Kvantfysiker vid Griffith University har avslöjat en ny paradox som säger, när det kommer till vissa långvariga föreställningar om naturen, "något måste ge."

Kvantteorin är praktiskt taget perfekt för att förutsäga beteendet vi observerar när vi utför experiment på små föremål som atomer. Men att tillämpa kvantteori på skalor som är mycket större än atomer, särskilt till observatörer som gör mätningarna, väcker svåra konceptuella frågor.

I en tidning publicerad i Naturfysik , ett internationellt team ledd från Griffith University i Australien har skärpt dessa frågor till en ny paradox.

"Paradoxen innebär att om kvantteorin fungerar för att beskriva observatörer, forskare skulle behöva ge upp ett av tre omhuldade antaganden om världen, sa docent Eric Cavalcanti, en senior teoriförfattare på tidningen.

"Det första antagandet är att när en mätning görs, det observerade resultatet är ett verkligt, enda händelse i världen. Detta antagande utesluter, till exempel, tanken att universum kan splittras, med olika resultat som observeras i olika parallella universum."

"Det andra antagandet är att experimentella inställningar kan väljas fritt, så att vi kan utföra randomiserade prövningar. Och det tredje antagandet är att när ett sådant fritt val väl är gjort, dess inflytande kan inte spridas ut i universum snabbare än ljus, " han sa.

"Var och en av dessa grundläggande antaganden verkar helt rimliga, och tros allmänt. Dock, det är också en allmän uppfattning att kvantexperiment kan skalas upp till större system, även till observatörsnivå. Men vi visar att en av dessa utbredda övertygelser måste vara fel! Att ge upp någon av dem har långtgående konsekvenser för vår förståelse av världen."

Teamet har etablerat paradoxen genom att analysera ett scenario med väl åtskilda intrasslade kvantpartiklar i kombination med en kvant "observatör" - ett kvantsystem som kan manipuleras och mätas utifrån, men som själv kan göra mätningar på en kvantpartikel.

"Baserat på de tre grundläggande antagandena, vi har matematiskt fastställda gränser för vilka experimentella resultat som är möjliga i detta scenario. Men kvantteorin, när den appliceras på observatörer, förutsäger resultat som bryter mot dessa gränser. Faktiskt, vi har redan utfört ett proof-of-princip-experiment med intrasslade fotoner (ljuspartiklar), sade Dr Nora Tischler, en senior experimentell författare. "Och vi hittade en kränkning precis som kvantteorin förutspådde."

"Men vår "observatör" hade en väldigt liten hjärna, så att säga. Den har bara två minnestillstånd, som realiseras som två olika vägar för en foton. Det är därför vi kallar det ett proof-of-principe-experiment, inte ett avgörande bevis på att ett av de tre grundläggande antagandena i vår paradox måste vara fel, " Hon sa.

"För en mer definitiv implementering av paradoxen, vårt drömexperiment är ett där kvantobservatören är ett artificiell intelligensprogram på mänsklig nivå som körs på en enorm kvantdator, sa professor Howard Wiseman, ledaren för projektet och chef för Griffiths Center for Quantum Dynamics, där de teoretiska och experimentella teamen är baserade.

"Det skulle vara ett ganska övertygande test av huruvida kvantteorin misslyckas för observatörer, eller om något av de tre grundläggande antagandena är falskt. Men det är förmodligen decennier bort."

Laboratoriet Center for Quantum Dynamics där experimentet utfördes är också en del av Center for Quantum Computation and Communication Technology, ett Australian Research Council Centre of Excellence.

"Det har länge varit känt att kvantdatorer kommer att revolutionera vår förmåga att lösa svåra beräkningsproblem, " sa professor Wiseman.

"Vad vi inte insåg förrän vi startade den här forskningen är att de också kan hjälpa till att svara på svåra filosofiska problem - den fysiska världens natur, mentalvärlden, och deras relation."