Seberapa membingungkan sistem kuantum? Jawabannya mungkin tidak bisa dihitung.

Bukti di persimpangan matematika murni dan teori algoritma membawa "keterikatan kuantum" ke tingkat yang sama sekali baru.

Ungkapan "Aku buang batu bata" dalam sebuah artikel oleh Nature sangat berharga. Ya, ini adalah hasil yang tidak terduga sehingga Alam mengambil kebebasan. (dari penerjemah)

Keterikatan kuantum adalah jantung dari bukti matematika baru.Kredit: Victor De Schwanberg / Science Photo Library

Albert Einstein pernah mencatat bahwa mekanika kuantum harus memungkinkan dua objek untuk saling mempengaruhi secara instan, bahkan pada jarak yang jauh, menyebut fenomena ini "aksi mistis jarak jauh" [1]. Puluhan tahun setelah kematiannya, percobaan mengkonfirmasi keberadaan fenomena ini, tetapi masih belum jelas bagaimana objek terkoordinasi di alam dapat. Lima peneliti mengatakan bahwa mereka menemukan pembenaran teoretis untuk fakta bahwa jawabannya pada prinsipnya tidak mungkin didapat.

Artikel setebal 165 halaman yang diposting oleh tim di repositori arXiv preprint [2] belum ditinjau. Jika hasilnya dikonfirmasi, ia akan segera menyelesaikan seluruh rangkaian masalah terkait dalam matematika murni, mekanika kuantum, dan dalam teori kompleksitas algoritmik. Sangat menarik bahwa ia akan menjawab pertanyaan matematika yang belum terselesaikan selama lebih dari 40 tahun.

Jika buktinya dikonfirmasi, itu akan menjadi "hasil yang sangat indah," kata Stephanie Werner, seorang ahli fisika teoritis di University of Technology Delft di Belanda.

Di jantung artikel adalah teorema dari teori kompleksitas algoritme pada efektivitas algoritma. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa tugas ini secara matematis setara dengan pertanyaan aksi mistis jarak jauh - yang juga disebut keterikatan kuantum.

Teorema tersebut menggambarkan masalah dari teori permainan, di mana tim yang terdiri dari dua pemain dapat mengoordinasikan tindakan mereka menggunakan keterikatan kuantum, tetapi tidak dapat berbicara satu sama lain. Keterikatan kuantum memungkinkan pemain untuk menang lebih sering daripada yang mungkin terjadi dalam kasus klasik. Para penulis karya baru berpendapat bahwa pemain pada dasarnya tidak dapat menghitung strategi permainan yang optimal. Oleh karena itu, mustahil untuk menghitung tingkat koordinasi yang dapat mereka capai secara teori. "Tidak ada algoritma yang memberi tahu Anda apa pelanggaran maksimum batas klasik dalam mekanika kuantum," kata rekan penulis Thomas Widik dari Caltech.

"Apa yang paling menakjubkan adalah bahwa teori kuantum kompleksitas algoritmik yang menjadi kunci pembuktiannya," kata Toby Kubitt, seorang spesialis dalam teori informasi kuantum dari University College London.

Berita tentang artikel tersebut dengan cepat menyebarkan gelombang antusiasme di jejaring sosial setelah publikasi artikel pada 14 Januari. "Saya pikir pertanyaan ini akan menjadi salah satu dari mereka yang membutuhkan waktu ratusan tahun untuk diselesaikan," twit Joseph Fitzsimons, direktur eksekutif startup Horizon Quantum Computing dari Singapura.

“Saya sedang menggosok batu bata di sini,” komentar fisikawan lain , Mateus Araújo dari Akademi Ilmu Pengetahuan Austria di Wina. "Saya tidak akan pernah berpikir bahwa dalam hidup saya, saya akan melihat solusi untuk masalah ini."

