(Phys.org) - Fysiker kommer lite närmare att besvara en av de äldsta och mest grundläggande frågorna i kvantteorin:representerar kvanttillståndet verkligheten eller bara vår kunskap om verkligheten?

George C. Knee, en teoretisk fysiker vid University of Oxford och University of Warwick, har skapat en algoritm för att designa optimala experiment som kan ge det starkaste beviset än att kvanttillståndet är ett ontiskt tillstånd (ett verklighetstillstånd) och inte ett epistemiskt tillstånd (ett kunskapstillstånd). Knä har publicerat ett papper om den nya strategin i ett nyligen utgåva av New Journal of Physics .

Medan fysiker har debatterat om kvanttillståndets natur sedan de första dagarna av kvantteorin (med, mest känt, Bohr är för den ontiska tolkningen och Einstein argumenterar för den epistemiska), mest moderna bevis har stött uppfattningen att kvanttillståndet verkligen representerar verkligheten.

Filosofiskt, denna tolkning kan vara svår att svälja, eftersom det betyder att de många kontraintuitiva egenskaperna i kvantteorin är verklighetens egenskaper, och inte på grund av teoribegränsningar. En av de mest anmärkningsvärda av dessa funktioner är superposition. Innan ett kvanteobjekt mäts, kvantteorin säger att objektet samtidigt existerar i mer än ett tillstånd, var och en med en viss sannolikhet. Om dessa tillstånd är ontiska, det betyder att en partikel verkligen upptar två tillstånd samtidigt, inte bara att det verkar så på grund av vår begränsade förmåga att framställa partiklar, som i den epistemiska synen.

Vad menas exakt med en begränsad förmåga att framställa partiklar? För att förstå detta, Knä förklarar att olika kvanttillstånd måste betraktas som fördelningar över de möjliga verkliga tillstånden i verkligheten. Om det finns någon överlappning mellan dessa fördelningar, då är verklighetstillstånden i vilka en partikel kan framställas begränsad.

För närvarande är det inte klart om det faktiskt finns någon överlappning mellan kvanttillståndsfördelningar. Om det inte finns någon överlappning, då måste partikeln verkligen uppta två tillstånd samtidigt, vilket är den ontiska synen. Å andra sidan, om det finns någon överlappning, då är det möjligt att partikeln existerar i ett tillstånd i det överlappande området, och vi kan bara inte se skillnaden mellan de två möjligheterna på grund av överlappningen. Detta är den epistemiska synen, och det tar bort en del av superpositionens konstigheter genom att förklara att två staters oskiljbarhet är ett resultat av överlappning (och mänsklig begränsning) snarare än av verkligheten.

Att formulera frågan när det gäller överlappning erbjuder ett sätt att testa de två perspektiven. Om fysiker kan visa att kvanttillståndens oskiljbarhet på något sätt kan förklaras av verkligheten och inte överlappa varandra, då sätter det strängare restriktioner på den epistemiska synen och gör den ontiska synen mer trolig.

En nyckel till sådana tester är att uppgiften att diskriminera mellan två stater alltid har ett litet fel. Att ha komplett, allvetande kunskap om verkligheten bör förbättra statlig diskriminering. Men hur mycket? Detta är den stora frågan, och fysiker försöker visa att värdet av denna "förbättring på grund av kvanttillståndens ökade verklighet" är mycket stort. Detta skulle innebära att överlappningen spelar väldigt lite, om någon, roll för att förklara varför stater inte går att skilja. Det är inte bara så att fysiker inte exakt kan förbereda det verkliga tillståndet, det är att oskiljbarheten måste ses som en grundläggande egenskap hos själva kvanttillstånden.

För närvarande, de bästa experimentella data visar att mängden felförbättringar som kan hänföras till överlappning är cirka 69%. I det nya papperet Knä har föreslagit ett sätt att minska detta värde till mindre än 50% med nuvarande teknik. Som han förklarar, detta skulle innebära att "överlappning gör mindre än hälften av det nödvändiga arbetet med att förklara oskiljbarheten hos icke-ortogonala kvanttillstånd."

