Come la natura di causa ed effetto determinerà il futuro della tecnologia quantistica

Ecco una domanda curiosa: certi eventi fisici non hanno causa o c'è una ragione dietro ogni azione?

Questo enigma è al centro di una delle aree più strane della scienza fondamentale. E ha sconcertato alcune delle più grandi menti della storia della scienza.

Ma ha anche importanti conseguenze per le tecnologie emergenti come l'informatica quantistica e la crittografia quantistica. Potrebbe anche trovarsi al centro di un'area della scienza completamente nuova che sta cambiando la nostra comprensione di causa ed effetto.

Oggi abbiamo una risposta a questa domanda, grazie al lavoro di Morgan Mitchell presso l'Istituto di Scienza e Tecnologia di Barcellona in Spagna, insieme a decine di collaboratori e più di 100.000 sperimentatori in tutto il mondo che hanno effettuato un test unico di uno dei le previsioni più confuse della teoria quantistica.

La loro conclusione è che non c'è bisogno di una spiegazione per ogni azione. Se la volontà umana è libera, ci sono eventi fisici senza cause, affermano Mitchell e co. La loro ricerca utilizza la scienza basata sull'evidenza per collegare per la prima volta il concetto metafisico di libero arbitrio con la fisica di base.

Innanzitutto, un po' di background. Una delle caratteristiche curiose della meccanica quantistica è che consente alle particelle quantistiche create nello stesso punto nello spazio e nel tempo di condividere la stessa esistenza. Questo legame è noto come entanglement e rimane intatto, non importa quanto distanti si muovano queste particelle.

La cosa strana dell'entanglement è che collega un punto dell'universo con un altro punto senza coprire la distanza nel mezzo. Quindi una misurazione su uno influenza istantaneamente l'altro, non importa quanto sia lontano.

Questo è un enigma di vecchia data perché non c'è modo per una particella di influenzare l'altra senza inviare segnali più veloci della luce, e i fisici sono abbastanza sicuri che non sia quello che sta succedendo.

Ma c'è un'altra possibile spiegazione. Questo è che entrambe le particelle sono correlate in un modo nascosto che i fisici non capiscono ancora. Ma se fosse possibile misurare questa variabile nascosta, i fisici vedrebbero come determina il comportamento di entrambe le particelle.

In questo modo di pensare, il comportamento quantistico è del tutto deterministico e c'è una ragione per tutto ciò che accade sulla scala quantistica. Questa variabile nascosta deve far parte di una teoria più profonda della realtà.

Ciò solleva una domanda ovvia: se esiste una teoria più profonda della realtà, come possiamo trovarne la prova?

Negli anni '60, John Bell, allora un oscuro fisico del CERN, si occupò di questo problema. Einstein aveva lottato con esso senza successo negli anni '30, ma da allora generazioni di fisici avevano nascosto il problema sotto il tappeto, riluttanti ad affrontare l'idea che potesse esistere una teoria più fondamentale della meccanica quantistica.

Al contrario, Bell ha colto il problema per la collottola. Dimostrò che se una teoria delle variabili nascoste fosse la base su cui è stata costruita la meccanica quantistica, l'universo si comporterebbe in un modo leggermente diverso rispetto a se la meccanica quantistica fosse la base da sola. E, soprattutto, ha mostrato come questa differenza potesse essere misurata.

Il test di Bell misura le proprietà di due particelle entangled, essenzialmente come una misurazione su una influenza l'altra. Se una teoria delle variabili nascoste fosse vera, ci sarebbe un risultato; se non è vero, un risultato diverso.

Alla fine degli anni '60, il test di Bell andava oltre le capacità dei fisici quantistici. Richiedeva una fonte affidabile di particelle aggrovigliate, che era impossibile da produrre a quei tempi. E ci sono volute molte misurazioni per costruire le prove statistiche necessarie per convincere i fisici.

Non è stato fino al 1982 che la tecnologia era abbastanza avanzata da consentire l'esecuzione di un test Bell. E l'esperimento ha mostrato chiaramente che le teorie delle variabili nascoste erano incompatibili con i risultati. Il test di Bell ha mostrato che il modo in cui una particella aggrovigliata ne influenzava un'altra non era il risultato di una variabile nascosta governata da principi deterministici. In altre parole, il processo di causa ed effetto non poteva spiegare questa influenza.

Questo risultato è stato così sconvolgente e profondo che la maggior parte dei fisici lo ha semplicemente ignorato. Ma un piccolo gruppo di fisici quantistici iniziò a studiarlo in modo più dettagliato.

Temevano che l'esperimento avesse una scappatoia importante. Il test di Bell richiede che determinate misurazioni vengano eseguite con impostazioni casuali. Ad esempio, un fotone entangled potrebbe essere inviato attraverso un filtro polarizzatore impostato a un angolo scelto casualmente.

La vera casualità è importante perché non ha un modello sottostante che potrebbe essere determinato da una teoria delle variabili nascoste. Tuttavia, se le impostazioni nel test non fossero casuali, ma invece influenzate da una variabile nascosta, i risultati sarebbero nulli e l'esperimento non sarebbe valido.

Ma ecco la difficoltà. Garantire la vera casualità è difficile. I fisici possono calcolare numeri apparentemente casuali, ma questo processo dipende dalle leggi della fisica e quindi da qualsiasi teoria delle variabili nascoste, se esiste. In effetti, se una teoria delle variabili nascoste è in funzione, allora governa l'intero universo e ogni processo al suo interno, compreso qualsiasi processo deterministico utilizzato per impostare l'esperimento.

