Hoe de aard van oorzaak en gevolg de toekomst van kwantumtechnologie zal bepalen

Hier is een merkwaardige vraag: hebben bepaalde fysieke gebeurtenissen geen oorzaak, of zit er een reden achter elke actie?

Dit raadsel ligt in het hart van een van de vreemdste gebieden van de fundamentele wetenschap. En het heeft enkele van de grootste geesten in de geschiedenis van de wetenschap in verwarring gebracht.

Maar het heeft ook belangrijke gevolgen voor opkomende technologieën zoals kwantumcomputing en kwantumcryptografie. Het kan zelfs de kern vormen van een geheel nieuw wetenschapsgebied dat ons begrip van oorzaak en gevolg verandert.

Vandaag krijgen we een antwoord op deze vraag, dankzij het werk van Morgan Mitchell aan het Barcelona Institute of Science and Technology in Spanje, samen met tientallen medewerkers en meer dan 100.000 onderzoekers over de hele wereld die een unieke test hebben uitgevoerd van een van de meest verwarrende voorspellingen van de kwantumtheorie.

Hun conclusie is dat er niet voor elke actie een verklaring hoeft te zijn. Als de menselijke wil vrij is, zijn er fysieke gebeurtenissen zonder oorzaak, zeggen Mitchell en co. Hun onderzoek gebruikt evidence-based wetenschap om voor het eerst het metafysische concept van vrije wil te koppelen aan basisfysica.

Eerst wat achtergrond. Een van de merkwaardige kenmerken van de kwantummechanica is dat het mogelijk maakt dat kwantumdeeltjes die op hetzelfde punt in de ruimte en tijd zijn gemaakt, hetzelfde bestaan ​​delen. Deze link staat bekend als verstrengeling en blijft intact, hoe ver deze deeltjes ook van elkaar verwijderd zijn.

Het vreemde van verstrengeling is dat het een punt in het universum verbindt met een ander punt zonder de afstand ertussen te overbruggen. Dus een meting op de ene heeft onmiddellijk invloed op de andere, hoe ver die ook is.

Dat is een al lang bestaande puzzel omdat er geen manier is waarop het ene deeltje het andere kan beïnvloeden zonder sneller-dan-lichtsignalen te sturen, en natuurkundigen zijn er vrij zeker van dat dit niet is wat er gebeurt.

Maar er is nog een mogelijke verklaring. Dit is dat beide deeltjes gecorreleerd zijn op een verborgen manier die natuurkundigen nog niet begrijpen. Maar als het mogelijk zou zijn om deze verborgen variabele te meten, zouden natuurkundigen zien hoe deze het gedrag van beide deeltjes bepaalt.

Door deze manier van denken is kwantumgedrag volledig deterministisch en is er een reden voor alles wat er op de kwantumschaal gebeurt. Deze verborgen variabele moet deel uitmaken van een diepere theorie van de werkelijkheid.

Dat roept een voor de hand liggende vraag op: als er een diepere theorie van de werkelijkheid is, hoe kunnen we daar dan bewijs van vinden?

In de jaren zestig raakte John Bell, toen een obscure fysicus bij CERN, bezorgd over dit probleem. Einstein had er in de jaren dertig zonder succes mee geworsteld, maar opeenvolgende generaties natuurkundigen hadden het probleem sindsdien onder het tapijt geveegd, onwillig om het idee aan te pakken dat er een meer fundamentele theorie zou kunnen zijn dan de kwantummechanica.

Bell daarentegen vatte het probleem bij het nekvel. Hij toonde aan dat als een theorie van verborgen variabelen het fundament zou zijn waarop de kwantummechanica is gebouwd, het universum zich op een subtiel andere manier zou gedragen dan wanneer de kwantummechanica alleen het fundament zou zijn. En cruciaal: hij liet zien hoe dit verschil kon worden gemeten.

De test van Bell meet de eigenschappen van twee verstrengelde deeltjes - in wezen hoe een meting van de ene de andere beïnvloedt. Als een theorie van verborgen variabelen waar zou zijn, zou er één uitkomst zijn; indien niet waar, een andere uitkomst.

Aan het eind van de jaren zestig ging de Bell-test de mogelijkheden van kwantumfysici te boven. Het vereiste een betrouwbare bron van verstrengelde deeltjes, die in die tijd onmogelijk te produceren was. En er waren veel metingen nodig om het statistische bewijs op te bouwen dat nodig is om natuurkundigen te overtuigen.

Pas in 1982 was de technologie voldoende gevorderd om een ​​Bell-test uit te voeren. En het experiment toonde duidelijk aan dat theorieën over verborgen variabelen onverenigbaar waren met de resultaten. De Bell-test toonde aan dat de manier waarop het ene verstrengelde deeltje een ander deeltje beïnvloedde niet het resultaat was van een verborgen variabele die werd bepaald door deterministische principes. Met andere woorden, het proces van oorzaak en gevolg kon deze invloed niet verklaren.

Dit resultaat was zo verbijsterend en diepgaand dat de meeste natuurkundigen het gewoon negeerden. Maar een kleine groep kwantumfysici begon het in meer detail te onderzoeken.

Ze waren bang dat het experiment een belangrijke maas in de wet had. De test van Bell vereist dat bepaalde metingen worden uitgevoerd met willekeurige instellingen. Een verstrengeld foton kan bijvoorbeeld onder een willekeurig gekozen hoek door een polarisatiefilter worden gestuurd.

Ware willekeur is belangrijk omdat het geen onderliggend patroon heeft dat kan worden bepaald door een theorie van verborgen variabelen. Als de instellingen in de test echter niet willekeurig waren, maar in plaats daarvan werden beïnvloed door een verborgen variabele, zouden de resultaten ongeldig zijn en zou het experiment ongeldig zijn.

Maar hier is de moeilijkheid. Ware willekeur garanderen is moeilijk. Natuurkundigen kunnen schijnbaar willekeurige getallen berekenen, maar dit proces hangt af van de wetten van de natuurkunde en dus van elke theorie van verborgen variabelen, als die zou bestaan. Als er inderdaad een theorie van verborgen variabelen in werking is, beheerst deze het hele universum en elk proces daarin, inclusief elk deterministisch proces dat is gebruikt om het experiment op te zetten.

Sinds 1982 hebben natuurkundigen veel Bell-tests uitgevoerd. Ze zijn inderdaad routine geworden in laboratoria voor kwantumoptica en een belangrijk onderdeel van de protocollen die worden gebruikt in opkomende technologieën zoals kwantumcryptografie. Elk van deze tests suggereert dat de theorie van verborgen variabelen niet waar kan zijn. Maar tegelijkertijd kan elke test het slachtoffer zijn van dezelfde maas in de wet.

Voor Bell was er één mogelijke uitweg uit dit raadsel: de menselijke vrije wil gebruiken. In principe stelt de vrije wil ons in staat om elke setting voor het experiment te kiezen, ongeacht de rol van een verborgen variabele theorie. Dus de ultieme Bell-test zou inhouden dat mensen de instellingen in het experiment kiezen om deze maas in de vrijheid van keuze te dichten.

Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Een typische Bell-test omvat miljoenen verstrengelde paren en miljoenen wijzigingen in de experimentele instellingen gedurende een periode van een paar uur. Maar een enkele mens die deze instellingen beheert, zou ze niet sneller dan ongeveer 3 bits per seconde kunnen veranderen. Het is duidelijk dat zo'n experiment onpraktisch zou zijn.

Dat is waar Mitchell en zijn collega's binnenkomen. Hun idee was om de nodige menselijke invloed te crowdsourcen. Dus verzamelden ze op 30 november 2016 gedurende 12 uur gedurende 12 uur 100.000 vrijwilligers - de zogenaamde Bellsters - van over de hele wereld om willekeurige bits te genereren die vervolgens konden worden gebruikt om de instellingen van 13 verschillende tests van Bells ideeën te controleren.

