Pirmie pierādījumi, ka kvantu procesi ģenerē patiesi nejaušus skaitļus

Fiziķu vidū pieaug izpratne par to, ka visus fiziskos procesus var uzskatīt par informāciju, ko tie glabā un apstrādā; Dažos gadījumos informācija ir mūsu kosmosa eksistences pamatvienība. Šāda veida domāšanai ir neparastas sekas: tas nozīmē, ka realitāte ir sava veida aprēķins, kurā pamata procesi darbojas vienkārši cauri milzīgajam informācijas pamatam.

Un tomēr tas ir pretrunā ar vēl vienu no lielākajiem izaicinājumiem, ar ko saskaras mūsdienu zinātne: izprast nejaušības būtību. Lai gan informāciju var definēt kā sakārtotu simbolu secību, nejaušība ir pretēja kārtībai, modeļa neesamībai. Viena no patiesas nejaušības pamatīpašībām ir tā, ka to nevar izveidot ar datoru, pretējā gadījumā tas nebūtu nejaušs, un tas rada mutisku problēmu.

Ja visi fiziskie procesi Visumā ir nepārtraukti aprēķini, kā rodas nejaušība? Kāds process var būt atbildīgs par tā izveidi?

Vēl nesen matemātiķi varēja pētīt tikai nejaušību, ko rada klasiski fizikāli procesi, piemēram, monētu mešana vai datorprogrammas, kas rada tā saukto pseidogadījumu. Tā kā fiziskos procesus, piemēram, monētu mešanu, ir grūti pierādīt objektīvu un grūti pārvaldīt, darba zirgu nejaušo skaitļu ģeneratori ir tādas programmas kā Mathematica, kas izmanto interesantās šūnu automātu īpašības, lai ģenerētu psedorandom skaitļu secības. Vēl viena metode ir vienkārši izvēlēties skaitļu virkni no neracionāla skaitļa, piemēram, pi, cipariem.

Šī informācija izskatās un šķiet nejauša, taču, tā kā to var aprēķināt, matemātiķi pret to izturas ar aizdomām.

Taču pēdējos gados zinātnieki ir atraduši jaunu nejaušības avotu, ko nevar radīt datorprogramma. To sauc par algoritmisko nejaušību, un tas ir zelta standarts, kad runa ir par kārtības trūkumu. Jaunais šīs nejaušības avots ir kvantu pasaule, un tā rodas, izmantojot kvantu procesus, piemēram, vai fotonu pārraida vai atstaro daļēji sudrabots spogulis.

Tam vajadzētu radīt secības, kuras nekad nevar izveidot ar datoru. Bet vai šīs secības izmērāmi atšķiras no tām, kuras rada datori?

Šo jautājumu šodien atrisina Cristian Calude no Oklendas Universitātes Jaunzēlandē un daži biedri. Šie puiši ir veikuši pirmo eksperimentālo nejaušības salīdzinājumu, kas ģenerēts dažādos veidos, un viņi to ir izdarījuši milzīgā mērogā, izmantojot 2^32 garas sekvences.

Calude un co salīdzina vairākas nejaušu secību garšas, kas ģenerētas dažādos veidos. Sekvences nāk no kvantu nejaušo skaitļu ģeneratora, ko sauc Cik daudz , otrs no Vīnes fiziķiem, kuri arī izmanto kvantu procesus, viņi izmanto arī parastās secības, kas ģenerētas ar datorprogrammām, piemēram, Mathematica un Maple, kā arī 2^32 bitu secību no pi bināra paplašināšanas.

Komanda savā salīdzināšanā izmanto četrus dažādus testus, kas iedalās četrās kategorijās, pamatojoties uz algoritmiskās informācijas teoriju, statistikas testiem, kas ietver biežuma skaitīšanu, testu, kas balstīts uz Šenona informācijas teoriju, un, visbeidzot, testu, kas balstīts uz nejaušām pastaigām.

Rezultāti liecina, ka Quantis ģenerētā secība ir viegli atšķirama no citām datu kopām. Tas, piemēram, Calude un co, ir pierādījums tam, ka kvantu nejaušība patiešām nav aprēķināma. Tas nozīmē, ka to nevarēja ģenerēt dators.

Zīmīgi, ka viņi atstāj neatbildētu jautājumu par to, cik pārliecinoši ir šie pierādījumi, ko viņi ir savākuši, un tā vietā cenšas norādīt, ka nav iespējams pierādīt absolūtu nejaušību.

Tomēr, ja šos pierādījumus uztver pēc nominālvērtības, tas mums rada ievērojamu konceptuālu dilemmu. No vienas puses, tas parāda, ka Quantis rada nejaušu skaitļu secības, kuras nevar ģenerēt dators. Un tomēr Quantis pati par sevi ir mašīna, kurai jādarbojas, manipulējot ar informāciju tā, kā to atļauj fizikas likumi – tai ir jābūt sava veida datoram.

Šī pretruna var nozīmēt tikai to, ka kaut kas nav kārtībā ar to, kā mēs domājam par nejaušību vai informāciju, vai abiem (vai vismaz ar to, kā es to šeit iestatīju).

Protams, atbilde ir jāmeklē kvantu pasaules informācijas būtībā. Ir pietiekami vienkārši definēt informāciju klasiski kā sakārtotu simbolu secību. Bet šī definīcija sabrūk, tiklīdz šie simboli kļūst kvantu dabā.

Ja katrs bits vienlaikus var būt gan 1, gan 0, ko tas nozīmē, ka šāda secība ir kārtībā? Tāpat kā kārtības trūkums izskatītos šādā kvantu secībā?

Tieši risinot šos jautājumus, mūsu Visuma daba tiek ķircināta.

Atsauce: arxiv.org/abs/1004.1521 : Eksperimentāli pierādījumi par kvantu nejaušības nesaskaitāmību

paslēpties