Foreslået test vil give det stærkeste bevis endnu på, at kvantetilstanden er reel

(Phys.org)—Fysikere kommer en lille smule tættere på at besvare et af kvanteteoriens ældste og mest grundlæggende spørgsmål:repræsenterer kvantetilstanden virkeligheden eller blot vores viden om virkeligheden?

George C. Knæ, en teoretisk fysiker ved University of Oxford og University of Warwick, har skabt en algoritme til at designe optimale eksperimenter, der kunne give det hidtil stærkeste bevis på, at kvantetilstanden er en ontisk tilstand (en virkelighedstilstand) og ikke en epistemisk tilstand (en videnstilstand). Knee har udgivet et papir om den nye strategi i et nyligt nummer af New Journal of Physics .

Mens fysikere har debatteret om karakteren af ​​kvantetilstanden siden kvanteteoriens tidlige dage (med, mest berømt, Bohr går ind for den ontiske fortolkning og Einstein argumenterer for den epistemiske), de fleste moderne beviser har understøttet synspunktet om, at kvantetilstanden faktisk repræsenterer virkeligheden.

Filosofisk, denne fortolkning kan være svær at sluge, da det betyder, at kvanteteoriens mange kontraintuitive træk er virkelighedens egenskaber, og ikke på grund af teoriens begrænsninger. En af de mest bemærkelsesværdige af disse funktioner er superposition. Før et kvanteobjekt måles, Kvanteteori siger, at objektet samtidig eksisterer i mere end én tilstand, hver med en bestemt sandsynlighed. Hvis disse tilstande er ontiske, det betyder, at en partikel virkelig indtager to tilstande på én gang, ikke blot, at det ser sådan ud på grund af vores begrænsede evne til at fremstille partikler, som i den epistemiske opfattelse.

Hvad menes egentlig med en begrænset evne til at fremstille partikler? For at forstå dette, Knee forklarer, at forskellige kvantetilstande skal opfattes som fordelinger over de mulige sande virkelighedstilstande. Hvis der er en vis overlapning mellem disse fordelinger, så er de virkelighedstilstande, hvori en partikel kan fremstilles, begrænset.

I øjeblikket er det ikke klart, om der faktisk er nogen overlapning mellem kvantetilstandsfordelinger. Hvis der er nul overlap, så må partiklen virkelig indtage to tilstande på én gang, som er den ontiske udsigt. På den anden side, hvis der er noget overlap, så er det muligt, at partiklen eksisterer i en tilstand i det overlappende område, og vi kan bare ikke se forskel på de to muligheder på grund af overlapningen. Dette er den epistemiske opfattelse, og det fjerner noget af det mærkelige ved superposition ved at forklare, at to tilstandes umulighed er et resultat af overlap (og menneskelig begrænsning) snarere end af virkelighed.

At indramme spørgsmålet i form af overlap giver en måde at teste de to perspektiver på. Hvis fysikere kan vise, at kvantetilstandes umulige skelnelighed på en eller anden måde kan forklares af virkeligheden og ikke overlapper hinanden, så sætter det strammere begrænsninger på den epistemiske opfattelse og gør den ontiske opfattelse mere plausibel.

En nøgle til sådanne test er, at opgaven med at skelne mellem to stater altid har en lille fejl involveret. Efter at have fuldført, alvidende viden om virkeligheden bør forbedre statens diskrimination. Men hvor meget? Dette er det store spørgsmål, og fysikere forsøger at vise, at værdien af ​​denne "forbedring på grund af kvantetilstandenes øgede virkelighed" er meget stor. Dette ville betyde, at overlapningen spiller meget lidt, hvis nogen, rolle i at forklare, hvorfor stater ikke kan skelnes. Det er ikke blot, at fysikere ikke nøjagtigt kan forberede virkelighedens sande tilstand, det er, at udskilleligheden skal opfattes som en grundlæggende egenskab ved selve kvantetilstandene.

