Lever vi i en datorsimulering? Intressant nog, kärnan i denna fråga kan gömma sig i ett exotiskt kvantfenomen som dyker upp i metaller som ett svar på vändningar av rymd-tidsgeometri.

Ett återkommande tema inom science fiction, mest känt populariserad av "Matrix" filmtrilogi, är om vår fysiska verklighet är en datorsimulering. Även om detta verkar vara en ganska filosofisk idé, i teoretisk fysik har den en intressant vridning när den tillämpas på datasimuleringar av komplexa kvantsystem.

Hur kan man ens försöka ge ett svar på denna fråga? I ny forskning publicerad i Vetenskapliga framsteg tidskrift, ett team av teoretiska fysiker från University of Oxford och hebreiska universitetet, kan ha hittat ett sätt att närma sig detta svar.

När jag försöker ta itu med en datasimulering av ett kvantfenomen som förekommer i metaller, forskarna, Zohar Ringel och Dmitry Kovrizhin, funnit bevis på att en sådan simulering är principiell omöjlig. Mer exakt, de visade hur komplexiteten i denna simulering, - som kan mätas i ett antal processortimmar, minnesstorlek, och elräkningar, - ökar i linje med antalet partiklar man skulle behöva simulera.

Om mängden beräkningsresurser som krävs för en kvantsimulering ökar långsamt (t.ex. linjärt) med antalet partiklar i systemet, då måste man fördubbla ett antal processorer, minne, etc. för att kunna simulera ett system dubbelt så stort på samma tid. Men om tillväxten är exponentiell, eller med andra ord om man för varje extra partikel måste fördubbla antalet processorer, minne, etc., då blir den här uppgiften svår. Notera, att bara för att lagra informationen om några hundra elektroner på en dator skulle man kräva ett minne byggt av fler atomer än det finns i universum.

Forskarna identifierade ett särskilt fysiskt fenomen som inte kan fångas upp av någon lokal kvant:Monte-Carlo-simulering. Det är en märklig effekt, som har varit känd i årtionden, men har bara någonsin mätts indirekt. Inom kondensmaterialets fysik, det kallas "termisk hallkonduktans" och i högenergifysik är det känt som en "gravitationsanomali".

I klara ord, termisk Hall konduktans innebär en generation av energiströmmar i riktningen tvärs mot antingen temperaturgradient, eller en vridning i rymdtidens underliggande geometri. Många fysiska system i höga magnetfält och vid mycket låga temperaturer tros uppvisa denna effekt. Intressant nog har sådana kvantsystem undvikit effektiva numeriska simuleringsalgoritmer i decennier.

I deras arbete, teoretikerna visade att för system som uppvisar gravitationella avvikelser kommer de kvantiteter som är involverade i kvant Monte-Carlo-simuleringar att förvärva ett negativt tecken eller bli komplexa. Detta förstör effektiviteten av Monte-Carlo-tillvägagångssättet genom det som kallas "teckenproblemet". Att hitta en lösning på "teckenproblemet" skulle göra storskaliga kvantsimuleringar möjliga, så att beviset på att detta problem inte kan lösas för vissa system, är en viktig.

'Vårt arbete ger en spännande länk mellan två till synes orelaterade ämnen:gravitationella anomalier och beräkningskomplexitet. Det visar också att den termiska Hall -konduktansen är en äkta kvanteffekt:en för vilken det inte finns någon lokal klassisk analog ', säger Zohar Ringel, professor vid hebreiska universitetet, och medförfattare till tidningen.

Detta arbete ger också ett lugnande budskap till teoretiska fysiker. Det sägs ofta i samhället att maskiner tar plats för människor, och kommer så småningom att överta mänskliga jobb. Till exempel, om någon, till exempel, skapar en dator som är tillräckligt kraftfull för att simulera alla egenskaper hos stora kvantsystem, på ett ögonblick. Klart överklagandet att anlita en teoretisk fysiker för att göra exakt samma jobb (med de överväganden som finns i kontorsutrymmen, resepengar, pension etc.) skulle kraftigt minska.

Men, ska teoretiska fysiker vara oroliga för denna möjlighet? På den ljusa sidan, det finns många viktiga och intressanta kvantsystem, några relaterade till supraledning vid hög temperatur, och andra relaterade till topologisk kvantberäkning, för vilka inga effektiva simuleringsalgoritmer är kända. Å andra sidan, kanske väntar sådana algoritmer på att upptäckas? Professor Ringel och Kovrizhin hävdar att, när det gäller en fysiskt viktig delmängd av komplexa kvantdata, en klass av algoritmer så breda som Monte-Carlo-algoritmer, kan inte överlista oss och kommer sannolikt inte att göra det inom en snar framtid.

I samband med den ursprungliga frågan om vår uppfattade verklighet verkligen bara är en del av ett avancerat utomjordingsexperiment, detta arbete kan ge vissa av oss extra trygghet.