Hur arten av orsak och verkan kommer att avgöra kvantteknologins framtid

Här är en nyfiken fråga: Har vissa fysiska händelser ingen orsak, eller finns det en anledning bakom varje åtgärd?

Denna gåta ligger i hjärtat av ett av de märkligaste områdena inom grundläggande vetenskap. Och det har förbryllat några av de största hjärnorna i vetenskapens historia.

Men det har också viktiga konsekvenser för framväxande teknologier som kvantberäkning och kvantkryptografi. Det kan till och med ligga i hjärtat av ett helt nytt vetenskapsområde som förändrar vår förståelse av orsak och verkan.

Idag får vi svar på denna fråga, tack vare Morgan Mitchells arbete vid Barcelona Institute of Science and Technology i Spanien, tillsammans med dussintals medarbetare och mer än 100 000 experimentörer runt om i världen som har genomfört ett unikt test av en av de mest förvirrande förutsägelserna inom kvantteorin.

Deras slutsats är att det inte behöver finnas en förklaring till varje åtgärd. Om människans vilja är fri finns det fysiska händelser utan orsaker, säger Mitchell och co. Deras forskning använder evidensbaserad vetenskap för att för första gången koppla ihop det metafysiska konceptet fri vilja med grundläggande fysik.

Först lite bakgrund. En av de märkliga egenskaperna hos kvantmekaniken är att den tillåter kvantpartiklar skapade vid samma punkt i rum och tid att dela samma existens. Denna länk är känd som intrassling och den förblir intakt oavsett hur långt isär dessa partiklar rör sig.

Det konstiga med intrassling är att den länkar en punkt i universum med en annan punkt utan att spänna över avståndet däremellan. Så en mätning på den ena påverkar omedelbart den andra oavsett hur långt bort den är.

Det är ett långvarigt pussel eftersom det inte finns något sätt för en partikel att påverka den andra utan att skicka signaler snabbare än ljuset, och fysiker är ganska säkra på att detta inte är vad som händer.

Men det finns en annan potentiell förklaring. Detta är att båda partiklarna är korrelerade på ett dolt sätt som fysiker ännu inte förstår. Men om det var möjligt att mäta denna dolda variabel, skulle fysiker se hur den bestämmer beteendet hos båda partiklarna.

Genom detta sätt att tänka är kvantbeteendet helt deterministiskt och det finns en anledning till allt som händer på kvantskalan. Denna dolda variabel måste vara en del av en djupare teori om verkligheten.

Det väcker en uppenbar fråga: Om det finns en djupare teori om verkligheten, hur kan vi hitta bevis för det?

På 1960-talet blev John Bell, då en obskyr fysiker vid CERN, bekymrad över detta problem. Einstein hade brottats med det utan framgång redan på 1930-talet, men successiva generationer av fysiker hade sopat problemet under mattan sedan dess, ovilliga att ta itu med tanken att det kunde finnas en mer grundläggande teori än kvantmekanik.

Däremot fattade Bell problemet i nacken. Han visade att om en gömd variabel teori var berggrunden som kvantmekaniken byggdes på, skulle universum bete sig på ett subtilt annat sätt än om kvantmekaniken var enbart berggrunden. Och avgörande, han visade hur denna skillnad kunde mätas.

Bells test mäter egenskaperna hos två intrasslade partiklar - i huvudsak hur en mätning på den ena påverkar den andra. Om en teori om dold variabel var sann skulle det finnas ett resultat; om inte sant, ett annat resultat.

I slutet av 1960-talet var Bell-testet bortom kvantfysikers förmåga. Det krävde en pålitlig källa av intrasslade partiklar, vilket var omöjligt att producera på den tiden. Och det krävdes massor av mätningar för att bygga upp de statistiska bevis som krävs för att övertyga fysiker.

Det var inte förrän 1982 som tekniken hade avancerad nog för att ett Bell-test skulle kunna utföras. Och experimentet visade tydligt att teorier om dolda variabler var oförenliga med resultaten. Bell-testet visade att hur en intrasslad partikel påverkade en annan inte var resultatet av en dold variabel styrd av deterministiska principer. Med andra ord, processen av orsak och verkan kunde inte förklara detta inflytande.

Detta resultat var så sinnesböjande och djupgående att de flesta fysiker helt enkelt ignorerade det. Men ett litet gäng kvantfysiker började undersöka det mer i detalj.

De oroade sig för att experimentet hade ett viktigt kryphål. Bells test kräver att vissa mätningar utförs med slumpmässiga inställningar. Till exempel kan en intrasslad foton sändas genom ett polariserande filteruppsättning i en slumpmässigt vald vinkel.

Sann slumpmässighet är viktig eftersom den inte har ett underliggande mönster som skulle kunna bestämmas av en gömd variabelteori. Men om inställningarna i testet inte var slumpmässiga, utan istället påverkade av en dold variabel, skulle resultaten vara ogiltiga och experimentet ogiltigt.

