At spille spil med kvanteinterferens

Som Richard Feynman berømt udtrykte det, "dobbeltspalte-eksperimentet er absolut umuligt at forklare på nogen klassisk måde og har i sig hjertet af kvantemekanikken. I virkeligheden, den indeholder det eneste mysterium."

Ja, i dette eksperiment, en kvantepartikel opfører sig som om den befandt sig på to forskellige steder på samme tid, og udviser paradigmatiske bølgelignende fænomener såsom interferens. Imidlertid, det blev senere bemærket, at multi-slit-eksperimenter viser, at graden af ​​delokalisering af kvantepartikler har sine grænser, og det i en vis forstand, kvantepartikler kan ikke samtidigt delokaliseres mere end to steder. Denne begrænsning har skabt et puslespil, som den dag i dag endnu ikke er fuldstændig løst. Forskere ved universitetet i Wien og IQOQI-Wien (det østrigske videnskabsakademi) har taget et væsentligt skridt i retning af at forstå dette problem ved at omformulere interferenseksperimenter i form af informationsteoretiske spil. Deres analyse, som for nylig er udkommet i tidsskriftet Quantum, giver en intuitiv måde at tænke på interferensfænomener og dets begrænsninger, derved baner vejen for at løse det førnævnte puslespil.

Et af de mest slående træk ved kvantemekanikken er superpositionsprincippet. Dette princip kan lettest illustreres via dobbeltspalte-eksperimentet, som involverer en partikel, der sendes gennem en plade gennemboret med to spalter. Ifølge vores almindelige hverdagslige intuitioner, man kunne forvente, at partiklen altid passerer enten gennem en spalte, eller gennem den anden. Imidlertid, kvantemekanik indebærer, at partiklen i en vis forstand kan passere gennem begge spalter på samme tid, det er, det kan være i en superposition af to steder på samme tid. Denne mulighed ligger til grund for fænomenet kvanteinterferens, dvs. den slående bølgelignende adfærd udvist af kvantepartikler. Nu, er der en måde at kvantificere i hvilken grad kvantepartikler kan delokaliseres? Tillader kvanteteorien partikler at krydse mere end to veje på samme tid? For at forstå disse spørgsmål, fysikere har analyseret "multi-spalte eksperimenter, ", som kun adskiller sig fra dobbeltspalteeksperimentet med hensyn til antallet af spalter:f.eks. et tredobbelt spalteeksperiment involverer en partikel sendt gennem tre slidser.

Man kan tro, at hvis en kvantepartikel kan passere gennem to spalter på samme tid, den skal også kunne passere gennem tre samtidigt, fire, eller et vilkårligt antal slidser. Overraskende nok, det blev med det samme bemærket, at ethvert mønster, der opnås ved forsøg med flere spalter, kan forklares ved, at partiklen altid passerer højst to spalter på samme tid. Selvom denne funktion er matematisk fuldt ud forstået, Følgende spørgsmål forbliver ubesvarede:er der en fysisk årsag til den tilsyneladende asymmetri mellem dobbeltspalte-eksperimentet og multi-spalte-eksperimenter? Hvad ligger til grund for denne noget vilkårlige begrænsning af "delokaliseringen" af kvantepartikler?

I deres seneste arbejde, Sebastian Horvat og Borivoje Dakić, forskere ved universitetet i Wien og IQOQI-Wien (det østrigske videnskabsakademi), har taget et væsentligt skridt hen imod at forstå dette problem ved at tackle det med informationsteori. Nemlig de har omformuleret interferensfænomener og multi-slit-eksperimenter i form af "paritetsspil", det enkleste eksempel er illustreret i figuren. Spillet involverer to spillere, Alice og Bob, som er adskilt af en væg gennembrudt med fire par rør. Hvert par rør kan enten være lige eller snoet, og antallet af snoede par er ukendt for både Alice og Bob. Desuden, Alice råder over et bestemt antal kugler, som hun kan svirpe gennem rørene mod Bob; spillerne kan bruge disse kugler til at lære noget om strukturen af ​​rørene.

Målet med spillet er, at spillerne skal samarbejde og finde ud af, om det samlede antal snoede par er lige eller ulige, ved at bruge det mindst mulige antal kugler. Nu, antag at Alice kaster en kugle gennem et af rørene, for eksempel gennem den anden. Bob kan så nemt udlede, om det første par rør er lige eller snoet, ved blot at kontrollere, om marmoren er faldet gennem det andet rør eller gennem det første. Analogt, hvis Alice har fire kugler til rådighed, hun kan svirpe hver af dem gennem det rigtige rør i hvert par (som det er tilfældet på figuren). Bob kan så ligefrem udlede antallet af snoede par, og dermed om dette tal er lige eller ulige, derved vinde spillet. Imidlertid, hvis antallet af rørpar overstiger antallet af kugler, som Alice har til rådighed, så kan spillet ikke vindes, da der altid vil være mindst ét ​​rørpar, om hvilken Bob overhovedet ikke kan indsamle oplysninger. Derfor, for at vinde spillet, spillerne skal bruge lige så mange kugler, som der er par af rør.

På den anden side, kvantemekanik, og mere specifikt, superpositionsprincippet, gør det muligt for spillerne at vinde spillet vist i figuren ved kun at bruge to "kvantekugler"! En måde at forstå, hvor denne forbedring kommer fra, er at huske, som det blev sagt tidligere, at en kvantepartikel kan "passere gennem to steder på samme tid". To kvantekugler kan således "samtidigt passere gennem fire steder", derved efterligner opførselen af ​​fire almindelige (klassiske) kugler. "I dette spil, kugler opfører sig analogt med tokens, der kan indsættes gennem rørene. Når Alice indsætter en almindelig klassisk marmor, det er, som om hun indsatte 1 øre.

På den anden side, da kvanteteori gør det muligt for kugler at "passere gennem 2 rør på samme tid", hver kvantemarmor er 2 øre værd. Værdien af ​​tokens er additiv:f.eks. for at vinde spillet, Alice kan enten indsætte 4 klassiske kugler eller 2 kvantekugler, da den samlede tokenværdi i begge tilfælde er lig med 4 øre", forklarer Sebastian Horvat. På den anden side, huske på, at en kvantepartikel ikke kan passere gennem mere end to steder på samme tid:Dette afspejles i det faktum, at Alice og Bob ikke kan vinde spillet ved at bruge mindre end to kvantekugler. Derfor, for at vinde spillet, antallet af kvantekugler sendt af Alice skal være lig med mindst halvdelen af ​​det samlede antal rørpar.

I deres arbejde, forskerne har analyseret mere generelle formuleringer af dette spil og har studeret spillernes præstationer afhængigt af antallet af partikler og om partiklerne er klassiske, kvante, eller af mere generel og hypotetisk art. Borivoje Dakić tilføjer:"Disse hypotetiske partikler har højere informationsbehandlingskraft, det er, deres tilsvarende tokens er gyldige mere end 2 øre. Det er ikke klart, hvorfor naturen skal foretrække klassiske og kvantepartikler frem for disse hypotetiske:Det er noget, vi stadig skal studere i fremtiden. "

Alt i alt, paritetsspil giver en alternativ beskrivelse af kvanteinterferens inden for en mere generel og intuitiv ramme, som forhåbentlig vil kaste lys over nye træk ved kvantesuperposition, svarende til hvordan studiet af kvanteforviklinger er blevet uddybet gennem formuleringen af ​​de såkaldte "ikke-lokale spil."