Onderzoekers gebruiken Quantum ‚Telepathie‘ om een ​​’Onmogelijk‘ spel te winnen

Om te winnen bij het kaartspel bridge, dat tussen twee sets partners wordt gespeeld, moet een speler op de een of andere manier aan zijn teamgenoot de sterkte van de hand die hij vasthoudt aangeven. Telepathie zou hier goed van pas komen. Maar telepathie is niet echt, toch?

Dat is correct. Decennia lang vermoeden natuurkundigen echter dat als bridge zou worden gespeeld met kaarten die worden beheerst door de regels van de kwantummechanica, iets dat griezelig veel op telepathie lijkt, mogelijk zou moeten zijn. Nu hebben onderzoekers in China deze zogenaamde kwantumpseudotelepathie experimenteel aangetoond – niet in kwantumbrug maar in een kwantumcompetitie voor twee spelers genaamd het Mermin-Peres magic square (MPMS) spel, waarbij winnen vereist dat de spelers hun acties coördineren zonder informatie uit te wisselen met elkaar. Als je het oordeelkundig gebruikt, kunnen de spelers met kwantumpseudotelepathie elke ronde van het spel winnen – een vlekkeloze prestatie die anders onmogelijk zou zijn. Het experiment, uitgevoerd met laserfotonen, onderzoekt de grenzen van wat de kwantummechanica toelaat om informatie tussen deeltjes te delen.

Het werk „is een mooie en eenvoudige directe implementatie van het magische vierkantspel Mermin-Peres“, zegt Arul Lakshminarayan van het Indian Institute of Technology Madras, die niet betrokken was bij de experimentele demonstratie. Zijn schoonheid, voegt hij eraan toe, komt deels voort uit zijn elegantie om te bevestigen dat de toestand van een kwantumsysteem niet goed gedefinieerd is voorafgaand aan de daadwerkelijke meting – iets dat vaak wordt beschouwd als de meest verbijsterende eigenschap van de kwantummechanica. „Deze kwantumgames ondermijnen ernstig ons gemeenschappelijke idee van objecten met reeds bestaande eigenschappen die door waarnemingen worden onthuld“, zegt hij.

Twee kwantumfysici, Asher Peres en David Mermin, bedachten onafhankelijk van elkaar het MPMS in 1990. Er zijn twee spelers bij betrokken (Alice en Bob genaamd, zoals traditie in kwantummechanische gedachte-experimenten) die een „magisch vierkant“ moeten invullen – een drie -bij-drie raster van getallen – waarbij aan elk rasterelement de waarde +1 of –1 wordt toegewezen. In elke ronde stuurt een scheidsrechter (Charlie) willekeurig een rij naar Alice en vervolgens een kolom naar Bob (er zijn negen van dergelijke rij-en-kolomcombinaties). De spelers moeten Charlie vertellen welke waarden van +1 of -1 ze in hun drie rastervakken moeten plaatsen. Zoals bij elke magische vierkante uitdaging (zoals Sudoku), moeten de sommen van elke rij en kolom aan bepaalde beperkingen voldoen: hier moet het product van alle items in een rij gelijk zijn aan +1, en het product van alle kolommen moet zijn: Een. Alice en Bob winnen een ronde als ze allebei dezelfde waarde toekennen aan het rasterelement waar de kolom en rij elkaar overlappen.

Klassiek is het onmogelijk om alle rondes te winnen, want zelfs als Alice en Bob elke keer goed raden, is er onvermijdelijk één ronde voor elk voltooid vierkant waar hun opdrachten moeten conflicteren. Het beste wat ze kunnen doen, is acht van de negen overwinningen behalen.

Graphic legt het spel Mermin-Peres Magic Square (MPMS) uit en waarom spelers niet alle 9 ronden kunnen winnen in het klassieke scenario.
Krediet: Lucy Reading-Ikkanda

Maar stel nu dat Alice en Bob deze kwantumstrategie kunnen gebruiken: in plaats van elk rasterelement een waarde van +1 of -1 toe te kennen, wijzen ze het een paar kwantumbits (qubits) toe, die elk een waarde van +1 of -1 gemeten. De waarde die elke speler aan een bepaald rasterelement geeft, wordt bepaald door de twee qubit-waarden te meten en het product van het paar te vinden. Nu kan het klassieke conflict worden vermeden omdat Alice en Bob verschillende waarden uit dezelfde twee qubits kunnen halen, afhankelijk van hoe ze hun metingen uitvoeren. Er is een bepaalde meetstrategie die ervoor zorgt dat aan de winnende criteria voor een bepaalde ronde wordt voldaan – dat de producten van de drie inzendingen van Alice en Bob respectievelijk +1 en -1 zijn – voor alle negen permutaties van rijen en kolommen.

