Kā cēloņu un seku raksturs noteiks kvantu tehnoloģiju nākotni

Šeit ir ziņkārīgs jautājums: vai noteiktiem fiziskiem notikumiem nav iemesla, vai arī katrai darbībai ir iemesls?

Šī mīkla atrodas vienas no dīvainākajām fundamentālās zinātnes jomām. Un tas ir samulsis dažus no izcilākajiem prātiem zinātnes vēsturē.

Bet tam ir arī nozīmīgas sekas jaunām tehnoloģijām, piemēram, kvantu skaitļošanai un kvantu kriptogrāfijai. Tas var būt pat pilnīgi jaunas zinātnes jomas pamatā, kas maina mūsu izpratni par cēloņiem un sekām.

Šodien mēs saņemam atbildi uz šo jautājumu, pateicoties Morgana Mičela darbam Barselonas Zinātnes un tehnoloģiju institūtā Spānijā, kā arī desmitiem līdzstrādnieku un vairāk nekā 100 000 eksperimentētāju visā pasaulē, kuri ir veikuši unikālu pārbaudi vienam no mulsinošākās kvantu teorijas prognozes.

Viņu secinājums ir tāds, ka katrai darbībai nav nepieciešams izskaidrojums. Ja cilvēka griba ir brīva, pastāv fiziski notikumi bez cēloņiem, saka Mičels un citi. Viņu pētījumos tiek izmantota uz pierādījumiem balstīta zinātne, lai pirmo reizi saistītu brīvās gribas metafizisko jēdzienu ar pamata fiziku.

Pirmkārt, nedaudz fona. Viena no ziņkārīgajām kvantu mehānikas iezīmēm ir tā, ka tā ļauj kvantu daļiņām, kas radītas vienā un tajā pašā telpas un laika punktā, koplietot to pašu eksistenci. Šī saite ir pazīstama kā sapīšanās, un tā paliek neskarta neatkarīgi no tā, cik tālu šīs daļiņas pārvietojas.

Sapīšanās dīvainā lieta ir tāda, ka tā savieno vienu Visuma punktu ar citu punktu, nepārkāpjot attālumu starp tiem. Tātad vienas mērījums uzreiz ietekmē otru neatkarīgi no tā, cik tālu tas atrodas.

Tā ir ilgstoša mīkla, jo viena daļiņa nevar ietekmēt otru, nesūtot signālus, kas ir ātrāki par gaismu, un fiziķi ir diezgan pārliecināti, ka tas tā nav.

Bet ir vēl viens iespējamais izskaidrojums. Tas ir tāds, ka abas daļiņas ir korelētas slēptā veidā, ko fiziķi vēl nesaprot. Bet, ja būtu iespējams izmērīt šo slēpto mainīgo, fiziķi redzētu, kā tas nosaka abu daļiņu uzvedību.

Ar šo domāšanas veidu kvantu uzvedība ir pilnībā deterministiska, un visam, kas notiek kvantu mērogā, ir iemesls. Šim slēptajam mainīgajam ir jābūt daļai no dziļākas realitātes teorijas.

Tas rada acīmredzamu jautājumu: ja pastāv dziļāka realitātes teorija, kā mēs varam atrast tai pierādījumus?

Sešdesmitajos gados Džons Bells, toreiz neskaidrs fiziķis CERN, sāka norūpēties par šo problēmu. Einšteins ar to neveiksmīgi cīnījās 30. gados, taču kopš tā laika vairākas fiziķu paaudzes bija slaucījušas šo problēmu zem paklāja, nevēloties risināt domu, ka varētu būt fundamentālāka teorija nekā kvantu mehānika.

Turpretim Bells šo problēmu uztvēra pēc kakla skropstas. Viņš parādīja, ka, ja kvantu mehānikas pamatā ir slēptā mainīgā teorija, Visums izturētos smalki savādāk nekā tad, ja kvantu mehānika būtu tikai pamatklints. Un vissvarīgākais ir tas, ka viņš parādīja, kā šo atšķirību var izmērīt.

