Interpretarile cuantice simt caldura

Rolf Landauer nu a crezut niciodată că principiul său va rezolva misterele mecanicii cuantice. El se aștepta, totuși, ca informațiile să joace un rol în înțelegerea ciudățeniei cuantice.

Și, sigur, nimeni nu crede că toate misterele din jurul mecanicii cuantice sunt rezolvate acum – și mulți se întreabă dacă vor fi vreodată, de altfel. Dar o nouă abordare a unui mister cuantic profund sugerează că a vedea lumea în termeni de informații și a aplica principiul lui Landauer la aceasta, într-adevăr, răspunde la o întrebare pe care mulți oameni o credeau că nu are răspuns.

Această întrebare, pusă în multe forme, se rezumă la dacă matematica cuantică descrie ceva inerent și real despre lumea fizică. Unii experți spun că da; alții cred că matematica cuantică este doar despre ceea ce oamenii pot afla despre cuvânt. Un alt mod de a pune întrebarea este de a întreba dacă descrierea cuantică a naturii este „ontică” sau „epistemică” – despre realitate sau despre cunoașterea realității. Majoritatea încercărilor de a articula o interpretare a ceea ce înseamnă cu adevărat matematica cuantică (și există o mulțime de astfel de interpretări) tind să favorizeze fie un punct de vedere ontic, fie epistemic. Dar chiar și unele interpretări epistemice susțin că rezultatele unei măsurători sunt determinate de o proprietate intrinsecă a sistemului care este măsurat. Acestea sunt uneori combinate cu grupul ontic ca interpretări de „tip I”. Alte interpretări (clasificate ca Tipul II) cred că măsurătorile cuantice se ocupă de cunoștințele sau credința observatorului despre o realitate subiacentă, nu de o proprietate inerent fixată.

Argumentele cu privire la această problemă au făcut furori de zeci de ani. Și ai crede că vor continua să se înfurie, deoarece s-ar părea că nu există nicio modalitate posibilă de a determina care punct de vedere este corect. Atâta timp cât toate experimentele ies la fel, indiferent de interpretarea pe care o preferați, se pare că întrebarea este lipsită de sens, sau cel puțin discutabilă. Dar acum, un grup divers de fizicieni la nivel internațional susține că există, de fapt, o modalitate de a stabili care punct de vedere este corect. Dacă ești un prieten al realității – sau altfel în tabăra de tip I – nu o să-ți placă.

Nu există nicio modalitate de a decide dezbaterea în limitele mecanicii cuantice în sine, Adán Cabello și colaboratorii scriu într-o nouă lucrare, online la arXiv.org. Dar dacă introduceți termodinamica – fizica căldurii – atunci un pic de deducție logică și un simplu experiment de gândire pot rezolva cazul pentru Tipul II.

Acest experiment implică manipularea unei stări cuantice, care este descrisă de o expresie matematică numită funcție de undă. O funcție de undă poate fi utilizată pentru a calcula rezultatul măsurătorilor pe o particulă, de exemplu un foton sau un electron. La baza multor mistere cuantice se află ușoară neconcordanță că funcția de undă vă poate spune doar șansele de a obține rezultate diferite de măsurare, nu care va fi rezultatul unei măsurători specifice.

Pentru a renunța la unele aspecte tehnice inutile, să presupunem doar că puteți pregăti o particulă într-o stare cuantică corespunzătoare spinului său îndreptat în sus. Apoi puteți măsura rotația folosind un detector care poate fi orientat fie în direcția sus-jos, fie în direcția stânga-dreapta. Orice măsurătoare resetează o stare cuantică; uneori la o stare nouă, dar uneori resetând-o la aceeași stare în care era inițial. Deci efectul net al fiecărei măsurători este fie de a schimba starea cuantică, fie de a o lăsa la fel.

Dacă setați toate acestea în mod corespunzător, starea cuantică se va schimba în jumătate din timp – în medie – dacă repetați măsurarea de mai multe ori (alegând aleatoriu ce orientare să măsurați). Ar fi ca și cum ai arunca o monedă și ai obține o listă aleatorie de capete și cozi. Deci, dacă ai ține o înregistrare a acelui lanț de măsurători cuantice, ai nota o listă lungă de 1 și 0 în ordine aleatorie, corespunzătoare dacă starea se schimbă sau nu.

Dacă starea cuantică este de tip I – corespunzătoare unei realități intrinseci despre care încercați să aflați – trebuie să conțină deja informațiile pe care le înregistrați înainte de a efectua măsurarea. Dar să presupunem că continui să faci măsurători, la infinit. Cu excepția cazului în care acest sistem cuantic are o memorie infinit de mare, nu poate cunoaște de la început ordinea finală a tuturor acelor 0-uri și 1-uri.

