Denna Twist på Schrödingers Kattparadox har stora konsekvenser för kvantteori

hur känns det att vara både levande och död?

den frågan irked och inspirerade ungersk-amerikansk fysiker Eugene Wigner på 1960-talet., Han var frustrerad av paradoxerna som härrör från kvantmekanikens vagaries-teorin som styr den mikroskopiska sfären som bland många andra kontraintuitiva saker tyder på att det inte nödvändigtvis har bestämda egenskaper tills ett kvantsystem observeras. Ta hans kollega fysiker Erwin Schrödingers berömda tankeexperiment där en katt är instängd i en låda med gift som kommer att släppas om en radioaktiv atom sönderfaller., Radioaktivitet är en kvantprocess, så innan lådan öppnas går historien, atomen har både förfallit och inte förfallit och lämnar den olyckliga katten i limbo—en så kallad superposition mellan liv och död. Men upplever katten att vara i superposition?

Wigner skärpte paradoxen genom att föreställa sig en (mänsklig) vän till sin Stäng i ett labb, mäta ett kvantsystem. Han hävdade att det var absurt att säga att hans vän existerar i en superposition av att ha sett och inte sett ett förfall om inte och tills Wigner öppnar labbdörren., ”Wigners väns tankeexperiment visar att saker kan bli väldigt konstiga om observatören också observeras”, säger Nora Tischler, en kvantfysiker vid Griffith University i Brisbane, Australien.

nu har Tischler och hennes kollegor genomfört en version av Wigners väntest. Genom att kombinera det klassiska tankeexperimentet med en annan quantum head-scratcher som kallas entanglement—ett fenomen som länkar partiklar över stora avstånd—har de också härlett en ny sats, som de hävdar sätter de starkaste begränsningarna ännu på verklighetens grundläggande natur., Deras studie, som uppträdde i Naturfysik den 17 augusti, har konsekvenser för den roll som medvetandet kan spela i kvantfysik-och även om kvantteori måste ersättas.

det nya arbetet är ett ”viktigt steg framåt inom experimentell metafysik”, säger kvantfysiker Aephraim Steinberg vid University of Toronto, som inte var inblandad i studien. ”Det är början på vad jag förväntar mig kommer att bli ett stort forskningsprogram.,”

en smaksak

tills kvantfysik kom på 1920-talet, förväntade fysiker sina teorier att vara deterministiska och genererade förutsägelser för resultatet av experiment med säkerhet. Men kvantteorin verkar vara i sig probabilistisk. Läroboksversionen—ibland kallad Köpenhamns tolkning-säger att tills ett systems egenskaper mäts kan de omfatta otaliga värden. Denna superposition kollapsar bara i ett enda tillstånd när systemet observeras, och fysiker kan aldrig exakt förutsäga vad det tillståndet kommer att bli., Wigner höll den då populära uppfattningen att medvetandet på något sätt utlöser en superposition för att kollapsa. Således skulle hans hypotetiska vän urskilja ett bestämt resultat när hon eller han gjorde en mätning – och Wigner skulle aldrig se henne eller honom i superposition.

den här vyn har sedan dess fallit i onåd. ”Människor i grunden för kvantmekanik avfärdar snabbt Wigners syn som skrämmande och dåligt definierade eftersom det gör observatörer speciella”, säger David Chalmers, en filosof och kognitiv forskare vid New York University., Idag håller de flesta fysiker med om att livliga föremål kan slå kvantsystem ur överlagring genom en process som kallas avkoherens. Visst, forskare som försöker manipulera komplexa quantum superpositioner i labbet kan hitta sitt hårda arbete förstört av snabba luftpartiklar som kolliderar med sina system. Så de utför sina tester vid ultrakalla temperaturer och försöker isolera sina apparater från vibrationer.,

flera konkurrerande kvanttolkningar har vuxit upp under decennierna som använder mindre mystiska mekanismer, såsom avkodning, för att förklara hur superpositioner bryts ner utan att åberopa medvetandet. Andra tolkningar håller den ännu mer radikala positionen att det inte finns någon kollaps alls. Var och en har sin egen konstiga och underbara ta på sig Wigners test. Den mest exotiska är” många världar ” – vyn, som säger att när du gör en kvantmätning, verklighetsfrakturer, skapar parallella universum för att tillgodose alla möjliga resultat., Således skulle Wigners vän delas upp i två exemplar och, ”med tillräckligt bra superteknik”, kunde han verkligen mäta den personen att vara i överlagring från utanför labbet, säger kvantfysiker och många världar fan Lev Vaidman av Tel Aviv University.