Om consistent genoeg gegevens te produceren, hebben Mitchell en co. gamified het proces van het produceren van bits, waardoor spelers scores en beloningen krijgen voor het bereiken van bepaalde doelen. De bits werden vervolgens met een constante snelheid van 1000 bits per seconde toegevoerd aan laboratoria over de hele wereld die hadden afgesproken om op verschillende manieren een Bell-test uit te voeren, waarbij fotonen werden gebruikt als de kwantumdeeltjes, atomen en zelfs supergeleiders in talloze combinaties.

Op zich is dat een indrukwekkende prestatie. 100.000 vrijwilligers van over de hele wereld inzetten om op hetzelfde moment op één dag aan een experiment te werken, is naar alle maatstaven een aanzienlijke prestatie. Het zal interessant zijn om te zien hoe dit soort crowdsourcing-mogelijkheden in de toekomst kunnen worden gebruikt.

Maar het experiment zelf is de echte focus en de resultaten zijn ondubbelzinnig. De 13 experimenten leverden allemaal resultaten op die de mogelijkheid van een theorie van verborgen variabelen sterk weerleggen. En ze dichten de maas in de keuzevrijheid voor zover dat mogelijk is. De resultaten tonen empirisch aan dat menselijk handelen onverenigbaar is met causaal determinisme, een vraag die voorheen alleen toegankelijk was voor metafysica, zeggen Mitchell en co.

Dat is goed nieuws voor de vele opkomende kwantumtechnologieën die afhankelijk zijn van Bell-tests, zoals kwantumteleportatie en kwantumcryptografie. Het bestaan ​​van een theorie van verborgen variabelen zou bijvoorbeeld impliceren dat kwantumcryptografie mogelijk niet perfect veilig is.

Natuurlijk is deze Big Bell-test niet perfect. Mensen worden op dezelfde manier geregeerd door de wetten van de fysica als alle andere objecten. We zijn inderdaad gewoon complexe machines, in principe niet anders dan elke andere machine die draaiknoppen kan draaien en experimentele instellingen kan veranderen.

Dus de menselijke vrije wil heeft geen speciale status in het universum, en als de theorie van verborgen variabelen het universum regeert, moet het ook onze vrije wil beheersen. In dat geval zou de menselijke wil niet vrij zijn, maar uiteindelijk beheerst worden door een deterministisch systeem van verborgen variabelen.

Dus de Big Bell-test sluit niet alle mazen in de wet. Maar het suggereert wel dat als er een diepere realiteit is onder de kwantummechanica, deze niet voor ons toegankelijk zal zijn.

Dus hoe zit het met de oorspronkelijke vraag: hebben bepaalde fysieke gebeurtenissen geen oorzaak?

De Big Bell-test biedt een antwoord, zij het van een voorwaardelijke variëteit. Het antwoord is dit: als mensen een vrije wil hebben, hebben sommige fysieke gebeurtenissen geen oorzaak.

En dat is een opstap naar een hele nieuwe reeks fundamentele experimenten over de aard van oorzaak en gevolg. Kwantummechanica - en Bell-tests in het bijzonder - vervagen het onderscheid tussen oorzaak en gevolg. Dus natuurkundigen verkennen de grenzen van deze ideeën om te zien hoe ze kunnen worden gebruikt in computerapparatuur, beveiligingsalgoritmen en dergelijke. De eerste resultaten zijn veelbelovend dubbelzinnig, hoewel het nog even zal duren voordat ze hun weg vinden naar alledaagse toepassingen.

Het is 50 jaar geleden dat Bell zijn controversiële ideeën naar voren bracht, maar Bell-tests vormen nu de kern van de opkomende kwantumtechnologierevolutie. Hij zou zeker optimistisch zijn dat verdere vooruitgang zal worden aanstaande.

Referentie: arxiv.org/abs/1805.04431 : Lokaal realisme uitdagen met menselijke keuzes

zich verstoppen