Er is echter een rimpel aan deze strategie. Om de juiste reeks metingen te doen, moeten Alice en Bob weten welke van hun drie rasterelementen de andere speler overlapt – ze moeten coördineren. Maar in de MPMS is dit geen probleem omdat ze hun metingen sequentieel uitvoeren op dezelfde drie qubit-paren. Dit betekent dat het paar dat Bob bereikt een afdruk heeft van hoe Alice die quibits al heeft gemeten: ze kunnen informatie aan elkaar doorgeven.

Graphic toont een kwantum MPMS-spel waarbij spelers alle 9 rondes kunnen winnen als ze hun qubit-waarden opeenvolgend meten.
Krediet: Lucy Reading-Ikkanda

In 1993 toonde Mermin aan dat het MPMS kan worden gebruikt om een ​​kwantumfenomeen aan te tonen dat contextualiteit wordt genoemd. Voor het eerst geïdentificeerd door de Noord-Ierse natuurkundige John Stewart Bell in 1966, verwijst contextualiteit naar het feit dat de uitkomst van een kwantummeting kan afhangen van hoe de meting wordt uitgevoerd. Een reeks klassieke metingen in een systeem geeft dezelfde resultaten, ongeacht in welke volgorde deze metingen worden uitgevoerd. Maar voor kwantummetingen is dit niet altijd het geval. In het MPMS komt de contextualiteit voort uit het feit dat de meting voor een bepaald qubit-paar een ander resultaat kan geven, afhankelijk van welke andere twee paren ook worden gemeten.

Maar wat als we elke communicatie in het MPMS verbieden door Alice en Bob verschillende qubit-paren toe te wijzen en te zeggen dat ze niet kunnen overleggen hoe ze die moeten meten? Dan kan elke speler alleen gegarandeerd worden van negen van de negen overwinningen als ze de juiste gissingen maken over wat de andere speler doet. Maar in een studie die in 2005 werd gepubliceerd, toonden kwantumtheoreticus Gilles Brassard van de Universiteit van Montreal en zijn collega’s aan dat de spelers kwantumprincipes kunnen gebruiken om een ​​overwinning te garanderen in elke ronde zelfs zonder te communiceren door gebruik te maken van wat zij kwantumpseudotelepathie noemden.

Deze strategie houdt in: verstrikt raken een van elk van de twee qubit-paren die naar Alice of Bob zijn gestuurd met een bijbehorende qubit die door de andere speler wordt gebruikt. Verstrengelde deeltjes hebben eigenschappen die gecorreleerd zijn, dus als Alice de waarde voor haar deeltje meet, bepaalt dit ook de waarde voor het deeltje van Bob. Twee verstrengelde qubitdeeltjes kunnen bijvoorbeeld een anticorrelatie hebben: als de qubit van Alice de waarde +1 heeft, moet die van Bob -1 zijn. Er is geen manier om te zeggen welke waarde de qubit van Alice heeft voordat deze wordt gemeten – het kan +1 of -1 zijn – maar die van Bob zal altijd het tegenovergestelde zijn. Belangrijk is dat een eigenschap die verstrengeld is tussen paren deeltjes „niet-lokaal“ is, wat betekent dat het niet „lokaal“ is voor een van beide deeltjes, maar eerder wordt gedeeld tussen beide. Zelfs als de deeltjes over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn, moet het verstrengelde paar worden beschouwd als een enkel, niet-lokaal object. Hetzelfde basisidee voor het winnen van een kwantumspel werd in 2001 voorgesteld door kwantumtheoreticus Adán Cabello van de Universiteit van Sevilla in Spanje in een spel dat hij ‚alles of niets‘ noemde. waarvan later werd aangetoond dat het equivalent was aan het niet-lokale (pseudotelepathische) MPMS.

Graphic laat zien hoe MPMS-spelers verstrengelde qubits kunnen gebruiken om alle 9 ronden te winnen zonder te communiceren over hun metingen.
Krediet: Lucy Reading-Ikkanda

Sommige onderzoekers beschouwen verstrengeling als het meest fundamentele aspect van de kwantummechanica. Het impliceert een soort informatie-uitwisseling tussen deeltjes. Dat is de sleutel tot het benutten van verstrengeling voor kwantumpseudotelepathie: Alice en Bob hoeven geen informatie uit te wisselen om hun acties te coördineren, omdat de benodigde informatie al wordt gedeeld in de paren deeltjes zelf.

Zowel contextualiteit als niet-lokaliteit bieden „kwantumbronnen“ die kunnen worden gebruikt om enig voordeel te behalen ten opzichte van klassieke benaderingen van informatieverwerking. In kwantumcomputing bijvoorbeeld is verstrengeling tussen de kwantumbits over het algemeen de hulpbron die een snelkoppeling creëert naar het vinden van een oplossing voor het probleem dat niet beschikbaar is voor een klassieke computer.

Natuurkundigen hebben Cabello’s alles-of-niets-spel herhaaldelijk in de echte wereld gedemonstreerd met behulp van verstrengelde fotonen. Maar terwijl die experimenten aantoonden hoe verstrengeling een „kwantumvoordeel“ zou kunnen opleveren door klassieke prestaties te verslaan, hebben Kai Chen van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, Xi-Lin Wang van de Nanjing Universiteit in China en hun collega’s een nieuw experiment bedacht dat ze Say implementeert het volledige protocol om in elke ronde een gegarandeerde overwinning te behalen – echte, consistente kwantumpseudotelepathie.