den alternativa ”Bohmian” teorin (uppkallad efter fysikern David Bohm) säger att kvantsystem på grundläggande nivå har bestämda egenskaper; vi vet bara inte tillräckligt om dessa system för att exakt förutsäga deras beteende., I så fall har vännen en enda erfarenhet, men Wigner kan fortfarande mäta den personen att vara i en superposition på grund av sin egen okunnighet. Däremot omfattar en relativ nykomling på blocket som kallas qbism-tolkningen det probabilistiska elementet i kvantteori helhjärtat (QBism, uttalad ”kubism”, är faktiskt kort för kvantbayesianism, en hänvisning till 18th-talets matematiker Thomas Bayes arbete på Sannolikhet.,) QBists hävdar att en person endast kan använda kvantmekanik för att beräkna hur man kalibrerar hans eller hennes övertygelser om vad han eller hon kommer att mäta i ett experiment. ”Mätresultat måste betraktas som personligt för agenten som gör mätningen”, säger Ruediger Schack av Royal Holloway, University of London, som är en av Qbisms grundare. Enligt Qbisms grundsatser kan kvantteori inte berätta något om verklighetens underliggande tillstånd, och inte heller kan Wigner använda den för att spekulera på sin väns erfarenheter.,

en annan spännande Tolkning, kallad retrocausality, tillåter händelser i framtiden att påverka det förflutna. ”I ett retrocausal-konto upplever Wigners vän absolut någonting”, säger Ken Wharton, en fysiker vid San Jose State University, som är en förespråkare för den här tidsvridande vyn. Men att” något ” vänupplevelserna vid mätpunkten kan bero på Wigners val av hur man observerar den personen senare.,

problemet är att varje tolkning är lika bra-eller dåligt-att förutsäga resultatet av kvanttester, så att välja mellan dem kommer ner till smak. ”Ingen vet vad lösningen är”, säger Steinberg. ”Vi vet inte ens om listan över potentiella lösningar vi har är uttömmande.”

andra modeller, som kallas kollaps teorier, gör testbara förutsägelser. Dessa modeller hänger på en mekanism som tvingar ett kvantsystem att kollapsa när det blir för stort—förklarar varför katter, människor och andra makroskopiska objekt inte kan vara i överlagring., Experiment pågår för att jaga efter signaturer av sådana kollapser, men ännu har de inte hittat någonting. Kvantfysiker placerar också allt större föremål i superposition: förra året rapporterade ett team i Wien att göra det med en 2,000-atommolekyl. De flesta kvanttolkningar säger att det inte finns någon anledning till att dessa ansträngningar för att supersize superpositioner inte ska fortsätta uppåt för alltid, förutsatt att forskare kan utforma rätt experiment i orörda labbförhållanden så att avkodning kan undvikas., Collapse teorier anser dock att en gräns kommer att nås en dag, oavsett hur noggrant experiment förbereds. ”Om du försöker manipulera en klassisk observatör—en människa, säg—och behandla det som ett kvantsystem, skulle det omedelbart kollapsa”, säger Angelo Bassi, en kvantfysiker och förespråkare för kollaps teorier vid universitetet i Trieste i Italien.

ett sätt att titta på Wigners vän

Tischler och hennes kollegor trodde att analysera och utföra en Wigners vän experiment kunde kasta ljus på gränserna för kvantteori., De inspirerades av en ny våg av teoretiska och experimentella papper som har undersökt observatörens roll i kvantteori genom att föra sammanflätning i Wigners klassiska inställning. Säg att du tar två partiklar av ljus, eller fotoner, som är polariserade så att de kan vibrera horisontellt eller vertikalt. Fotonerna kan också placeras i en överlagring av vibrerande både horisontellt och vertikalt samtidigt, precis som Schrödingers paradoxala katt kan vara både levande och död innan den observeras.,