Dal 1982, i fisici hanno eseguito molti test di Bell. In effetti, sono diventati una routine nei laboratori di ottica quantistica e una parte fondamentale dei protocolli utilizzati nelle tecnologie emergenti come la crittografia quantistica. Ognuno di questi test suggerisce che la teoria delle variabili nascoste non può essere vera. Ma allo stesso tempo, ogni test potrebbe essere vittima di questa stessa scappatoia.

Per Bell, c'era una potenziale via d'uscita da questo enigma: usare il libero arbitrio umano. In linea di principio, il libero arbitrio ci consente di scegliere qualsiasi impostazione per l'esperimento, indipendentemente dal ruolo di una teoria delle variabili nascoste. Quindi l'ultimo test di Bell coinvolgerebbe gli esseri umani nella scelta delle impostazioni nell'esperimento per chiudere questa scappatoia sulla libertà di scelta.

È più facile dirlo che farlo. Un tipico test Bell coinvolge milioni di coppie intrecciate e milioni di modifiche alle impostazioni sperimentali in un periodo di poche ore. Ma un singolo essere umano che controlla queste impostazioni potrebbe cambiarle non più velocemente di circa 3 bit al secondo. Chiaramente un simile esperimento sarebbe impraticabile.

È qui che entrano in gioco Mitchell e i suoi colleghi. La loro idea era quella di creare in crowdsourcing l'influenza umana necessaria. Quindi, per 12 ore, il 30 novembre 2016, hanno riunito 100.000 volontari, i cosiddetti Bellster, provenienti da tutto il mondo per generare bit casuali che potrebbero poi essere utilizzati per controllare le impostazioni su 13 diversi test delle idee di Bell.

Per produrre dati sufficienti in modo coerente, Mitchell e co. ha ludicizzato il processo di produzione dei bit, dando ai giocatori punteggi e ricompense per il raggiungimento di determinati obiettivi. I bit sono stati quindi inviati a una velocità costante di 1.000 bit al secondo ai laboratori di tutto il mondo che avevano accettato di eseguire un test di Bell in vari modi, utilizzando i fotoni come particelle quantistiche, atomi e persino superconduttori in una miriade di combinazioni.

Di per sé, questo è un risultato impressionante. Coinvolgere 100.000 volontari da tutto il mondo per lavorare su un esperimento allo stesso tempo in un solo giorno è un risultato significativo per qualsiasi standard. Sarà interessante vedere come questo tipo di capacità di crowdsourcing potrà essere utilizzata in futuro.

Ma l'esperimento stesso è il vero obiettivo ei risultati sono inequivocabili. I 13 esperimenti hanno tutti prodotto risultati che confutano fortemente la possibilità di una teoria delle variabili nascoste. E chiudono la scappatoia della libertà di scelta per quanto possibile. I risultati mostrano empiricamente che l'agire umano è incompatibile con il determinismo causale, una questione precedentemente accessibile solo dalla metafisica, affermano Mitchell e co.

Questa è una buona notizia per le molte tecnologie quantistiche emergenti che si basano sui test Bell, come il teletrasporto quantistico e la crittografia quantistica. L'esistenza di una teoria delle variabili nascoste implicherebbe, ad esempio, che la crittografia quantistica potrebbe non essere perfettamente sicura.

Naturalmente, questo Big Bell Test non è perfetto. Gli esseri umani sono governati dalle leggi della fisica allo stesso modo di tutti gli altri oggetti. In effetti, siamo semplicemente macchine complesse, non diverse in linea di principio da qualsiasi altra macchina che può ruotare i quadranti e modificare le impostazioni sperimentali.

Quindi il libero arbitrio umano non ha uno status speciale nell'universo, e se la teoria delle variabili nascoste governa l'universo, deve anche governare il nostro libero arbitrio. In tal caso, la volontà umana non sarebbe libera ma, in definitiva, governata da un sistema deterministico di variabili nascoste.

Quindi il Big Bell Test non chiude tutte le scappatoie. Ma suggerisce che se c'è una realtà più profonda sotto la meccanica quantistica, non sarà accessibile a noi.

Allora che dire della domanda originale: certi eventi fisici non hanno causa?

Il Big Bell Test fornisce una risposta, anche se di una varietà condizionale. La risposta è questa: se gli esseri umani hanno il libero arbitrio, allora alcuni eventi fisici non hanno causa.

E questo è un trampolino di lancio per un'intera nuova serie di esperimenti fondamentali sulla natura di causa ed effetto. La meccanica quantistica, e in particolare i test di Bell, offuscano la distinzione tra causa ed effetto. Quindi i fisici stanno esplorando i confini di queste idee per vedere come possono essere utilizzate in dispositivi informatici, algoritmi di sicurezza e simili. I primi risultati sono promettenti ambigui, anche se ci vorrà del tempo prima che trovino la loro strada nelle applicazioni quotidiane.

Sono trascorsi 50 anni da quando Bell ha avanzato le sue idee controverse, ma i test di Bell ora sono al centro dell'emergente rivoluzione della tecnologia quantistica. Sarebbe sicuramente ottimista sul fatto che ulteriori progressi saranno imminenti.

Rif: arxiv.org/abs/1805.04431 : Sfidare il realismo locale con le scelte umane

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