Bela tests mēra divu sapinušo daļiņu īpašības — būtībā to, kā vienas mērījums ietekmē otru. Ja slēptā mainīgā teorija būtu patiesa, rezultāts būtu viens; ja tā nav taisnība, tad cits rezultāts.

Sešdesmito gadu beigās Bela tests bija ārpus kvantu fiziķu iespējām. Tam bija vajadzīgs uzticams sapinušo daļiņu avots, ko tajos laikos nebija iespējams ražot. Un tas prasīja daudz mērījumu, lai izveidotu statistikas pierādījumus, kas nepieciešami, lai pārliecinātu fiziķus.

Tikai 1982. gadā tehnoloģija bija pietiekami attīstījusies, lai varētu veikt Bela testu. Un eksperiments skaidri parādīja, ka slēptās mainīgo teorijas nav savienojamas ar rezultātiem. Bell tests parādīja, ka veids, kā viena sapinusies daļiņa ietekmēja otru, nebija slēpta mainīgā lieluma rezultāts, ko regulē deterministi principi. Citiem vārdiem sakot, cēloņu un seku process nevarēja izskaidrot šo ietekmi.

Šis rezultāts bija tik prātu satraucošs un dziļš, ka lielākā daļa fiziķu to vienkārši ignorēja. Bet neliela kvantu fiziķu grupa sāka to izpētīt sīkāk.

Viņi uztraucās, ka eksperimentam ir svarīga nepilnība. Bela testam ir jāveic noteikti mērījumi ar nejaušiem iestatījumiem. Piemēram, sapinušos fotonu var nosūtīt caur polarizējošo filtru, kas iestatīts nejauši izvēlētā leņķī.

Patiesa nejaušība ir svarīga, jo tai nav pamatā esošā modeļa, ko varētu noteikt slēptā mainīgā teorija. Tomēr, ja testa iestatījumi nebūtu nejauši, bet gan ietekmēti ar slēptu mainīgo, rezultāti būtu nederīgi un eksperiments nederīgs.

Bet šeit ir grūtības. Garantēt patiesu nejaušību ir grūti. Fiziķi var aprēķināt šķietami nejaušus skaitļus, taču šis process ir atkarīgs no fizikas likumiem un līdz ar to no jebkuras slēptās mainīgo teorijas, ja tāda pastāv. Patiešām, ja darbojas slēptā mainīgā teorija, tad tā pārvalda visu Visumu un visus tajā notiekošos procesus, tostarp jebkuru deterministisko procesu, ko izmanto eksperimenta iestatīšanai.

Kopš 1982. gada fiziķi ir veikuši daudzus Bela testus. Patiešām, tie ir kļuvuši par ikdienu kvantu optikas laboratorijās un par galveno protokolu daļu, ko izmanto jaunās tehnoloģijās, piemēram, kvantu kriptogrāfijā. Katrs no šiem testiem liecina, ka slēptā mainīgā teorija nevar būt patiesa. Taču tajā pašā laikā katrs tests varētu kļūt par šīs pašas nepilnības upuri.

Bellam bija viena iespējamā izeja no šīs mīklas — izmantot cilvēka brīvo gribu. Principā brīvā griba ļauj mums izvēlēties jebkuru eksperimenta iestatījumu neatkarīgi no slēptā mainīgā teorijas lomas. Tātad galīgajā Bell testā cilvēki izvēlētos iestatījumus eksperimentā, lai novērstu šo izvēles brīvības nepilnību.

Tas ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Tipisks Bell tests ietver miljoniem sajauktu pāru un miljoniem izmaiņu eksperimentālajos iestatījumos dažu stundu laikā. Bet viens cilvēks, kas kontrolē šos iestatījumus, varētu tos mainīt ne ātrāk par aptuveni 3 bitiem sekundē. Skaidrs, ka šāds eksperiments būtu nepraktisks.

Šeit parādās Mičels un viņa kolēģi. Viņu ideja bija piesaistīt nepieciešamo cilvēku ietekmi. Tāpēc 2016. gada 30. novembrī 12 stundu laikā viņi pulcēja 100 000 brīvprātīgo — tā saukto Bellsteru — no visas pasaules, lai ģenerētu nejaušus bitus, ko pēc tam varētu izmantot, lai kontrolētu iestatījumus 13 dažādos Bela ideju testos.