Men här är svårigheten. Att garantera sann slumpmässighet är svårt. Fysiker kan beräkna till synes slumpmässiga tal, men denna process beror på fysikens lagar och därför på alla teorier om gömda variabler, om den skulle existera. Faktum är att om en teori om gömd variabel är i drift, så styr den hela universum och varje process inom det, inklusive alla deterministiska processer som används för att sätta upp experimentet.

Sedan 1982 har fysiker utfört många Bell-tester. De har faktiskt blivit rutin i kvantoptiklaboratorier och en viktig del av de protokoll som används i framväxande teknologier som kvantkryptografi. Vart och ett av dessa test tyder på att teorin om dolda variabler inte kan vara sanna. Men samtidigt kan varje test bli ett offer för samma kryphål.

För Bell fanns det en möjlig väg ut ur denna gåta – att använda människans fria vilja. I princip tillåter fri vilja oss att välja vilken inställning som helst för experimentet, oavsett vilken roll en teori om gömd variabel spelar. Så det ultimata Bell-testet skulle innebära att människor väljer inställningarna i experimentet för att stänga detta kryphål för valfrihet.

Det är lättare sagt än gjort. Ett typiskt Bell-test involverar miljontals intrasslade par och miljontals ändringar av experimentinställningarna under en period av några timmar. Men en enda människa som kontrollerar dessa inställningar kan inte ändra dem snabbare än cirka 3 bitar per sekund. Uppenbarligen skulle ett sådant experiment vara opraktiskt.

Det är där Mitchell och hans kollegor kommer in. Deras idé var att crowdsource det nödvändiga mänskliga inflytandet. Så under 12 timmar den 30 november 2016 samlade de 100 000 frivilliga – så kallade Bellsters – från hela världen för att generera slumpmässiga bitar som sedan kunde användas för att kontrollera inställningarna på 13 olika tester av Bells idéer.

För att producera tillräckligt med data konsekvent har Mitchell och co. gamifierade processen att producera bitar, vilket gav spelare poäng och belöningar för att uppnå vissa mål. Bitarna matades sedan med en konstant hastighet av 1 000 bitar per sekund till laboratorier runt om i världen som hade gått med på att utföra ett Bell-test på olika sätt, med fotoner som kvantpartiklar, atomer och till och med supraledare i otaliga kombinationer.

I och för sig är det en imponerande prestation. Att engagera 100 000 volontärer från hela världen för att arbeta med ett experiment samtidigt på en enda dag är en betydande prestation med alla standarder. Det ska bli intressant att se hur den här typen av crowdsourcing-kapacitet kan användas i framtiden.

Men själva experimentet är det verkliga fokuset och resultaten är otvetydiga. De 13 experimenten gav alla resultat som starkt motbevisar möjligheten till en teori om gömd variabel. Och de täpper till kryphålet för valfrihet så långt det är möjligt att göra det. Resultaten visar empiriskt att mänsklig handling är oförenlig med kausal determinism, en fråga som tidigare endast var tillgänglig för metafysik, säger Mitchell och co.

Det är goda nyheter för de många framväxande kvantteknologierna som förlitar sig på Bell-tester, såsom kvantteleportation och kvantkryptografi. Förekomsten av en teori om dold variabel skulle till exempel innebära att kvantkryptografi kanske inte är helt säker.

Naturligtvis är detta Big Bell-test inte perfekt. Människor styrs av fysikens lagar på samma sätt som alla andra objekt. I själva verket är vi helt enkelt komplexa maskiner, som i princip inte skiljer sig från någon annan maskin som kan vrida rattar och ändra experimentella inställningar.

Så människans fria vilja har ingen speciell status i universum, och om teorin om dolda variabler styr universum måste den också styra vår fria vilja. I så fall skulle den mänskliga viljan inte vara fri utan i slutändan styrd av ett deterministiskt system av dolda variabler.

Så Big Bell Test stänger inte alla kryphål. Men det tyder på att om det finns en djupare verklighet under kvantmekaniken, kommer den inte att vara tillgänglig för oss.

Så hur är det med den ursprungliga frågan: Har vissa fysiska händelser ingen orsak?

The Big Bell Test ger ett svar, om än av en villkorlig variation. Svaret är detta: om människor har fri vilja, så har vissa fysiska händelser ingen orsak.

Och det är ett språngbräde för en helt ny uppsättning grundläggande experiment om orsak och verkans natur. Kvantmekanik - och Bell-tester i synnerhet - suddar ut skillnaden mellan orsak och verkan. Så fysiker undersöker gränserna för dessa idéer för att se hur de kan användas i datorenheter, säkerhetsalgoritmer och liknande. De tidiga resultaten är lovande tvetydiga, även om det kommer att dröja innan de hittar in i vardagliga tillämpningar.

Det är 50 år sedan Bell lade fram sina kontroversiella idéer, men Bell-tester ligger nu i hjärtat av den framväxande kvantteknologirevolutionen. Han skulle säkert vara optimistisk om att ytterligare framsteg kommer att ske.

Ref: arxiv.org/abs/1805.04431 : Utmana lokal realism med mänskliga val

Dölj