skjer.
Men det er en annen potensiell forklaring. Dette er at begge partiklene er korrelert på en skjult måte som fysikere ennå ikke forstår. Men hvis det var mulig å måle denne skjulte variabelen, ville fysikere se hvordan den bestemmer oppførselen til begge partiklene.
Ved denne måten å tenke på er kvanteatferd helt deterministisk og det er en grunn til alt som skjer på kvanteskalaen. Denne skjulte variabelen må være en del av en dypere teori om virkeligheten.
Det reiser et åpenbart spørsmål: Hvis det er en dypere teori om virkeligheten, hvordan kan vi finne bevis for det?
På 1960-tallet ble John Bell, den gang en obskur fysiker ved CERN, opptatt av dette problemet. Einstein hadde kjempet med det uten hell tilbake på 1930-tallet, men påfølgende generasjoner av fysikere hadde feid problemet under teppet siden den gang, motvillige til å forholde seg til ideen om at det kunne finnes en mer grunnleggende teori enn kvantemekanikk.
Derimot grep Bell problemet ved nakkeskåret. Han viste at dersom en skjult variabelteori var berggrunnen som kvantemekanikken ble bygget på, ville universet oppføre seg på en subtilt annerledes måte enn om kvantemekanikken var berggrunnen alene. Og avgjørende viste han hvordan denne forskjellen kunne måles.
Bells test måler egenskapene til to sammenfiltrede partikler - i hovedsak hvordan en måling på den ene påvirker den andre. Hvis en skjult variabelteori var sann, ville det vært ett utfall; hvis ikke sant, et annet utfall.
På slutten av 1960-tallet var Bell-testen utenfor kvantefysikernes evner. Det krevde en pålitelig kilde til sammenfiltrede partikler, som var umulig å produsere på den tiden. Og det krevde mange målinger for å bygge opp de statistiske bevisene som kreves for å overbevise fysikere.
Det var ikke før i 1982 at teknologien hadde avansert nok til at en Bell-test kunne utføres. Og eksperimentet viste tydelig at teorier om skjulte variabler var uforenlige med resultatene. Bell-testen viste at måten en sammenfiltret partikkel påvirket en annen ikke var et resultat av en skjult variabel styrt av deterministiske prinsipper. Med andre ord, prosessen med årsak og virkning kunne ikke forklare denne påvirkningen.
Dette resultatet var så tankevekkende og dyptgripende at de fleste fysikere rett og slett ignorerte det. Men en liten gruppe kvantefysikere begynte å undersøke det mer detaljert.
De var bekymret for at eksperimentet hadde et viktig smutthull. Bells test krever at visse målinger utføres med tilfeldige innstillinger. For eksempel kan et sammenfiltret foton sendes gjennom et polarisasjonsfilter satt i en tilfeldig valgt vinkel.
Ekte tilfeldighet er viktig fordi den ikke har et underliggende mønster som kan bestemmes av en skjult variabelteori. Men hvis innstillingene i testen ikke var tilfeldige, men i stedet påvirket av en skjult variabel, ville resultatene være ugyldige og eksperimentet ugyldig.
Men her er vanskeligheten. Det er vanskelig å garantere ekte tilfeldighet. Fysikere kan beregne tilsynelatende tilfeldige tall, men denne prosessen avhenger av fysikkens lover og derfor av enhver teori om skjulte variabler, dersom den skulle eksistere. Faktisk, hvis en skjult variabelteori er i drift, så styrer den hele universet og hver prosess i det, inkludert enhver deterministisk prosess som brukes til å sette opp eksperimentet.
Siden 1982 har fysikere utført mange Bell-tester. Faktisk har de blitt rutine i kvanteoptikklaboratorier og en sentral del av protokollene som brukes i nye teknologier som kvantekryptografi. Hver og en av disse testene antyder at teori om skjulte variabler ikke kan være sanne. Men på samme tid kan hver test være et offer for det samme smutthullet.
For Bell var det én mulig vei ut av denne gåten – å bruke menneskelig fri vilje. I prinsippet lar fri vilje oss velge hvilken som helst setting for eksperimentet, uavhengig av rollen til en skjult variabelteori. Så den ultimate Bell-testen ville innebære at mennesker velger innstillingene i eksperimentet for å lukke dette smutthullet for valgfrihet.
