La prima prova che i processi quantistici generano numeri veramente casuali

C'è una crescente sensazione tra i fisici che tutti i processi fisici possono essere pensati in termini di informazioni che immagazzinano ed elaborano; secondo alcuni l'informazione è l'unità di base dell'esistenza nel nostro cosmo. Questo tipo di pensiero ha implicazioni straordinarie: significa che la realtà è un tipo di calcolo in cui i processi di base al lavoro semplicemente si fanno strada masticando una vasta base di informazioni.

Eppure questo è in contrasto con un'altra delle grandi sfide che la scienza moderna deve affrontare: comprendere la natura della casualità. Mentre l'informazione può essere definita come una sequenza ordinata di simboli, la casualità è l'opposto dell'ordine, l'assenza di pattern. Una delle caratteristiche di base della vera casualità è che non può essere prodotta da un computer, altrimenti non sarebbe casuale e questo crea un problema appetitoso.

Se tutti i processi fisici nell'universo sono calcoli in corso, come nasce la casualità? Che tipo di processo può essere responsabile della sua creazione?

Fino a poco tempo fa, i matematici potevano studiare solo la casualità generata da processi fisici classici come il lancio di monete o programmi per computer che generano la cosiddetta pseudo-casualità. Poiché i processi fisici come il lancio delle monete sono difficili da dimostrare imparziali e difficili da gestire, i generatori di numeri casuali del cavallo di battaglia sono programmi come Mathematica che utilizza le interessanti proprietà degli automi cellulari per generare sequenze di numeri pseudo-random. Un altro metodo è semplicemente quello di scegliere una sequenza di numeri dalle cifre di un numero irrazionale come pi greco.

Questa roba sembra casuale, ma poiché può essere calcolata, i matematici la trattano con sospetto.

Ma negli ultimi anni, gli scienziati hanno scoperto una nuova fonte di casualità che non può essere prodotta da un programma per computer. Questa è chiamata casualità algoritmica ed è il gold standard quando si tratta di assenza di ordine. La nuova fonte di questa casualità è il mondo quantistico e deriva dallo sfruttamento di processi quantistici come la trasmissione o la riflessione di un fotone da uno specchio semi-argentato.

Questo dovrebbe produrre sequenze che non possono mai essere create da un computer. Ma queste sequenze sono misurabilmente diverse da quelle prodotte dai computer?

Questa domanda è stata risolta oggi da Cristian Calude dell'Università di Auckland in Nuova Zelanda e da alcuni compagni. Questi ragazzi hanno effettuato il primo confronto sperimentale della casualità generata in questi modi diversi e l'hanno fatto su vasta scala, usando sequenze lunghe 2^32.

Calude e co confrontano diversi tipi di sequenze casuali generate in modi diversi. Le sequenze provengono da un generatore di numeri casuali quantistici chiamato Quanti , un altro dei fisici di Vienna che sfruttano anche i processi quantistici, usano anche sequenze convenzionali generate da programmi per computer come Mathematica e Maple, nonché una sequenza di 2^32 bit da un'espansione binaria di pi greco.

Il team utilizza quattro diversi test nel confronto, che rientrano in quattro categorie basate sulla teoria dell'informazione algoritmica, test statistici che coinvolgono conteggi di frequenza, un test basato sulla teoria dell'informazione di Shannon e, infine, un test basato su passeggiate casuali.

I risultati mostrano che la sequenza generata da Quantis è facilmente distinguibile dagli altri set di dati. Questo dire Calude e co, è la prova che la casualità quantistica è davvero incalcolabile. Ciò significa che non potrebbe essere stato generato da un computer.

Significativamente, lasciano senza risposta la domanda su quanto sia convincente questa prova che hanno raccolto e invece si spingono a lungo per sottolineare che è impossibile dimostrare l'assoluta casualità.

Tuttavia, se questa evidenza viene presa alla lettera, ci lascia con un significativo dilemma concettuale. Da un lato, mostra che Quantis produce sequenze di numeri casuali che non possono essere generate da un computer. Eppure Quantis stesso è una macchina che deve funzionare manipolando le informazioni nel modo consentito dalle leggi della fisica: deve essere una specie di computer.

Questa contraddizione può solo significare che c'è qualcosa di sbagliato nel modo in cui pensiamo alla casualità o all'informazione o a entrambi (o almeno nel modo in cui l'ho impostato qui).

Naturalmente, la risposta deve risiedere nella natura dell'informazione nel mondo quantistico. È abbastanza facile definire le informazioni in modo classico come una sequenza ordinata di simboli. Ma quella definizione cade a pezzi non appena questi simboli diventano di natura quantistica.

Se ogni bit può essere sia un 1 che uno 0 allo stesso tempo, cosa significa che una tale sequenza sia in ordine? Allo stesso modo, come sarebbe l'assenza di ordine in una tale sequenza quantistica?

È nell'affrontare queste domande che la natura del nostro universo viene presa in giro.

Rif: arxiv.org/abs/1004.1521 : Evidenza sperimentale dell'incomputabilità della casualità quantistica

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