sådana par fotoner kan förberedas tillsammans—intrasslad—så att deras polarisationer alltid finns i motsatt riktning när de observeras. Det kanske inte verkar konstigt – om du inte kommer ihåg att dessa egenskaper inte är fasta tills de mäts., Även om en foton ges till en fysiker som heter Alice i Australien, medan den andra transporteras till sin kollega Bob i ett labb i Wien, säkerställer entanglement att så snart Alice observerar sin foton och till exempel finner polariseringen att vara horisontell, synkroniserar polariseringen av Bobs foton direkt till vibrerande vertikalt. Eftersom de två fotonerna verkar kommunicera snabbare än ljusets hastighet – något förbjudet av hans relativitetsteorier-detta fenomen djupt oroade Albert Einstein, som kallade det ”skrämmande handling på avstånd.,”

dessa farhågor förblev teoretiska fram till 1960-talet, när fysikern John Bell utarbetade ett sätt att testa om verkligheten verkligen är skrämmande—eller om det kunde finnas en mer vardaglig förklaring bakom korrelationen mellan intrasslade partners. Bell föreställde sig en commonsense teori som var lokal-det vill säga en där influenser inte kunde resa mellan partiklar direkt. Det var också deterministiskt snarare än i sig probabilistiskt, så experimentella resultat kunde i princip förutsägas med säkerhet, om bara fysiker förstod mer om systemets dolda egenskaper., Och det var realistiskt, vilket, för en kvantteoretiker, innebär att system skulle ha dessa bestämda egenskaper även om ingen tittade på dem. Därefter beräknade Bell den maximala nivån av korrelationer mellan en serie intrasslade partiklar som en sådan lokal, deterministisk och realistisk teori kunde stödja. Om det tröskelvärdet kränktes i ett experiment måste en av antagandena bakom teorin vara falsk.

sådana ”Klocktester” har sedan dess utförts, med en serie vattentäta versioner utförda i 2015, och de har bekräftat verklighetens spookiness., ”Quantum foundations är ett fält som verkligen startades experimentellt av Bells – nu över 50 år gammal. Och vi har spenderat mycket tid på att genomföra dessa experiment och diskutera vad de menar, säger Steinberg. ”Det är mycket sällsynt att människor kan komma med ett nytt test som rör sig bortom Bell.”

Brisbane-lagets mål var att härleda och testa ett nytt teorem som skulle göra just det, vilket ger ännu strängare begränsningar—”lokal vänlighet” gränser—på verklighetens natur. Liksom Bells teori är forskarnas imaginära en lokal., De förbjuder också uttryckligen ”superdeterminism” – det vill säga de insisterar på att experimenter är fria att välja vad man ska mäta utan att påverkas av händelser i framtiden eller det avlägsna förflutna. (Bell antog implicit att experimenter också kan göra fria val.) Slutligen föreskriver laget att när en observatör gör en mätning är resultatet en riktig, enda händelse i världen—Det är inte relativt någon eller något.,

testning av lokal vänlighet kräver en listig inställning som involverar två ”superobservers”, Alice och Bob (som spelar rollen som Wigner), tittar på sina vänner Charlie och Debbie. Alice och Bob var och en har sin egen interferometer – en apparat som används för att manipulera strålar av fotoner. Innan de mäts är fotonernas polariseringar i en överlagring av att vara både horisontella och vertikala. Par intrasslade fotoner är beredda så att om polariseringen av en mäts för att vara horisontell, bör polariseringen av sin partner omedelbart vända för att vara vertikal., En foton från varje intrasslad par skickas till Alice interferometer, och dess partner skickas till Bob ’ s. Charlie och Debbie är faktiskt inte mänskliga vänner i detta test. Snarare är de strålförskjutare på framsidan av varje interferometer. När Alices foton träffar förskjutaren mäts dess polarisering effektivt, och det svänger antingen åt vänster eller höger, beroende på polarisationens riktning som den snäpper in i. Denna åtgärd spelar rollen som Alices vän Charlie ”mäta” polariseringen. (Debbie bor på samma sätt i Bobs interferometer.,)

Alice måste då göra ett val: hon kan mäta fotonens nya avvikande väg omedelbart, vilket skulle motsvara att öppna labbdörren och fråga Charlie vad han såg. Eller hon kan tillåta fotonen att fortsätta på sin resa, som passerar genom en andra stråleförskjutare som rekombinerar vänster och höger vägar—motsvarande att hålla labbdörren stängd. Alice kan sedan direkt mäta sin fotons polarisering när den lämnar interferometern., Under hela experimentet väljer Alice och Bob självständigt vilka mätval som ska göras och jämför sedan anteckningar för att beräkna korrelationer som ses över en serie intrasslade par.

