(Phys.org)—I fisici si stanno avvicinando un po' alla risposta a una delle domande più antiche e basilari della teoria quantistica:lo stato quantistico rappresenta la realtà o solo la nostra conoscenza della realtà?

George C. ginocchio, un fisico teorico presso l'Università di Oxford e l'Università di Warwick, ha creato un algoritmo per la progettazione di esperimenti ottimali che potrebbe fornire la prova più forte che lo stato quantistico è uno stato ontico (uno stato di realtà) e non uno stato epistemico (uno stato di conoscenza). Knee ha pubblicato un articolo sulla nuova strategia in un recente numero del Nuovo Giornale di Fisica .

Mentre i fisici hanno discusso sulla natura dello stato quantistico fin dai primi giorni della teoria quantistica (con, più famoso, Bohr è favorevole all'interpretazione ontica e Einstein sostiene quella epistemica), la maggior parte delle prove moderne ha supportato l'idea che lo stato quantistico rappresenti effettivamente la realtà.

Filosoficamente, questa interpretazione può essere difficile da digerire, poiché significa che le molte caratteristiche controintuitive della teoria quantistica sono proprietà della realtà, e non per limiti di teoria. Una delle più notevoli di queste caratteristiche è la sovrapposizione. Prima di misurare un oggetto quantistico, la teoria quantistica dice che l'oggetto esiste simultaneamente in più di uno stato, ciascuno con una probabilità particolare. Se questi stati sono ontici, significa che una particella occupa davvero due stati contemporaneamente, non solo che sembra così a causa della nostra limitata capacità di preparare particelle, come nella visione epistemica.

Cosa si intende esattamente per capacità limitata di preparare le particelle? Per capire questo, Knee spiega che i diversi stati quantistici devono essere pensati come distribuzioni sui possibili veri stati di realtà. Se c'è qualche sovrapposizione tra queste distribuzioni, allora gli stati di realtà in cui una particella può essere preparata sono limitati.

Attualmente non è chiaro se vi sia effettivamente una sovrapposizione tra le distribuzioni degli stati quantistici. Se non c'è sovrapposizione, allora la particella deve davvero occupare due stati contemporaneamente, che è la vista ontica. D'altra parte, se c'è qualche sovrapposizione, allora è possibile che la particella esista in uno stato nell'area di sovrapposizione, e non possiamo dire la differenza tra le due possibilità a causa della sovrapposizione. Questa è la visione epistemica, e rimuove alcune delle stranezze della sovrapposizione spiegando che l'indistinguibilità di due stati è il risultato della sovrapposizione (e della limitazione umana) piuttosto che della realtà.

Inquadrare la domanda in termini di sovrapposizione offre un modo per testare le due prospettive. Se i fisici possono dimostrare che l'indistinguibilità degli stati quantistici può in qualche modo essere spiegata dalla realtà e non sovrapporsi, poi ciò pone restrizioni più strette alla visione epistemica e rende più plausibile la visione ontica.

Una chiave di tali test è che il compito di discriminare tra due stati comporta sempre un piccolo errore. Avendo completo, la conoscenza onnisciente della realtà dovrebbe migliorare la discriminazione statale. Ma di quanto? Questa è la grande domanda, ei fisici stanno cercando di dimostrare che il valore di questo "miglioramento dovuto alla maggiore realtà degli stati quantistici" è molto grande. Ciò significherebbe che la sovrapposizione gioca molto poco, se del caso, ruolo nello spiegare perché gli stati sono indistinguibili. Non è semplicemente che i fisici non possono preparare accuratamente il vero stato della realtà, è che l'indistinguibilità deve essere pensata come una proprietà fondamentale degli stessi stati quantistici.

Attualmente, i migliori dati sperimentali mostrano che la quantità di miglioramento dell'errore che può essere attribuita alla sovrapposizione è di circa il 69%. Nel nuovo giornale, Knee ha proposto un modo per ridurre questo valore a meno del 50% con la tecnologia attuale. Come spiega, ciò significherebbe che "la sovrapposizione sta facendo meno della metà del lavoro necessario per spiegare l'indistinguibilità degli stati quantistici non ortogonali".

