Eerste bewijs dat kwantumprocessen echt willekeurige getallen genereren

Onder natuurkundigen groeit het besef dat alle fysieke processen kunnen worden gezien in termen van de informatie die ze opslaan en verwerken; volgens sommige verhalen is informatie de basiseenheid van het bestaan ​​in onze kosmos. Dat soort denken heeft buitengewone implicaties: het betekent dat de werkelijkheid een soort berekening is waarin de basisprocessen die aan het werk zijn zich eenvoudigweg een weg banen door een enorme hoeveelheid informatie.

En toch staat dit op gespannen voet met een andere grote uitdaging waarmee de moderne wetenschap wordt geconfronteerd: het begrijpen van de aard van willekeur. Hoewel informatie kan worden gedefinieerd als een geordende reeks symbolen, is willekeur het tegenovergestelde van orde, de afwezigheid van patroon. Een van de basiskenmerken van echte willekeur is dat het niet door een computer kan worden geproduceerd, anders zou het niet willekeurig zijn en dat levert een overheerlijk probleem op.

Als alle fysieke processen in het universum doorlopende berekeningen zijn, hoe ontstaat dan willekeur? Welk soort proces kan verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​ervan?

Tot voor kort konden wiskundigen alleen willekeur bestuderen die werd gegenereerd door klassieke fysieke processen zoals het opgooien van munten of computerprogramma's die zogenaamde pseudo-willekeur genereren. Omdat fysieke processen zoals het opgooien van munten moeilijk te bewijzen zijn dat ze onbevooroordeeld en moeilijk te beheren zijn, zijn de werkpaardgenerators voor willekeurige getallen programma's zoals Mathematica die de interessante eigenschappen van cellulaire automaten gebruiken om pseudo-willekeurige getallenreeksen te genereren. Een andere methode is om eenvoudig een reeks getallen te kiezen uit de cijfers van een irrationeel getal zoals pi.

Dit spul ziet er willekeurig uit en voelt aan, maar omdat het kan worden berekend, behandelen wiskundigen het met argwaan.

Maar de afgelopen jaren hebben wetenschappers een nieuwe bron van willekeur gevonden die niet door een computerprogramma kan worden geproduceerd. Dit wordt algoritmische willekeur genoemd en het is de gouden standaard als het gaat om de afwezigheid van orde. De nieuwe bron van deze willekeur is de kwantumwereld en komt van het exploiteren van kwantumprocessen, zoals of een foton wordt doorgelaten of gereflecteerd door een halfverzilverde spiegel.

Dit zou sequenties moeten opleveren die nooit door een computer kunnen worden gemaakt. Maar zijn deze sequenties meetbaar verschillend van die geproduceerd door computers?

Deze vraag wordt vandaag opgelost door Cristian Calude aan de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland en een paar vrienden. Deze jongens hebben de eerste experimentele vergelijking gemaakt van willekeur die op deze verschillende manieren is gegenereerd en ze hebben het op grote schaal gedaan, met behulp van reeksen van 2^32 lang.

Calude en co vergelijken verschillende smaken van willekeurige reeksen die op verschillende manieren zijn gegenereerd. De reeksen zijn afkomstig van een kwantumgenerator voor willekeurige getallen genaamd Hoeveel , een andere van natuurkundigen in Wenen die ook kwantumprocessen exploiteren, ze gebruiken ook conventionele reeksen die zijn gegenereerd door computerprogramma's zoals Mathematica en Maple, evenals een reeks van 2^32 bits van een binaire expansie van pi.

Het team gebruikt vier verschillende tests in hun vergelijking, die in vier categorieën vallen op basis van algoritmische informatietheorie, statistische tests met frequentietellingen, een test op basis van Shannons informatietheorie en ten slotte een test op basis van willekeurige wandelingen.

De resultaten laten zien dat de door Quantis gegenereerde sequentie gemakkelijk te onderscheiden is van de andere datasets. Dit zeggen Calude en co, is het bewijs dat kwantumtoeval inderdaad niet te berekenen is. Dat betekent dat het niet door een computer kan zijn gegenereerd.

Het is veelbetekenend dat ze de vraag onbeantwoord laten hoe overtuigend dit bewijs is dat ze hebben verzameld en in plaats daarvan gaan ze tot het uiterste om erop te wijzen dat het onmogelijk is om absolute willekeur te bewijzen.

Desalniettemin, als dit bewijs op het eerste gezicht wordt genomen, laat het ons voor een belangrijk conceptueel dilemma achter. Aan de ene kant laat het zien dat Quantis reeksen willekeurige getallen produceert die niet door een computer kunnen worden gegenereerd. En toch is Quantis zelf een machine die moet werken door informatie te manipuleren op de manier waarop de wetten van de fysica dit toestaan ​​- het moet een soort computer zijn.

Deze tegenstrijdigheid kan alleen maar betekenen dat er iets mis is met de manier waarop we denken over willekeur of informatie of beide (of in ieder geval met de manier waarop ik het hier heb ingesteld).

Natuurlijk moet het antwoord liggen in de aard van informatie in de kwantumwereld. Het is eenvoudig genoeg om informatie klassiek te definiëren als een geordende reeks symbolen. Maar die definitie valt uit elkaar zodra deze symbolen kwantum van aard worden.

Als elke bit tegelijkertijd zowel een 1 als een 0 kan zijn, wat betekent het dan dat zo'n reeks in orde is? Evenzo, hoe zou de afwezigheid van orde eruit zien in zo'n kwantumreeks?

Het is in het aanpakken van deze vragen dat de aard van ons universum wordt geplaagd.

Referentie: arxiv.org/abs/1004.1521 : Experimenteel bewijs van onberekenbaarheid van kwantumwillekeurigheid

zich verstoppen