I øjeblikket, de bedste eksperimentelle data viser, at mængden af ​​fejlforbedringer, der kan tilskrives overlapning, er omkring 69 %. I det nye blad, Knee har foreslået en måde at reducere denne værdi til mindre end 50% med den nuværende teknologi. Som han forklarer, dette ville betyde, at "overlap gør mindre end halvdelen af ​​det nødvendige arbejde med at forklare det umulige at skelne mellem ikke-ortogonale kvantetilstande."

"Den største betydning af arbejdet er den nye viden om, hvordan man udfører eksperimenter, der kan vise kvantetilstandens virkelighed, " Knæ fortalte Phys.org . "De store bonusser er, at eksperimentalister nu vil være i stand til at gøre mere med mindre:dvs. lave strammere og strammere restriktioner på de mulige fortolkninger af kvantemekanikken med færre eksperimentelle ressourcer. Disse eksperimenter kræver typisk heroisk indsats, men de teoretiske fremskridt skulle betyde, at de nu er mulige med billigere udstyr og på kortere tid."

For at opnå en sådan forbedring, Knees arbejde adresserer en af ​​de største udfordringer i denne type test, som skal identificere de typer tilstande og målinger, der optimerer fejlforbedringen. Dette er et meget højdimensionelt optimeringsproblem - med mindst 72 variabler, det er ekstremt vanskeligt at løse ved hjælp af konventionelle optimeringsmetoder.

Knee viste, at en meget bedre tilgang til denne type optimeringsproblem er at konvertere det til et problem, der kan studeres med konvekse programmeringsmetoder. For at søge efter de bedste kombinationer af variabler, han anvendte teknikker fra konveks optimeringsteori, skiftevis optimering af en variabel og derefter den anden, indtil de optimale værdier af begge konvergerer. Denne strategi sikrer, at resultaterne er "delvis optimale, betyder, at ingen ændring i kun én af variablerne kunne give en bedre løsning. Og uanset hvor optimalt et resultat er, Knee forklarer, at det måske aldrig vil være muligt at udelukke det epistemiske syn helt.

"Der vil altid være vristeplads!" han sagde. "Sikkert med de teknikker, vi kender til på nuværende tidspunkt, en lille mængde epistemisk overlap kan altid opretholdes, fordi eksperimenter skal afsluttes inden for en begrænset tid, og lider altid af en lille smule støj. Det vil ikke sige noget om de mere skøre smuthuller, som en trofast epistemiker kunne prøve at springe igennem:f.eks. man kan normalt appellere til retrokausalitet eller unfair sampling for at komme uden om resultaterne af enhver 'eksperimentel metafysik'. Alligevel, Jeg tror, ​​at det at vise kvantetilstanden skal være mindst 50 % reel er et opnåeligt mål, som de fleste fornuftige mennesker ikke ville være i stand til at vriste sig ud af at acceptere."

Et særligt overraskende og opmuntrende resultat af den nye tilgang er, at den viser, at blandede stater kunne fungere bedre til at understøtte det ontiske synspunkt, end rene stater kunne. Typisk, blandede tilstande anses for at være mere epistemiske og dårligere ydende end rene tilstande i mange applikationer til behandling af kvanteinformation. Knees arbejde viser, at en af ​​fordelene ved de blandede tilstande er, at de er ekstremt robuste over for støj, hvilket tyder på, at eksperimenter ikke har brug for nær så høj præcision som tidligere antaget for at demonstrere kvantetilstandens virkelighed.

"Jeg håber meget, at eksperimentalister vil være i stand til at bruge de opskrifter, som jeg har fundet i den nærmeste fremtid, " sagde Knee. "Det er sandsynligt, at den generelle teknik, som jeg udviklede, ville drage fordel af nogle justeringer for at skræddersy den til en bestemt eksperimentel opsætning (f.eks. ioner i fælder, fotoner eller superledende systemer). Der er også mulighed for yderligere teoretiske forbedringer af teknikken, såsom at kombinere det med andre kendte teoretiske tilgange og indføre ekstra begrænsninger for at lære noget om den generelle struktur i den epistemiske fortolkning. Den hellige gral set fra et teoretisk synspunkt ville være at finde de bedst mulige eksperimentelle opskrifter og bevise, at de er lige så meget! Det er noget, jeg vil fortsætte med at arbejde på."

© 2017 Phys.org