"Il più grande significato del lavoro è la nuova conoscenza su come condurre esperimenti che possono mostrare la realtà dello stato quantistico, "Il ginocchio ha detto Phys.org . "Il grande vantaggio è che gli sperimentatori ora saranno in grado di fare di più con meno:vale a dire, fare restrizioni sempre più strette sulle possibili interpretazioni della meccanica quantistica con meno risorse sperimentali. Questi esperimenti richiedono tipicamente sforzi eroici, ma il progresso teorico dovrebbe significare che ora sono possibili con attrezzature più economiche e in meno tempo."

Per ottenere un tale miglioramento, Il lavoro di Knee affronta una delle maggiori sfide in questo tipo di test, ovvero identificare i tipi di stati e misurazioni che ottimizzano il miglioramento dell'errore. Questo è un problema di ottimizzazione molto dimensionale, con almeno 72 variabili, è estremamente difficile da risolvere utilizzando metodi di ottimizzazione convenzionali.

Knee ha mostrato che un approccio molto migliore a questo tipo di problema di ottimizzazione è convertirlo in un problema che può essere studiato con metodi di programmazione convessa. Per cercare le migliori combinazioni di variabili, ha applicato tecniche dalla teoria dell'ottimizzazione convessa, ottimizzando alternativamente una variabile e poi l'altra fino a quando i valori ottimali di entrambe convergono. Questa strategia garantisce che i risultati siano "parzialmente ottimali, " significa che nessun cambiamento in una sola delle variabili potrebbe fornire una soluzione migliore. E non importa quanto sia ottimale un risultato, Knee spiega che potrebbe non essere mai possibile escludere del tutto la visione epistemica.

"Ci sarà sempre margine di manovra!" Egli ha detto. "Certamente con le tecniche a noi note attualmente, una piccola quantità di sovrapposizione epistemica può sempre essere mantenuta, perché gli esperimenti devono essere finiti in un tempo finito, e soffrono sempre di un po' di rumore. Per non parlare delle scappatoie più stravaganti che un epistemista convinto potrebbe tentare di superare:per esempio, di solito si può fare appello alla retrocausalità o al campionamento ingiusto per aggirare i risultati di qualsiasi "metafisica sperimentale". Tuttavia, Credo che mostrare lo stato quantico debba essere reale almeno per il 50% sia un obiettivo realizzabile che la maggior parte delle persone ragionevoli non sarebbe in grado di sottrarsi all'accettazione".

Un risultato particolarmente sorprendente e incoraggiante del nuovo approccio è che mostra che gli stati misti potrebbero funzionare meglio per supportare la visione ontica rispetto agli stati puri. Tipicamente, gli stati misti sono considerati più epistemici e con prestazioni inferiori rispetto agli stati puri in molte applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche. Il lavoro di Knee mostra che uno dei vantaggi degli stati misti è che sono estremamente robusti al rumore, il che suggerisce che gli esperimenti non hanno bisogno di una precisione così elevata come si pensava in precedenza per dimostrare la realtà dello stato quantistico.

"Spero vivamente che gli sperimentatori possano utilizzare le ricette che ho trovato nel prossimo futuro, "Knee ha detto. "È probabile che la tecnica generale che ho sviluppato trarrebbe beneficio da alcune modifiche per adattarla a un particolare setup sperimentale (ad esempio, ioni nelle trappole, fotoni o sistemi superconduttori). C'è anche spazio per ulteriori miglioramenti teorici della tecnica, come combinarlo con altri approcci teorici noti e introdurre vincoli aggiuntivi per apprendere qualcosa della struttura generale dell'interpretazione epistemica. Il Santo Graal da un punto di vista teorico sarebbe trovare le migliori ricette sperimentali possibili e dimostrare che sono altrettanto! È qualcosa su cui continuerò a lavorare".

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