Properti yang diamati

Dari sudut pandang matematika murni, masalahnya dikenal sebagai tugas investasi Conn, untuk menghormati ahli matematika Prancis dan pemenang hadiah Fields, Alan Conn. Ini adalah pertanyaan dalam teori operator, bidang matematika yang muncul pada 1930-an dari upaya untuk menciptakan dasar bagi mekanika kuantum. Operator adalah matriks angka yang dapat memiliki jumlah baris dan kolom yang terbatas atau tidak terbatas. Mereka memainkan peran kunci dalam teori kuantum, di mana operator mendefinisikan sifat yang dapat diamati dari objek fisik.

Dalam artikel 1976 [3], Conn, menggunakan bahasa operator, mengajukan pertanyaan: dapatkah sistem kuantum dengan jumlah tak terukur jumlah terukur kira-kira digambarkan oleh sistem yang lebih sederhana dengan jumlah kuantitas terbatas.

Tetapi artikel oleh Vidik dan rekan penulis membuktikan bahwa jawabannya adalah tidak: pada prinsipnya, sistem kuantum dapat ada yang tidak dapat dijelaskan kira-kira oleh sistem terbatas. Menurut karya fisikawan Boris Tsirelson [4], yang mereformasi masalah, ini juga berarti bahwa tidak mungkin untuk menghitung jumlah korelasi yang akan ditunjukkan oleh dua sistem seperti itu, karena bingung.

Area yang berbeda

Buktinya adalah kejutan bagi masyarakat. "Saya yakin bahwa masalah Cirelson harus memiliki jawaban positif," tulis Araújo dalam komentarnya, menambahkan bahwa hasilnya merusak keyakinannya bahwa "Alam dalam beberapa hal terbatas secara fundamental."
Tetapi para peneliti hanya mulai menyadari semua konsekuensi dari hasilnya. Keterikatan kuantum berada di jantung bidang komputasi kuantum dan komunikasi kuantum yang baru lahir dan dapat digunakan untuk membuat jaringan yang super aman. Secara khusus, mengukur jumlah korelasi antara objek yang terjerat dalam sistem pesan dapat memberikan bukti keandalan jaringan dari mendengarkan. Tetapi, seperti yang dikatakan Venus, hasil baru ini tidak mungkin memiliki konsekuensi untuk teknologi, karena semua aplikasi praktis menggunakan sistem kuantum terbatas. Bahkan, katanya, bahkan sulit untuk membayangkan seperti apa sebuah eksperimen seharusnya, memeriksa keanehan kuantum dari sistem tak terbatas.

Kombinasi teori kompleksitas, informasi kuantum, dan matematika berarti bahwa hanya sedikit ilmuwan yang dapat membual bahwa mereka memahami semua aspek dari artikel baru. Conn sendiri mengatakan kepada Nature bahwa ia tidak cukup memenuhi syarat untuk berkomentar. Tetapi dia juga menambahkan bahwa dia terkejut dengan jumlah konsekuensi dari hasil ini. "Sungguh menakjubkan bahwa masalah ini begitu dalam, aku tidak pernah bisa membayangkannya!"

Sastra

[1] Einstein, A., Podolsky, B. & Rosen, N. Phys. Rev. 47, 777 (1935).
[2] Ji, Z., Natarajan, A., Vidick, T., Wright, J. & Yuen, H. https://arxiv.org/abs/2001.04383 (2020).
[3] Connes, A. Ann. Matematika 104, 73–115 (1976).
[4] Tsirelson, B. Hadronic J. Suppl. 4, 329-345 (1993).

Dari penerjemah

Saya sangat menyarankan Anda untuk membaca posting oleh Scott Aaronson tentang hasil ini, ia memiliki banyak detail, komentar sangat berguna.

Dan juga tentang masalah Zirelson ada presentasi yang sangat menarik, di mana tugas itu sendiri dipertimbangkan dengan sangat rinci.

Dan akhirnya: jika Anda ingin menyaksikan upaya saya untuk mengetahui bagaimana melakukan twitter ilmiah, selamat datang: @hbar_universe .