Lai konsekventi ražotu pietiekami daudz datu, Mitchell un co. spēlēja bitu ražošanas procesu, sniedzot spēlētājiem punktus un atlīdzību par noteiktu mērķu sasniegšanu. Pēc tam biti ar nemainīgu ātrumu 1000 biti sekundē tika ievadīti laboratorijām visā pasaulē, kuras bija piekritušas veikt Bela testu dažādos veidos, izmantojot fotonus kā kvantu daļiņas, atomus un pat supravadītājus neskaitāmās kombinācijās.

Pats par sevi tas ir iespaidīgs sasniegums. 100 000 brīvprātīgo iesaistīšana eksperimentā no visas pasaules vienā dienā ir nozīmīgs sasniegums pēc jebkuriem standartiem. Būs interesanti redzēt, kā šāda veida pūļa resursa iespējas varēs izmantot nākotnē.

Bet pats eksperiments ir patiesais fokuss, un rezultāti ir nepārprotami. Visi 13 eksperimenti radīja rezultātus, kas stingri atspēko slēptās mainīgās teorijas iespējamību. Un viņi aizver izvēles brīvības robu, ciktāl tas ir iespējams. Rezultāti empīriski parāda, ka cilvēka rīcības spēja nav savienojama ar cēloņsakarību determinismu, kas agrāk bija pieejams tikai metafizikai, saka Mičels un citi.

Tā ir laba ziņa daudzajām jaunajām kvantu tehnoloģijām, kas balstās uz Bell testiem, piemēram, kvantu teleportāciju un kvantu kriptogrāfiju. Slēpto mainīgo teorijas esamība nozīmētu, piemēram, ka kvantu kriptogrāfija var nebūt pilnīgi droša.

Protams, šis Big Bell tests nav ideāls. Cilvēkus pārvalda fizikas likumi tāpat kā visus citus objektus. Patiešām, mēs esam vienkārši sarežģītas iekārtas, kas principā neatšķiras no jebkuras citas iekārtas, kas var grozīt ciparnīcas un mainīt eksperimentālos iestatījumus.

Tātad cilvēka brīvajai gribai Visumā nav īpaša statusa, un, ja slēptā mainīgā teorija pārvalda Visumu, tai ir jāpārvalda arī mūsu brīvā griba. Tādā gadījumā cilvēka griba nebūtu brīva, bet galu galā to pārvaldītu deterministiska slēptu mainīgo sistēma.

Tātad Big Bell tests nenovērš visas nepilnības. Bet tas liecina, ka, ja zem kvantu mehānikas ir dziļāka realitāte, tā mums nebūs pieejama.

Tātad, kā ar sākotnējo jautājumu: vai noteiktiem fiziskiem notikumiem nav iemesla?

Lielā zvana tests sniedz atbildi, kaut arī nosacītu. Atbilde ir šāda: ja cilvēkiem ir brīva griba, tad dažiem fiziskiem notikumiem nav iemesla.

Un tas ir atspēriena punkts pilnīgi jaunam pamata eksperimentu kopumam par cēloņu un seku būtību. Kvantu mehānika un jo īpaši Bela testi izjauc atšķirību starp cēloni un sekām. Tāpēc fiziķi pēta šo ideju robežas, lai noskaidrotu, kā tās var izmantot skaitļošanas ierīcēs, drošības algoritmos un tamlīdzīgi. Pirmie rezultāti ir daudzsološi neskaidri, lai gan paies kāds laiks, līdz tie nonāks ikdienas lietojumos.

Ir pagājuši 50 gadi, kopš Bells izvirzīja savas strīdīgās idejas, taču Bela testi tagad ir topošās kvantu tehnoloģiju revolūcijas pamatā. Viņš noteikti būtu optimistisks, ka būs gaidāms turpmāks progress.

Atsauce: arxiv.org/abs/1805.04431 : Izaicinājums vietējam reālismam ar cilvēka izvēli

paslēpties