Det er lettere sagt enn gjort. En typisk Bell-test involverer millioner av sammenfiltrede par og millioner av endringer i de eksperimentelle innstillingene over en periode på noen få timer. Men et enkelt menneske som kontrollerer disse innstillingene kan ikke endre dem raskere enn omtrent 3 biter per sekund. Et slikt eksperiment ville åpenbart være upraktisk.
Det er der Mitchell og kollegene hans kommer inn. Ideen deres var å crowdsource den nødvendige menneskelige innflytelsen. Så i 12 timer den 30. november 2016 samlet de 100 000 frivillige – såkalte Bellsters – fra hele verden for å generere tilfeldige biter som deretter kunne brukes til å kontrollere innstillingene på 13 forskjellige tester av Bells ideer.
For å produsere nok data konsekvent, har Mitchell og co. gamifiserte prosessen med å produsere biter, og ga spillere poeng og belønninger for å oppnå visse mål. Bitene ble deretter matet med en konstant hastighet på 1000 bits per sekund til laboratorier over hele verden som hadde blitt enige om å utføre en Bell-test på forskjellige måter, ved å bruke fotoner som kvantepartikler, atomer og til og med superledere i utallige kombinasjoner.
I seg selv er det en imponerende prestasjon. Å engasjere 100 000 frivillige fra hele verden til å jobbe med et eksperiment på samme tid på en enkelt dag er en betydelig prestasjon i alle standarder. Det blir interessant å se hvordan denne typen crowdsourcing-evne kan brukes i fremtiden.
Men selve eksperimentet er det virkelige fokuset, og resultatene er utvetydige. De 13 eksperimentene ga alle resultater som sterkt tilbakeviser muligheten for en skjult variabelteori. Og de tetter smutthullet for valgfrihet så langt det er mulig å gjøre det. Resultatene viser empirisk at menneskelig handlefrihet er uforenlig med kausal determinisme, et spørsmål som tidligere kun var tilgjengelig for metafysikk, sier Mitchell og co.
Det er gode nyheter for de mange nye kvanteteknologiene som er avhengige av Bell-tester, som kvanteteleportering og kvantekryptografi. Eksistensen av en skjult variabelteori vil for eksempel innebære at kvantekryptografi kanskje ikke er helt sikker.
Selvfølgelig er ikke denne Big Bell-testen perfekt. Mennesker styres av fysikkens lover på samme måte som alle andre objekter. Faktisk er vi ganske enkelt komplekse maskiner, ikke forskjellig i prinsippet fra alle andre maskiner som kan vri rattene og endre eksperimentelle innstillinger.
Så menneskelig fri vilje har ingen spesiell status i universet, og hvis teorien om skjulte variable styrer universet, må den også styre vår frie vilje. I så fall ville ikke menneskelig vilje vært fri, men til syvende og sist styrt av et deterministisk system av skjulte variabler.
Så Big Bell-testen lukker ikke alle smutthullene. Men det antyder at hvis det er en dypere virkelighet under kvantemekanikken, vil den ikke være tilgjengelig for oss.
Så hva med det opprinnelige spørsmålet: Har visse fysiske hendelser ingen årsak?
Big Bell Test gir et svar, om enn av en betinget variasjon. Svaret er dette: hvis mennesker har fri vilje, så har noen fysiske hendelser ingen årsak.
Og det er et springbrett for et helt nytt sett med grunnleggende eksperimenter på arten av årsak og virkning. Kvantemekanikk – og spesielt Bell-tester – visker ut skillet mellom årsak og virkning. Så fysikere utforsker grensene for disse ideene for å se hvordan de kan brukes i dataenheter, sikkerhetsalgoritmer og lignende. De tidlige resultatene er lovende tvetydige, selv om det vil ta litt tid før de finner veien inn i hverdagsapplikasjoner.
Det er 50 år siden Bell la frem sine kontroversielle ideer, men Bell-tester ligger nå i hjertet av den nye kvanteteknologirevolusjonen. Han vil sikkert være optimistisk på at ytterligere fremgang vil komme.
Ref: arxiv.org/abs/1805.04431 : Utfordre lokal realisme med menneskelige valg