„Sistemul nu poate să fi stocat valorile proprietăților intrinseci pentru toate secvențele posibile de măsurători pe care le poate efectua observatorul”, scriu Cabello, de la Universitatea din Sevilla din Spania, și colegii din China, Germania, Suedia și Anglia. „Acest lucru implică faptul că sistemul trebuie să genereze noi valori și să le stocheze în memoria sa. Din acest motiv, sistemul trebuie să șteargă o parte din informațiile existente anterior.”

Și ștergerea este locul în care principiul lui Landauer intră în imagine. Landauer, pe parcursul unei lungi cariere la IBM, a fost un pionier în explorarea fizicii computerului. El a fost deosebit de interesat de înțelegerea limitelor fizice finale ale eficienței computaționale, mult în felul în care fizicienii din secolul al XIX-lea investigaseră principiile care reglementează eficiența motoarelor cu abur. Orice proces de calcul, a arătat Landauer, ar putea fi condus fără a consuma energie dacă este efectuat cu grijă și suficient de lent. (Sau cel puțin nu a existat o limită inferioară a cantității de energie de care aveți nevoie.) Dar ștergând un pic de informații, Landauer a demonstrat într-o lucrare din 1961, a necesitat întotdeauna o cantitate minimă de energie, disipând astfel căldura reziduală în mediu.

O stare cuantică de tip I, susțin Cabello și colegii, trebuie să ștergă informațiile vechi pentru a face loc noii și, prin urmare, o perioadă lungă de măsurători ar trebui să genereze multă căldură. Cu cât lista este mai lungă, cu atât se generează mai multă căldură, ceea ce duce la o eliberare infinită de căldură pentru o listă infinit de lungă, au calculat cercetătorii. Este destul de greu de imaginat cum un sistem cuantic finit ar putea genera o cantitate infinită de căldură.

Pe de altă parte, dacă măsurătorile tale creează lista din mers, atunci starea cuantică este doar despre cunoștințele tale – și nu există nicio problemă de căldură.

Dacă starea cuantică este de tipul II, aceasta „nu corespunde cu nicio proprietate intrinsecă a sistemului observat”, notează Cabello și coautorii. „Aici, starea cuantică corespunde cunoștințelor sau așteptărilor pe care le are un observator extern. Prin urmare, măsurarea nu provoacă emisii de căldură din sistemul observat.”

Fanii interpretărilor de tip I ar putea argumenta că, într-un fel, sistemul cuantic știe dinainte ce măsurători veți efectua – cu alte cuvinte, chiar nu vă puteți orienta detectorul la întâmplare. Asta ar presupune că comportamentul tău și sistemul cuantic sunt ambele guvernate de un sistem mai mare care observă legi superdeterministe despre care nimeni nu știe nimic. Oricât de bizar sună, ar fi probabil o apărare mai bună decât atacarea principiului lui Landauer.

„Principiul lui Landauer a fost verificat în experimente reale și este considerat valabil în domeniul cuantic”, subliniază Cabello și coautorii. „Prin urmare, ori de câte ori temperatura nu este zero … sistemul ar trebui să disipeze, cel puțin, o cantitate de căldură proporțională cu informațiile șterse.”

Dacă preferați să nu le credeți pe cuvânt, ar trebui să consultați numărul din septembrie Fizica aziîn care Eric Lutz și Sergio Ciliberto explică legăturile intime dintre principiul lui Landauer, informație și a doua lege a termodinamicii.

„Devenind doar recent o știință experimentală”, scriu Lutz și Ciliberto, „termodinamica informațiilor are potențialul de a oferi noi perspective în fizică, chimie și biologie”. Noua lucrare a lui Cabello și a colegilor pare să fie un exemplu de o astfel de perspectivă.

Nimeni nu ar trebui să se aștepte ca această lucrare să pună capăt dezbaterii de interpretare cuantică, desigur. Dar cu siguranță oferă un nou punct de vedere pentru a discuta despre asta.

„În cele din urmă, munca noastră indică faptul că întrebarea de lungă durată, Rezultatele experimentelor pe sisteme cuantice corespund proprietăților intrinseci? nu este pur metafizic”, scriu Cabello și colegii. „Răspunsul său afirmativ are consecințe fizice considerabile, verificabile prin observație experimentală. Falsificarea sa va fi la fel de interesantă, deoarece ne va forța să îmbrățișăm linii de gândire radical noi.”

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried