(Phys.org) — Natuurkundigen komen een beetje dichter bij het beantwoorden van een van de oudste en meest fundamentele vragen van de kwantumtheorie:representeert de kwantumtoestand de werkelijkheid of alleen onze kennis van de werkelijkheid?

George C. Knie, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Warwick, heeft een algoritme gemaakt voor het ontwerpen van optimale experimenten dat het sterkste bewijs tot nu toe zou kunnen leveren dat de kwantumtoestand een ontische toestand is (een toestand van de realiteit) en geen epistemische toestand (een staat van kennis). Knee heeft een artikel over de nieuwe strategie gepubliceerd in een recent nummer van de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

Terwijl natuurkundigen sinds de begindagen van de kwantumtheorie (met, meest bekende, Bohr was voorstander van de ontische interpretatie en Einstein pleitte voor de epistemische), het meeste moderne bewijs heeft de opvatting ondersteund dat de kwantumtoestand inderdaad de werkelijkheid vertegenwoordigt.

filosofisch, deze interpretatie kan moeilijk te slikken zijn, omdat het betekent dat de vele contra-intuïtieve kenmerken van de kwantumtheorie eigenschappen van de werkelijkheid zijn, en niet vanwege de beperkingen van de theorie. Een van de meest opvallende van deze kenmerken is superpositie. Voordat een kwantumobject wordt gemeten, kwantumtheorie zegt dat het object tegelijkertijd in meer dan één toestand bestaat, elk met een bepaalde kans. Als deze toestanden ontisch zijn, het betekent dat een deeltje echt twee toestanden tegelijk inneemt, niet alleen dat het zo lijkt vanwege ons beperkte vermogen om deeltjes te bereiden, zoals in de epistemische visie.

Wat wordt precies bedoeld met een beperkt vermogen om deeltjes te bereiden? Om dit te begrijpen, Knee legt uit dat verschillende kwantumtoestanden moeten worden gezien als verdelingen over de mogelijke werkelijke toestanden van de werkelijkheid. Als er enige overlap is tussen deze verdelingen, dan is de werkelijkheidstoestand waarin een deeltje kan worden bereid beperkt.

Momenteel is het niet duidelijk of er daadwerkelijk enige overlap is tussen kwantumtoestandsverdelingen. Als er geen overlap is, dan moet het deeltje echt twee toestanden tegelijk innemen, dat is de ontische weergave. Anderzijds, als er enige overlap is, dan is het mogelijk dat het deeltje bestaat in een staat in het overlappende gebied, en we kunnen het verschil tussen de twee mogelijkheden gewoon niet zien vanwege de overlap. Dit is de epistemische visie, en het verwijdert een deel van de eigenaardigheid van superpositie door uit te leggen dat de niet-onderscheidbaarheid van twee toestanden eerder het resultaat is van overlap (en menselijke beperking) dan van de realiteit.

Door de vraag te kaderen in termen van overlap, kunnen de twee perspectieven worden getest. Als natuurkundigen kunnen aantonen dat de ononderscheidbaarheid van kwantumtoestanden op de een of andere manier kan worden verklaard door de realiteit en niet overlapt, dan legt dat strengere beperkingen op aan de epistemische visie en maakt de ontische visie aannemelijker.

Een sleutel tot dergelijke tests is dat de taak om onderscheid te maken tussen twee toestanden altijd een kleine fout met zich meebrengt. compleet hebben, alwetende kennis over de werkelijkheid zou de staatsdiscriminatie moeten verbeteren. Maar met hoeveel? Dit is de grote vraag, en natuurkundigen proberen aan te tonen dat de waarde van deze "verbetering als gevolg van de toegenomen realiteit van de kwantumtoestanden" erg groot is. Dit zou betekenen dat de overlap heel weinig speelt, indien van toepassing, rol bij het verklaren waarom staten niet van elkaar te onderscheiden zijn. Het is niet alleen zo dat natuurkundigen de ware staat van de werkelijkheid niet nauwkeurig kunnen voorbereiden, het is dat de ononderscheidbaarheid moet worden gezien als een fundamentele eigenschap van de kwantumtoestanden zelf.

Momenteel, de beste experimentele gegevens laten zien dat de mate van foutverbetering die kan worden toegeschreven aan overlap ongeveer 69% is. In de nieuwe krant Knee heeft een manier voorgesteld om deze waarde met de huidige technologie terug te brengen tot minder dan 50%. Zoals hij uitlegt, dit zou betekenen dat "overlap minder dan de helft van het benodigde werk doet om de niet-onderscheidbaarheid van niet-orthogonale kwantumtoestanden te verklaren."

"Het grootste belang van het werk is de nieuwe kennis over het uitvoeren van experimenten die de realiteit van de kwantumtoestand kunnen aantonen, "Knie vertelde" Phys.org . "De grote bonussen zijn dat experimentatoren nu meer kunnen doen met minder:dat wil zeggen, met minder experimentele middelen de mogelijke interpretaties van de kwantummechanica steeds strenger maken. Deze experimenten vereisen doorgaans heroïsche inspanningen, maar de theoretische vooruitgang zou moeten betekenen dat ze nu mogelijk zijn met goedkopere apparatuur en in minder tijd."

Om tot een dergelijke verbetering te komen, Knee's werk richt zich op een van de grootste uitdagingen in dit soort tests, dat is het identificeren van de soorten toestanden en metingen die de foutverbetering optimaliseren. Dit is een zeer hoogdimensionaal optimalisatieprobleem - met ten minste 72 variabelen, het is buitengewoon moeilijk op te lossen met behulp van conventionele optimalisatiemethoden.

Knee toonde aan dat een veel betere benadering van dit type optimalisatieprobleem is om het om te zetten in een probleem dat kan worden bestudeerd met convexe programmeermethoden. Om te zoeken naar de beste combinaties van variabelen, hij paste technieken toe uit de convexe optimalisatietheorie, afwisselend de ene variabele optimaliseren en vervolgens de andere totdat de optimale waarden van beide convergeren. Deze strategie zorgt ervoor dat de resultaten "gedeeltelijk optimaal zijn, " wat betekent dat geen verandering in slechts één van de variabelen een betere oplossing zou kunnen bieden. En hoe optimaal een resultaat ook is, Knee legt uit dat het misschien nooit mogelijk zal zijn om de epistemische visie helemaal uit te sluiten.

"Er zal altijd speelruimte zijn!" hij zei. "Zeker met de technieken die ons op dit moment bekend zijn, een kleine hoeveelheid epistemische overlap kan altijd worden gehandhaafd, omdat experimenten in een beperkte tijd moeten worden afgerond, en altijd last van een beetje lawaai. Dat wil nog maar niet zeggen van de meer maffe mazen in de wet waar een fervent epistemist zou kunnen proberen doorheen te springen:bijvoorbeeld, men kan gewoonlijk beroep doen op retrocausaliteit of oneerlijke steekproeven om de resultaten van enige 'experimentele metafysica' te omzeilen. Hoe dan ook, Ik geloof dat het aantonen van de kwantumtoestand ten minste 50% echt moet zijn, een haalbaar doel is dat de meeste redelijke mensen niet zouden kunnen accepteren."

Een bijzonder verrassend en bemoedigend resultaat van de nieuwe benadering is dat het laat zien dat gemengde toestanden beter zouden kunnen werken voor het ondersteunen van het ontische beeld dan zuivere toestanden. Typisch, gemengde toestanden worden in veel toepassingen voor kwantuminformatieverwerking als meer epistemisch en slechter presterend beschouwd dan pure toestanden. Knee's werk laat zien dat een van de voordelen van de gemengde toestanden is dat ze extreem robuust zijn tegen ruis, wat suggereert dat experimenten lang niet zo'n hoge precisie nodig hebben als eerder werd gedacht om de realiteit van de kwantumtoestand aan te tonen.

"Ik hoop van harte dat experimentatoren de recepten die ik heb gevonden in de nabije toekomst kunnen gebruiken, Knee zei. "Het is waarschijnlijk dat de algemene techniek die ik heb ontwikkeld baat zou hebben bij wat aanpassingen om het aan te passen aan een bepaalde experimentele opstelling (bijvoorbeeld ionen in vallen, fotonen of supergeleidende systemen). Er is ook ruimte voor verdere theoretische verbeteringen aan de techniek, zoals het combineren met andere bekende theoretische benaderingen en het introduceren van extra beperkingen om iets te leren van de algemene structuur van de epistemische interpretatie. De heilige graal vanuit theoretisch oogpunt zou zijn om de best mogelijke experimentele recepten te vinden en te bewijzen dat ze zoveel zijn! Dat is iets waar ik aan zal blijven werken."

© 2017 Fys.org