"Verkets största betydelse är den nya kunskapen om hur man utför experiment som kan visa verkligheten i kvanttillståndet, "Berättade knä Phys.org . "De stora bonusarna är att experimentalister nu kommer att kunna göra mer med mindre:det vill säga göra hårdare och hårdare restriktioner för möjliga tolkningar av kvantmekanik med färre experimentella resurser. Dessa experiment kräver vanligtvis heroiska ansträngningar, men de teoretiska framstegen borde innebära att de nu är möjliga med billigare utrustning och på kortare tid. "

För att uppnå en sådan förbättring, Knäarbete tar upp en av de största utmaningarna i denna typ av test, som ska identifiera de typer av tillstånd och mätningar som optimerar felförbättringen. Detta är ett mycket högdimensionellt optimeringsproblem-med minst 72 variabler, det är extremt svårt att lösa med konventionella optimeringsmetoder.

Knä visade att ett mycket bättre tillvägagångssätt för denna typ av optimeringsproblem är att konvertera det till ett problem som kan studeras med konvexa programmeringsmetoder. För att söka efter de bästa kombinationerna av variabler, han tillämpade tekniker från konvex optimeringsteori, omväxlande optimera en variabel och sedan den andra tills de optimala värdena för båda konvergerar. Denna strategi säkerställer att resultaten är "delvis optimala, "vilket innebär att ingen förändring av bara en av variablerna kan ge en bättre lösning. Och oavsett hur optimalt ett resultat är, Knä förklarar att det kanske aldrig går att utesluta den epistemiska synen helt.

"Det kommer alltid att finnas krångelrum!" han sa. "Säkert med de tekniker som är kända för oss för närvarande, en liten mängd epistemisk överlappning kan alltid upprätthållas, eftersom experiment måste vara klara på en begränsad tid, och lider alltid av lite buller. Det vill säga ingenting om de mer galna kryphål som en trofast epistemiker skulle kunna försöka hoppa igenom:till exempel man kan vanligtvis vädja till retrocausality eller orättvis provtagning för att komma runt resultaten av någon "experimentell metafysik". Ändå, Jag tror att visning av kvanttillståndet måste vara minst 50% verkligt är ett uppnåeligt mål som de flesta rimliga människor inte skulle kunna vrida sig ur att acceptera. "

Ett särskilt överraskande och uppmuntrande resultat av det nya tillvägagångssättet är att det visar att blandade stater kan fungera bättre för att stödja den ontiska synen än rena stater kan. Vanligtvis, blandade tillstånd betraktas som mer epistemiska och lägre prestanda än rena tillstånd i många applikationer för kvantinformationsbehandling. Knäarbete visar att en av fördelarna med de blandade tillstånden är att de är extremt robusta mot buller, vilket tyder på att experiment inte behöver nästan lika hög precision som tidigare trodde för att demonstrera kvanttillståndets verklighet.

"Jag hoppas verkligen att experimenterande kommer att kunna använda de recept som jag har hittat inom en snar framtid, "Knä sa." Det är troligt att den allmänna tekniken som jag utvecklat skulle gynnas av några justeringar för att skräddarsy den till en viss experimentell inställning (t.ex. joner i fällor, fotoner eller supraledande system). Det finns också utrymme för ytterligare teoretiska förbättringar av tekniken, som att kombinera den med andra kända teoretiska tillvägagångssätt och införa extra begränsningar för att lära sig något om den epistemiska tolkningens allmänna struktur. Den heliga gralen ur en teoretisk synvinkel skulle vara att hitta bästa möjliga experimentella recept och bevisa att de är lika mycket! Det är något jag kommer att fortsätta arbeta med. "

© 2017 Phys.org