Idealiter zouden Alice en Bob veel sets van vier qubits voorbereiden voordat het spel begint, waarbij elk kwartet bestaat uit twee verstrengelde paren. Alice zou een van elk van deze paren krijgen en Bob zou de andere krijgen. Het maken van twee verstrengelde paren fotonen voor elke ronde van het spel is echter een enorme uitdaging, zeggen de onderzoekers. Om te beginnen gebeurt de productie van zelfs een enkel verstrengeld paar slechts met een lage waarschijnlijkheid in hun apparaat, dus het zou uiterst onwaarschijnlijk zijn om er twee tegelijk te maken. En het detecteren van twee paren tegelijk, zoals het pseudotelepathische MPMS vereist, is min of meer onmogelijk voor deze optische implementatie.

In plaats daarvan maakten Chen, Wang en hun collega’s enkele fotonparen en verstrengelden ze onafhankelijk van elkaar twee van hun eigenschappen: hun polarisatietoestand en een eigenschap die orbitaal impulsmoment wordt genoemd. De fotonen zaten in ultrakorte laserpulsen van slechts 150 femtoseconden en werden verstrengeld door ze door twee zogenaamde niet-lineaire optische kristallen te leiden. Een dunne plak bariumboraat splitste eerst een enkel foton in twee fotonen met lagere energie met gecorreleerde hoekmomenten. Ze raakten vervolgens ook verstrikt via hun polarisatie, door ze door een kristal van een yttrium-vanadiumverbinding te sturen.

Om een ​​succespercentage van bijna 100 procent aan te tonen, moesten de onderzoekers hun detectie-efficiëntie verbeteren, zodat bijna geen van de verstrengelde fotonen ongezien ontsnapt. Zelfs dan kan de theoretische limiet in het experiment niet precies worden bereikt, maar de onderzoekers konden aantonen dat ze elke ronde konden winnen met een kans van 91,5 tot 97 procent. Dit vertaalt zich in het betrouwbaar verslaan van de klassieke acht-uit-negen limiet in 1.009.610 ronden op een totaal van 1.075.930 gespeeld.

Het pseudotelepathische MPMS-spel maakt gebruik van de sterkste mate van correlatie tussen deeltjes die de kwantummechanica mogelijk kan bieden, zegt Chen. „Ons experiment onderzoekt hoe we extreme kwantumcorrelaties tussen deeltjes kunnen genereren“, zegt hij. Als deze correlaties sterker zouden zijn, zouden ze een snellere dan het licht-informatie-uitwisseling impliceren die volgens een groot aantal andere onafhankelijke experimenten onmogelijk is.

Mermin zegt dat dit succes experimenteel indrukwekkend is, maar niets nieuws onthult buiten het feit dat de kwantummechanica werkt zoals we dachten. Cabello is het daar niet helemaal mee eens. Behalve een experimenteel hoogstandje, zegt hij, laat het werk een nieuwe rimpel zien in wat kwantumregels mogelijk maken door tegelijkertijd twee bronnen van kwantumvoordeel te mobiliseren: de ene gekoppeld aan niet-lokaliteit en de andere gekoppeld aan contextualiteit. Door de twee effecten tegelijkertijd te onderzoeken, zegt Cabello, zouden natuurkundigen de verbanden ertussen grondiger moeten onderzoeken.

Bovendien zou elk van deze bronnen in principe voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt in kwantumverwerking, waardoor de veelzijdigheid ervan wordt vergroot. “Niet-lokaliteit kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor geheime communicatie [using quantum cryptography] terwijl contextualiteit kan worden gebruikt voor kwantumberekening“, zegt Cabello. In dit scenario zou Bob bijvoorbeeld een beveiligde communicatie met Alice kunnen opzetten en tegelijkertijd een berekening met Charlie kunnen uitvoeren, sneller dan de klassieke methoden toelaten.

Het gebruik van gedeelde verstrengeling in deze experimenten „leidt tot effecten die klassiek magisch lijken“, zegt Lakshminarayan. Maar gezien hoe vaak kwantummechanica wordt misbruikt als een valse rechtvaardiging voor pseudowetenschappelijke claims, is het misschien vragen om problemen om het fenomeen ‚pseudotelepathie‘ te noemen? Het is „een slechte term, die uitnodigt tot onzinnige interpretaties“, zegt Mermin. Maar hoewel Cabello het daarmee eens is, erkent hij dat suggestieve namen kunnen helpen om de interesse van het fenomeen te promoten. „Laten we onszelf niet voor de gek houden“, zegt hij. „Het is waarschijnlijk dankzij het woord pseudotelepathie dat“ [you and I] voeren dit gesprek.”

.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert