Czy mechanika kwantowa naprawdę odzwierciedla naturę w swojej najprawdziwszej formie, czy też jest to tylko nasz nieprecyzyjny sposób opisywania dziwnych właściwości bardzo małych cząstek? Sławny test, który może pomóc odpowiedzieć na to pytanie, został teraz przeprowadzony na komputerze kwantowym i dochodzi do zaskakująco konkretnej konkluzji. Mechanika kwantowa faktycznie w pełni opisuje rzeczywistość, przynajmniej dla małych urządzeń kwantowych – a wyniki mogą pomóc nam budować lepsze i bardziej niezawodne maszyny kwantowe.
Od momentu odkrycia mechaniki kwantowej ponad wiek temu jej niepewny i probabilistyczny charakter niepokoił fizyków. Weźmy na przykład nadłożenie – czy cząstka faktycznie przebywa jednocześnie w wielu miejscach, czy obliczenie jej pozycji daje nam zakres prawdopodobieństw, gdzie faktycznie się znajduje? Jeśli to drugie, może istnieć jakaś cecha rzeczywistości, która jest ukryta przed mechaniką kwantową i ogranicza naszą pewność. Taka cecha byłaby „ukrytą zmienną”, a teorie oparte na tym pomyśle nazywane są teoriami zmiennych ukrytych.
W latach 60. fizyk John Bell opracował eksperyment w celu wykluczenia takich teorii. Test Bella sonduje kwantowość, mierząc, jak powiąte, lub splecione, są odległe pary cząstek kwantowych. Jeśli ich właściwości kwantowe są utrzymywane powyżej pewnego progu – jeśli ich splatanie jest tym, co nazywamy nielokalnością, obejmującą dowolną odległość – to moglibyśmy wykluczyć teorie zmiennych ukrytych. Testy Bella zostały od tej pory przetestowane dla wielu systemów kwantowych, jednogłośnie zatwierdzając wrodzoną nielokalność świata kwantowego.
W 2012 roku fizycy Matthew Pusey, Jonathan Barrett i Terry Rudolph opracowali jeszcze bardziej penetracyjny test (nazwany PBR od nich), który pozwoliłby eksperymentatorom odróżnić między różnymi interpretacjami systemu kwantowego. Obejmują one widok ontologiczny, który mówi, że nasze pomiaru systemu kwantowego i jego funkcji falowej – matematyczny opis jego stanów kwantowych – odzwierciedlają rzeczywistość. Inna interpretacja, zwana widokiem epistemicznym, mówi, że ta funkcja falowa to miraż, a istnieje pod nią głębsza, bogatsza rzeczywistość.
Zakładając, że nie wierzysz, że systemy kwantowe mają jakąś inną tajną cechę, która może wpływać na systemy poza funkcją falową, to matematyka PBR pokazuje, że zawsze powinieneś uzyskać ontologiczny obraz rzeczy – że jednak dziwnie by one nie wyglądały, zachowania kwantowe są rzeczywiste. Test PBR działa poprzez porównanie różnych elementów kwantowych, takich jak qubit wewnątrz komputera kwantowego, i mierzenie, jak często odczytują tę samą wartość dla jakiejś cechy, takiej jak ich spin. Jeśli widok epistemiczny byłby poprawny, ilość razy, gdy twoje qubity odczytują tę samą wartość, byłaby wyższa niż przewiduje mechanika kwantowa, co wskazywałoby, że dzieje się coś innego pod powierzchnią.
Songqinghao Yang z Uniwersytetu w Cambridge i jego koledzy opracowali sposób przeprowadzenia testu PBR na działającym komputerze kwantowym IBM Heron i zobaczyli, że dla niewielkich liczb qubitów faktycznie możemy powiedzieć, że systemy kwantowe są ontologiczne. Oznacza to, że mechanika kwantowa wydaje się działać tak, jak sądziliśmy, tak jak to wielokrotnie wykazały testy Bella.
Yang i jego zespół przeprowadzili ten test, mierząc ogólny wynik wyprodukowany przez pary lub grupy pięciu qubitów, takie jak ciągi cyfr 1 i 0, i obliczyli, jak często ten wynik zgadzał się z ich przewidywaniami dotyczącymi zachowania systemu kwantowego, uwzględniając naturalne błędy w systemie.
„Obecnie wszystkie urządzenia kwantowe są zaszumione, a na wszystkich operacjach występują błędy, więc jeśli dodamy ten szum powyżej progu PBR, to co by się stało z naszą interpretacją [naszego systemu]” – mówi Yang. „Okazuje się, że jeśli przeprowadzisz eksperyment na niewielką skalę, to nadal możemy spełnić oryginalny test PBR i możemy wykluczyć interpretację epistemiczną.” Zmienna ukryta, odejdź.
Mimo że mogli to udowodnić dla niewielkich liczb qubitów, mieli trudności z tym samym dla większych liczb qubitów na 156-qubitowej maszynie IBM. Szum lub błędy w systemie stały się zbyt duże, aby badacze mogli odróżnić między dwoma scenariuszami w teście PBR.
Oznacza to, że test nie może nam powiedzieć, czy świat jest kwantowy aż do samej góry. Może się zdarzyć, że w niektórych skalach zwycięży widok ontologiczny, podczas gdy w większej skali nie możemy dokładnie zobaczyć, co robią efekty kwantowe.
Możliwość potwierdzenia „kwantowości” komputera kwantowego za pomocą tego testu może być sposobem potwierdzenia, że te urządzenia robią to, co myślimy, oraz sprawić, że będą bardziej prawdopodobne do wykazania przewagi kwantowej – zdolności do wykonania zadania, które normalnemu komputerowi zajęłoby niewiarygodnie dużo czasu. „Jeśli chcesz uzyskać przewagę kwantową, musisz mieć kwantowość wewnątrz swoich komputerów kwantowych, w przeciwnym razie możesz znaleźć ekwiwalentny algorytm klasyczny” – mówi członek zespołu Haomu Yuan z Uniwersytetu w Cambridge.
„Pomysł wykorzystania PBR jako benchmarku wydajności urządzeń jest intrygujący” – mówi Matthew Pusey z Uniwersytetu w Yorku, Wielka Brytania, jeden z autorów oryginalnego PBR. Ale Pusey jest mniej pewny, że to coś nam mówi o rzeczywistości. „Głównym powodem do przeprowadzenia eksperymentu, zamiast polegać na teorii, jest to, jeśli myślisz, że teoria kwantowa mogłaby być błędna. Ale jeśli teoria kwantowa jest błędna, jakie pytanie nawet zadajesz? Całe ustawienie stanów ontologicznych kontra epistemiczne zakłada teorię kwantową.”
Aby naprawdę znaleźć sposób na przeprowadzenie testu PBR, który mówiłby nam coś o rzeczywistości, trzeba by znaleźć sposób na zrobienie tego, nie zakładając, że teoria kwantowa jest poprawna. „Istnieje mniejszość osób wierzących, że fizyka kwantowa fundamentalnie ulegnie załamaniu w pewnej skali mezoscopicznej” – mówi Terry Rudolph na Imperial College London, kolejny z twórców testu PBR. „Chociaż ten eksperyment nie jest prawdopodobnie istotny dla wykluczania jakiejś konkretnej propozycji tam – by jasne, nie wiem jak!, testowanie fundamentalnych cech teorii kwantowej na coraz większych systemach zawsze pomaga nam zawęzić przestrzeń poszukiwań alternatywnych teorii.”
Referencja: arXiv, DOI: arxiv.org/abs/2510.11213