Tischler och hennes kollegor utförde 90 000 körningar av experimentet. Som förväntat kränkte korrelationerna Bells ursprungliga gränser—och avgörande bröt de också mot den nya lokala vänlighetsgränsen., Teamet kan också ändra inställningen för att ställa in graden av sammanflätning mellan fotonerna genom att skicka ett av paret på en omväg innan det kom in i sin interferometer, vilket försiktigt störde den perfekta harmonin mellan partnerna. När forskarna körde experimentet med denna något lägre nivå av sammanflätning, fann de en punkt där korrelationerna fortfarande brutit mot Bells bundna men inte lokal vänlighet. Detta resultat visade att de två gränserna inte är likvärdiga och att de nya lokala vänlighetsbegränsningarna är starkare, säger Tischler., ”Om du bryter mot dem lär du dig mer om verkligheten”, tillägger hon. Namnlösa: om din teori säger att ”vänner” kan behandlas som kvantsystem, måste du antingen ge upp ort, acceptera att mätningar inte har ett enda resultat som observatörer måste komma överens om eller tillåta superdeterminism. Var och en av dessa alternativ har djupgående—och för vissa fysiker, tydligt osmakliga—konsekvenser.,

ompröva verkligheten

”papperet är en viktig filosofisk studie”, säger Michele Reilly, medgrundare av Turing, ett kvantdatorföretag baserat i New York City, som inte var inblandad i arbetet. Hon noterar att fysiker som studerar kvantstiftelser ofta har kämpat för att komma med ett genomförbart test för att säkerhetskopiera sina stora idéer. ”Jag är glad att se ett experiment bakom filosofiska studier”, säger Reilly. Steinberg kallar experimentet ”extremt elegant” och berömmer laget för att ta itu med observatörens roll i mätningshuvudet.,

även om det inte är någon överraskning att kvantmekanik tvingar oss att ge upp ett commonsense-antagande—fysiker visste att Från Bell – ”förskott här är att vi är en förträngning i vilken av dessa antaganden det är”, säger Wharton, som inte heller var en del av studien. Ändå noterar han, förespråkare av de flesta kvanttolkningar kommer inte att förlora någon sömn. Fans av retrocausalitet, som han själv, har redan gjort fred med superdeterminism: enligt deras uppfattning är det inte chockerande att framtida mätningar påverkar tidigare resultat., Under tiden kastade Qbister och många världar anhängare för länge sedan kravet på att kvantmekanik föreskriver ett enda resultat som varje observatör måste komma överens om.

och både Bohmisk mekanik och spontana kollaps modeller redan glatt ditched ort som svar på Bell. Dessutom säger kollapsmodeller att en riktig makroskopisk vän inte kan manipuleras som ett kvantsystem i första hand.

Vaidman, som inte heller var inblandad i det nya arbetet, är dock mindre enthused av det och kritiserar identifieringen av Wigners vän med en foton., De metoder som används i papperet ”är löjliga; vännen måste vara makroskopisk”, säger han. Filosof av fysik Tim Maudlin från New York University, som inte var en del av studien, håller med. ”Ingen tror att en foton är en observatör, om du inte är en panpsykiker”, säger han. Eftersom ingen fysiker ifrågasätter om en foton kan sättas i superposition, känner Maudlin experimentet saknar bett. ”Det utesluter något-bara något som ingen någonsin föreslog”, säger han.

Tischler accepterar kritiken. ”Vi vill inte övervinna vad vi har gjort”, säger hon., Nyckeln till framtida experiment kommer att öka storleken på ”vännen”, tillägger lagmedlem Howard Wiseman, en fysiker vid Griffith University. Det mest dramatiska resultatet, säger han, skulle innebära att använda en artificiell intelligens, belägen på en kvantdator, som vän. Vissa filosofer har funderat på att en sådan maskin kan ha mänskliga erfarenheter, en position som kallas den starka AI-hypotesen, Wiseman noterar, men ingen vet ännu om den tanken kommer att visa sig vara sann. Men om hypotesen håller, skulle denna kvantbaserade artificiella allmänna intelligens (AGI) vara mikroskopisk., Så ur synvinkel av spontana kollapsmodeller skulle det inte utlösa kollaps på grund av dess storlek. Om ett sådant test kördes, och den lokala vänligheten bunden inte kränktes, skulle detta resultat innebära att en AGI medvetande inte kan sättas i superposition. I sin tur skulle den slutsatsen föreslå att Wigner hade rätt att medvetandet orsakar kollaps. ”Jag tror inte att jag kommer att leva för att se ett experiment som detta”, säger Wiseman. ”Men det skulle vara revolutionerande.,”

Reilly varnar dock för att fysiker hoppas att framtida AGI kommer att hjälpa dem hem på den grundläggande beskrivningen av verkligheten sätter vagnen framför hästen. ”Det är inte otänkbart för mig att kvantdatorer kommer att vara paradigmskiftet för att komma till oss i AGI”, säger hon. ”I slutändan behöver vi en teori om allt för att bygga en AGI på en kvantdator, period, fullstopp.”

detta krav kan utesluta fler grandiösa planer. Men laget föreslår också mer blygsamma mellanliggande tester som involverar maskininlärningssystem som vänner, vilket tilltalar Steinberg., Det tillvägagångssättet är” intressant och provocerande”, säger han. ”Det blir tänkbart att större och större beräkningsenheter faktiskt kan mätas på ett kvant sätt.”

Renato Renner, en kvantfysiker vid Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zurich), gör ett ännu starkare påstående: oavsett om framtida experiment kan utföras, säger han, den nya teorem berättar att kvantmekanik måste bytas ut., I 2018 Renner och hans kollega Daniela Frauchiger, sedan på ETH Zürich, publicerade ett tankeexperiment baserat på Wigners vän och använde det för att härleda en ny paradox. Deras inställning skiljer sig från Brisbane-laget men involverar också fyra observatörer vars mätningar kan bli intrasslade. Renner och Frauchiger beräknade att om observatörerna tillämpar kvantlagar på varandra, kan de sluta sig till olika resultat i samma experiment.

”det nya papperet är en annan bekräftelse på att vi har problem med nuvarande kvantteori”, säger Renner, som inte var inblandad i arbetet., Han hävdar att ingen av dagens kvanttolkningar kan maskera sig ur den så kallade Frauchiger-Renner paradoxen utan förespråkare som erkänner att de inte bryr sig om kvantteorin ger konsekventa resultat. QBists erbjuder det mest välsmakande sättet att fly, för från början säger de att kvantteori inte kan användas för att dra slutsatsen vad andra observatörer kommer att mäta, säger Renner. ”Det oroar mig fortfarande: om allt bara är personligt för mig, hur kan jag säga något som är relevant för dig?”han tillägger., Renner arbetar nu med en ny teori som ger en uppsättning matematiska regler som skulle göra det möjligt för en observatör att räkna ut vad en annan ska se i ett kvantexperiment.

de som starkt tror att deras favorittolkning är rätt ser lite värde i tischlers studie. ”Om du tror att kvantmekanik är ohälsosamt, och det behöver bytas ut, så är det användbart eftersom det berättar nya begränsningar”, säger Vaidman. ”Men jag håller inte med om att så är fallet—många världar förklarar allt.,”

för närvarande måste fysiker fortsätta att komma överens om att vara oense om vilken tolkning som är bäst eller om en helt ny teori behövs. ”Det var där vi slutade i början av 1900—talet-Vi är verkligen förvirrade om detta”, säger Reilly. ”Men dessa studier är exakt det rätta att göra för att tänka igenom det.”

Disclaimer: författaren skriver ofta för Foundational Questions Institute, som sponsrar forskning inom fysik och kosmologi och delvis finansierade Brisbane-lagets studie.