Op atomaire en subatomaire schaal gedragen objecten zich op een manier die het klassieke wereldbeeld uitdaagt op basis van dagelijkse interacties met de macroscopische realiteit. Een bekend voorbeeld is de ontdekking dat elektronen zich zowel als deeltjes als golven kunnen gedragen, afhankelijk van de experimentele context waarin ze worden waargenomen. Om dit en andere fenomenen te verklaren, die in strijd lijken te zijn met de wetten van de fysica die van vorige eeuwen zijn geërfd, zijn modellen voorgesteld die zelfconsistent zijn maar tegenstrijdige interpretaties hebben door wetenschappers zoals Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885) -1962), onder anderen Erwin Schrödinger (1887-1961) en David Bohm (1917-1992).

De grote debatten die gepaard gingen met de formulering van de kwantumtheorie, waarbij vooral Einstein en Bohr betrokken waren, leidden echter niet tot afdoende resultaten. De meeste van de volgende generatie natuurkundigen kozen voor vergelijkingen die waren afgeleid van tegenstrijdige theoretische kaders zonder zich veel zorgen te maken over de onderliggende filosofische concepten. De vergelijkingen 'werkten' en dat was blijkbaar voldoende. Verschillende technologische artefacten die nu triviaal zijn, waren gebaseerd op praktische toepassingen van de kwantumtheorie.

Het is de menselijke natuur om alles in twijfel te trekken, en een belangrijke vraag die later opkwam, was waarom het vreemde, zelfs contra-intuïtieve gedrag dat werd waargenomen in kwantumexperimenten zich niet manifesteerde in de macroscopische wereld. Om deze vraag te beantwoorden, of te omzeilen, heeft de Poolse natuurkundige Wojciech Zurek het concept van 'kwantumdarwinisme' ontwikkeld.

Simpel gezegd, de hypothese is dat interactie tussen een fysiek systeem en zijn omgeving selecteert voor bepaalde soorten gedrag en andere uitsluit, en dat de soorten gedrag die door deze 'natuurlijke selectie' worden behouden precies die zijn die overeenkomen met de klassieke beschrijving.

Wanneer iemand bijvoorbeeld deze tekst leest, ontvangen zijn ogen fotonen die interageren met het scherm van zijn computer of smartphone. Een andere persoon zal, vanuit een ander gezichtspunt, verschillende fotonen ontvangen, maar hoewel de deeltjes in het scherm zich op hun eigen vreemde manier gedragen en mogelijk totaal verschillende beelden produceren, selecteert interactie met de omgeving slechts één soort gedrag en sluit de rust, zodat de twee lezingen uiteindelijk toegang krijgen tot dezelfde tekst.

Deze lijn van theoretisch onderzoek is voortgezet, met een nog grotere mate van abstractie en generalisatie, in een artikel van de Braziliaanse natuurkundige Roberto Baldijão, gepubliceerd in Quantum , een open-access peer-reviewed tijdschrift voor kwantumwetenschap en aanverwante gebieden.

De paper rapporteert bevindingen die deel uitmaken van Baldijão's Ph.D. onderzoek, begeleid door Marcelo Terra Cunha, een professor aan het Instituut voor Wiskunde, Statistiek en Wetenschappelijke Informatica aan de Universiteit van Campinas (IMECC-UUNICAMP) in Brazilië.

De co-auteurs van het artikel zijn Markus Müller, die toezicht hield op Baldijão's onderzoeksstage bij het Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Wenen.

"Het kwantumdarwinisme werd voorgesteld als een mechanisme om de klassieke objectiviteit te verkrijgen waaraan we gewend zijn van inherente kwantumsystemen. In ons onderzoek hebben we onderzocht welke fysieke principes achter het bestaan ​​van een dergelijk mechanisme zouden kunnen zitten," zei Baldijão.

Bij het uitvoeren van zijn onderzoek nam hij een formalisme aan dat bekend staat als gegeneraliseerde probabilistische theorieën (GPT's). "Dit formalisme stelt ons in staat om wiskundige beschrijvingen van verschillende fysische theorieën te produceren en ze dus te vergelijken. Het stelt ons ook in staat te begrijpen welke theorieën bepaalde fysische principes gehoorzamen. Kwantumtheorie en klassieke theorie zijn twee voorbeelden van GPT's, maar vele andere kunnen ook worden beschreven," zei hij.

Volgens Baldijão is het werken met GPT's handig omdat het valide resultaten mogelijk maakt, zelfs als de kwantumtheorie op een gegeven moment moet worden opgegeven. Bovendien zorgt het raamwerk voor een beter begrip van kwantumformalisme door het te vergelijken met wat het niet is. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de kwantumtheorie af te leiden uit eenvoudiger natuurkundige principes zonder de theorie van de grond af aan te nemen. "Op basis van het formalisme van GPT's kunnen we achterhalen welke principes het bestaan ​​van 'Darwinisme' mogelijk maken zonder onze toevlucht te hoeven nemen tot de kwantumtheorie," zei hij.

Het paradoxale resultaat waartoe Baldijão in zijn theoretisch onderzoek kwam, was dat de klassieke theorie alleen via 'natuurlijke selectie' naar voren komt uit theorieën met bepaalde niet-klassieke kenmerken als er sprake is van 'verstrengeling'.

"Verrassend genoeg hangt de manifestatie van klassiek gedrag via het darwinisme af van zo'n niet-klassieke eigenschap als verstrengeling," zei hij.

Verstrengeling, een sleutelconcept in de kwantumtheorie, treedt op wanneer deeltjes worden gemaakt of op een zodanige manier met elkaar omgaan dat de kwantumtoestand van elk deeltje niet onafhankelijk van de andere kan worden beschreven, maar afhankelijk is van de hele set.

Het bekendste voorbeeld van verstrengeling is het gedachte-experiment dat bekend staat als EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Er zijn een aantal alinea's nodig om het uit te leggen. In een vereenvoudigde versie van het experiment stelde Bohm zich een situatie voor waarin twee elektronen op elkaar inwerken en vervolgens worden gescheiden door een willekeurig grote afstand, zoals de afstand tussen de aarde en de maan. Als de spin van één elektron wordt gemeten, kan het spin-up of spin-down zijn, waarbij beide dezelfde kans hebben. Elektronenspins zullen na een meting altijd naar boven of naar beneden wijzen - nooit in een tussenliggende hoek. Vanwege de manier waarop ze op elkaar inwerken, moeten de elektronen echter gepaard zijn, wat betekent dat ze in tegengestelde richtingen draaien en ronddraaien, ongeacht de meetrichting. Welke van de twee spin-up of spin-down zal zijn, is onbekend, maar de resultaten zullen altijd tegengesteld zijn vanwege hun verstrengeling.

Het experiment moest aantonen dat het formalisme van de kwantumtheorie onvolledig was, omdat verstrengeling vooronderstelde dat informatie met oneindige snelheid tussen de twee deeltjes reisde, wat volgens de relativiteitstheorie onmogelijk was. Hoe konden de verre deeltjes "weten" welke kant ze op moesten draaien om tegengestelde resultaten te produceren? Het idee was dat verborgen variabelen lokaal actief waren achter de kwantumscène en dat het klassieke wereldbeeld zou worden gerechtvaardigd als deze variabelen door een meer uitgebreide theorie zouden worden overwogen.

Albert Einstein stierf in 1955. Bijna een decennium later werd zijn argument min of meer weerlegd door John Bell (1928-1990), die een stelling construeerde om aan te tonen dat de hypothese dat een deeltje definitieve waarden heeft, onafhankelijk van het waarnemingsproces, onverenigbaar is met kwantumtheorie, evenals de onmogelijkheid van directe communicatie op afstand. Met andere woorden, de niet-lokaliteit die verstrengeling kenmerkt, is geen defect, maar een sleutelkenmerk van de kwantumtheorie.

Wat de theoretische interpretatie ook is, het empirische bestaan ​​van verstrengeling is aangetoond in verschillende experimenten die sindsdien zijn uitgevoerd. Het behouden van verstrengeling is nu de belangrijkste uitdaging bij de ontwikkeling van quantum computing, aangezien quantumsystemen de neiging hebben om snel hun samenhang te verliezen als ze in wisselwerking staan ​​met de omgeving. Dit brengt ons terug bij het kwantumdarwinisme.

"In onze studie hebben we aangetoond dat als een GPT decoherentie vertoont, dit komt omdat er een transformatie in de theorie is die in staat is om het geïdealiseerde proces van het darwinisme dat we hebben overwogen, te implementeren," zei Baldijão. "Evenzo, als een theorie voldoende structuur heeft om omkeerbare berekeningen mogelijk te maken - berekeningen die ongedaan kunnen worden gemaakt - dan is er ook een transformatie die het darwinisme kan implementeren. Dit is zeer interessant, gezien de computationele toepassingen van GPT's."

Als aanvullend resultaat van de studie bieden de auteurs een voorbeeld van "niet-kwantum-darwinisme" in de vorm van uitbreidingen op het speelgoedmodel van Spekkens, een theorie die in 2004 werd voorgesteld door de Canadese natuurkundige Robert Spekkens, momenteel senior onderzoeker aan het Perimeter Institute voor theoretische fysica in Waterloo, Ontario. Dit model is belangrijk voor het diepgaande onderzoek van de fundamenten van de kwantumfysica omdat het vele vormen van kwantumgedrag reproduceert op basis van klassieke concepten.

"Het model vertoont geen enkele vorm van niet-lokaliteit en is niet in staat om de ongelijkheden van Bell te schenden," zei Baldijão. "We laten zien dat het darwinisme kan vertonen, en dit voorbeeld laat ook zien dat de voorwaarden die we hebben gevonden om de aanwezigheid van darwinisme te garanderen - decoherentie of omkeerbare berekening - voldoende maar niet noodzakelijk zijn om dit proces in GPT's te laten plaatsvinden."

Als hoofdonderzoeker van het door FAPESP gefinancierde project had Cunha het volgende te zeggen:"De kwantumtheorie kan worden beschouwd als een veralgemening van de waarschijnlijkheidstheorie, maar het is verre van de enige mogelijke. De grote uitdagingen in ons onderzoeksveld zijn onder meer het begrijpen van de eigenschappen die onderscheid maken tussen klassieke theorie en kwantumtheorie in deze oceaan van mogelijke theorieën Baldijão's proefschrift was bedoeld om uit te leggen hoe het kwantumdarwinisme een van de duidelijkste niet-klassieke kenmerken van de kwantumtheorie zou kunnen elimineren:contextualiteit, die het concept van verstrengeling omvat.

"Tijdens zijn onderzoeksstage bij de groep van Markus Müller in Wenen, werkte Baldijão aan iets dat nog algemener was:het proces van het darwinisme in algemene probabilistische theorieën. Zijn bevindingen helpen ons de dynamiek van bepaalde soorten theorieën beter te begrijpen, wat aantoont dat omdat het darwinisme alleen de het meest geschikt is en dus een klassieke wereld creëert, is het geen exclusief kwantumproces." + Verder verkennen

Verstrengeling is een onvermijdelijk kenmerk van de werkelijkheid