Första beviset på att kvantprocesser genererar verkligt slumpmässiga tal

Det finns en växande känsla bland fysiker att alla fysiska processer kan tänkas i termer av den information de lagrar och bearbetar; enligt vissa konton är information den grundläggande enheten för tillvaron i vårt kosmos. Den typen av tänkande har extraordinära implikationer: det betyder att verkligheten är en sorts beräkning där de grundläggande processerna i arbetet helt enkelt smyger sig igenom en stor berggrund av information.

Och ändå är detta i strid med en annan av de stora utmaningarna som modern vetenskap står inför: att förstå slumpmässighetens natur. Medan information kan definieras som en ordnad sekvens av symboler, är slumpmässighet motsatsen till ordning, frånvaron av mönster. En av de grundläggande egenskaperna hos sann slumpmässighet är att den inte kan produceras av en dator, annars skulle den inte vara slumpmässig och det skapar ett aptitretande problem.

Om alla fysiska processer i universum är pågående beräkningar, hur uppstår slumpmässighet? Vilken typ av process kan vara ansvarig för dess tillkomst?

Tills nyligen kunde matematiker bara studera slumpmässighet som genererats av klassiska fysiska processer som myntkast eller datorprogram som genererar så kallad pseudo-slumpmässighet. Eftersom fysiska processer som myntkast är svåra att bevisa opartiska och svåra att hantera, är arbetshästens slumptalsgeneratorer program som Mathematica som använder de intressanta egenskaperna hos cellulära automater för att generera psedorslumpmässiga talsekvenser. En annan metod är helt enkelt att välja en talföljd från siffrorna i ett irrationellt tal som pi.

Det här ser ut och känns slumpmässigt men eftersom det går att beräkna behandlar matematiker det med misstänksamhet.

Men under de senaste åren har forskare hittat en ny källa till slumpmässighet som inte kan produceras av ett datorprogram. Detta kallas algoritmisk slumpmässighet och det är guldstandarden när det kommer till frånvaron av ordning. Den nya källan till denna slumpmässighet är kvantvärlden och kommer från att utnyttja kvantprocesser som huruvida en foton överförs eller reflekteras av en halvsilverad spegel.

Detta borde producera sekvenser som aldrig kan skapas av en dator. Men är dessa sekvenser mätbart olika de som produceras av datorer?

Denna fråga avgörs idag av Cristian Calude vid University of Auckland i Nya Zeeland och några kompisar. De här killarna har gjort den första experimentella jämförelsen av slumpmässighet som genererats på dessa olika sätt och de har gjort det i stor skala, med sekvenser 2^32 långa.

Calude och co jämför flera smaker av slumpmässig sekvens genererad på olika sätt. Sekvenserna kommer från en kvantgenerator för slumptal som kallas Hur många , en annan från fysiker i Wien som också utnyttjar kvantprocesser, de använder också konventionella sekvenser genererade av datorprogram som Mathematica och Maple samt en sekvens på 2^32 bitar från en binär expansion av pi.

Teamet använder fyra olika test i sin jämförelse, som delas in i fyra kategorier baserade på algoritmisk informationsteori, statistiska test som involverar frekvensräkningar, ett test baserat på Shannons informationsteori och slutligen ett test baserat på slumpmässiga promenader.

Resultaten visar att sekvensen som genereras av Quantis är lätt att skilja från de andra datamängderna. Detta säger Calude och co, är bevis på att kvantslumpmässighet verkligen är oberäkningsbar. Det betyder att det inte kunde ha genererats av en dator.

Betecknande nog lämnar de obesvarad frågan om hur övertygande dessa bevis är att de har samlat in och går istället till en viss längd för att påpeka att det är omöjligt att bevisa absolut slumpmässighet.

Ändå, om dessa bevis tas för nominellt värde, lämnar det oss med ett betydande konceptuellt dilemma. Å ena sidan visar det att Quantis producerar sekvenser av slumptal som inte kan genereras av en dator. Och ändå är Quantis själv en maskin som måste fungera genom att manipulera information på det sätt som fysikens lagar tillåter – det måste vara en slags dator.

Denna motsägelse kan bara betyda att det är något fel med hur vi tänker på slumpmässighet eller information eller båda (eller åtminstone med hur jag har ställt upp det här).

Naturligtvis måste svaret ligga i informationens natur i kvantvärlden. Det är lätt nog att definiera information klassiskt som en ordnad sekvens av symboler. Men den definitionen faller isär så fort dessa symboler blir kvanta i naturen.

Om varje bit kan vara både en 1 och en 0 samtidigt, vad betyder det att en sådan sekvens är i sin ordning? Likaså, hur skulle frånvaron av ordning se ut i en sådan kvantsekvens?

Det är i hanteringen av dessa frågor som vårt universums natur retas isär.

Ref: arxiv.org/abs/1004.1521 : Experimentellt bevis på kvantslumpmässighet som inte kan beräknas

Dölj