En ramme inspireret af evolution kan demonstrere, hvorfor to observatører ser den samme ikke-kvantumverden fremkommer fra de mange fuzzy sandsynligheder for kvanteområdet
Kvanteområdet er fuld af uklar sandsynligheder
Kvanteområdet er notorisk fuld af usikkerheder, men observatører som os formår stadig at blive enige om, hvordan vi oplever det på meget konkrete måder. En kvanteramme inspireret af evolutionære principper kan muligvis forklare, hvordan en sådan konsensus er mulig – og nu har forskere bevist det matematisk.
“Hver dag, når du går ud, ser du tingene. Og du ser dem som lokaliseret. Du ser ikke underlige kvantefunktioner. Så spørgsmålet er, hvordan kan vi forbinde dette kløft mellem kvante og klassisk?” Siger Akram Touil på Los Alamos National Laboratory (LANL) i New Mexico.
En ramme kaldet Quantum Darwinism kunne skabe den forbindelse. Foreslået i 2000 af Wojciech Zurek, også på Lanl, bruger denne idé en proces, der ligner naturlig udvælgelse for at vise, hvordan vi ender med at se en ikke-kvantum verden og enige om, hvordan den er.
Kvanteverdenen er fuld af eksistentiel fuzziness: hvert kvanteobjekt er en sky af mulige tilstande, indtil den måles eller observeres, på hvilket tidspunkt det antager en veldefineret eller “klassisk” stat. Fysikere har drøftet, hvilken mekanisme der ligger til grund for denne overgang i årtier. Med kvantedarwinismen foreslog Zurek, at de stater, vi i sidste ende ser, på en eller anden måde er mere robuste end resten i skyen af muligheder – på sproget om naturlig udvælgelse er disse stater mere “fit”.
Når et kvanteobjekt interagerer med dets miljø, ødelægges nogle af dens mulige tilstande, men disse specielle tilstande overlever ved at replikere sig selv. Når man ser på et objekt og ser det som ufuldstændigt, ser du virkelig en i den lange kæde af disse kopier.
I deres nye arbejde overvejede Touil, Zurek og deres kolleger, hvor meget to observatører kunne blive enige om kølvandet på denne proces. De studerede et scenarie, hvor hver observatør kun har adgang til en brøkdel af objektets miljø og aldrig selve objektet. Med sådan begrænset information kunne hver observatør ende med et meget anderledes mentalt billede af objektet.
For at kvantificere forskellen i deres opfattelse beregnet teamet observatørernes “gensidige oplysninger”, et tal, der fanger overlapningen mellem hvad hver enkelt lærer om objektet. For en bred klasse af objekter og miljøer i forskellige størrelser fandt de, at observatørerne når enighed om den ikke-kvantumverden, de observerer.
Jarosław Korbicz ved det polske videnskabsakademi siger, at dette udfylder en detaljering, der hidtil havde været savnet fra Quantum Darwinism, som han siger er en “strålende og nødvendig” ramme for at forstå, hvordan vi interagerer med kvanteverdenen. ”Overvej dig og mig ser på noget, lad os sige på mit glas vand,” siger han. ”Der er en sammenhæng mellem glasset vand og os, der ser, og så er spørgsmålet: ‘Er der en direkte sammenhæng mellem mig og dig?’ Dette arbejde afslutter det billede. ” Specifikt fandt forskerne, at denne sammenhæng eksisterer. ”Selvom det er trivielt i det almindelige liv, er sådanne spørgsmål ikke nødvendigvis indlysende i kvanteverdenen,” siger han.
Foruden matematiske beregninger arbejdede Touil og hans kolleger med forskere ved Zhejiang University i Kina for at oversætte deres arbejde til et eksperiment. Den brugte 12 kvantebits eller qubits inde i en kvantecomputer med to af de qubits, der er betegnet som objektet og de resterende 10 som deres miljø. Forskerne opnåede foreløbige data om, hvordan disse qubits ‘kvantestater ændrer sig over tid – og disse resultater var i overensstemmelse med forudsigelserne om kvante darwinisme.
Touil præsenterede det matematiske arbejde, og Kiera Salice på University of Houston i Texas præsenterede eksperimentet den 19. marts på American Physical Society Global Physics Summit i Californien.
Touil siger, at dette er det største sådanne eksperiment til dato, men lignende undersøgelser havde også tilbudt opmuntrende resultater i fortiden. Sådanne eksperimenter styrker sagen for kvantedarwinisme som en forklaring på, hvordan kvanteverdenen bliver den verden, vi kender, siger Korbicz.
Gerardo Adesso ved University of Nottingham i Storbritannien siger, at det nye arbejde tilføjer vægt til kvantedarwinismen som en måde at forstå, hvordan den klassiske verden kommer ud af kvantet, men der er stadig plads til at tilføje flere detaljer til rammen. For eksempel kunne fremtidige beregninger ikke kun finde ud af, hvor meget observatører er enige om den klassiske verden, de observerer, men det nøjagtige indhold af deres observationer. Og spørgsmålet er stadig, om et spor af kvante kan overleve processen med at nå enighed, siger han.
Touil vil også gå ud over qubits og undersøge, hvordan kvantedarwinisme kan forklare den fulde rigdom i den fysiske verden. For eksempel ønsker han at relatere sit holds arbejde til kvantetilstande, som kan oprettes i laboratoriet med specielle materialer eller ekstremt kolde atomer. På denne måde kan kvantedarwinismen muligvis ikke forklare, hvorfor vi ser en ikke-kvantum-verden, men også hvorfor denne verden stadig indeholder nogle eksempler på kvantehed.