Primera evidencia de que los procesos cuánticos generan números verdaderamente aleatorios

Existe una sensación creciente entre los físicos de que todos los procesos físicos pueden pensarse en términos de la información que almacenan y procesan; según algunas cuentas, la información es la unidad básica de existencia en nuestro cosmos. Ese tipo de pensamiento tiene implicaciones extraordinarias: significa que la realidad es un tipo de cálculo en el que los procesos básicos en funcionamiento simplemente se abren camino a través de un vasto cimiento de información.

Y, sin embargo, esto contradice otro de los grandes desafíos a los que se enfrenta la ciencia moderna: comprender la naturaleza de la aleatoriedad. Si bien la información se puede definir como una secuencia ordenada de símbolos, la aleatoriedad es lo opuesto al orden, la ausencia de patrón. Una de las características básicas de la verdadera aleatoriedad es que no puede ser producido por una computadora, de lo contrario no sería aleatorio y eso crea un problema delicioso.

Si todos los procesos físicos del universo son cálculos en curso, ¿cómo surge la aleatoriedad? ¿Qué tipo de proceso puede ser responsable de su creación?

Hasta hace poco, los matemáticos solo podían estudiar la aleatoriedad generada por procesos físicos clásicos como el lanzamiento de monedas o los programas informáticos que generan la denominada pseudoaleatoriedad. Dado que los procesos físicos como el lanzamiento de monedas son difíciles de probar y difíciles de manejar, los generadores de números aleatorios son programas como Mathematica, que usa las interesantes propiedades de los autómatas celulares para generar secuencias psedoraaleatorias de números. Otro método consiste simplemente en elegir una secuencia de números a partir de los dígitos de un número irracional como pi.

Este material se ve y se siente aleatorio, pero debido a que se puede calcular, los matemáticos lo tratan con sospecha.

Pero en los últimos años, los científicos han encontrado una nueva fuente de aleatoriedad que un programa de computadora no puede producir. Esto se llama aleatoriedad algorítmica y es el estándar de oro cuando se trata de la ausencia de orden. La nueva fuente de esta aleatoriedad es el mundo cuántico y proviene de la explotación de procesos cuánticos, como si un fotón es transmitido o reflejado por un espejo semiplateado.

Esto debería producir secuencias que nunca podrán ser creadas por una computadora. Pero, ¿son estas secuencias sensiblemente diferentes de las producidas por computadoras?

Esta cuestión la resuelven hoy Cristian Calude de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda y algunos compañeros. Estos chicos han llevado a cabo la primera comparación experimental de aleatoriedad generada de estas diferentes formas y lo han hecho a gran escala, utilizando secuencias de 2 ^ 32 de longitud.

Calude y sus colegas comparan varios tipos de secuencias aleatorias generadas de diferentes maneras. Las secuencias provienen de un generador cuántico de números aleatorios llamado Cuántos , otro de físicos en Viena que también explotan procesos cuánticos, también utilizan secuencias convencionales generadas por programas de computadora como Mathematica y Maple, así como una secuencia de 2 ^ 32 bits de una expansión binaria de pi.

El equipo utiliza cuatro pruebas diferentes en su comparación, que se dividen en cuatro categorías basadas en la teoría de la información algorítmica, pruebas estadísticas que involucran conteos de frecuencia, una prueba basada en la teoría de la información de Shannon y, finalmente, una prueba basada en caminatas al azar.

Los resultados muestran que la secuencia generada por Quantis se distingue fácilmente de los otros conjuntos de datos. Esto, dicen Calude y compañía, es evidencia de que la aleatoriedad cuántica es realmente incomputable. Eso significa que no pudo haber sido generado por una computadora.

Significativamente, dejan sin respuesta la pregunta de cuán convincente es esta evidencia que han reunido y, en cambio, se esfuerzan en señalar que es imposible probar la aleatoriedad absoluta.

Sin embargo, si esta evidencia se toma al pie de la letra, nos deja con un importante dilema conceptual. Por un lado, muestra que Quantis produce secuencias de números aleatorios que una computadora no puede generar. Y, sin embargo, la propia Quantis es una máquina que debe funcionar manipulando la información de la forma en que lo permiten las leyes de la física; debe ser una especie de computadora.

Esta contradicción solo puede significar que hay algo mal en la forma en que pensamos acerca de la aleatoriedad o la información o ambos (o al menos con la forma en que lo configuré aquí).

Por supuesto, la respuesta debe estar en la naturaleza de la información en el mundo cuántico. Es bastante fácil definir la información de forma clásica como una secuencia ordenada de símbolos. Pero esa definición se desmorona tan pronto como estos símbolos se vuelven de naturaleza cuántica.

Si cada bit puede ser un 1 y un 0 al mismo tiempo, ¿qué significa que tal secuencia esté en orden? Del mismo modo, ¿cómo sería la ausencia de orden en una secuencia cuántica de este tipo?

Al abordar estas preguntas, se está desentrañando la naturaleza de nuestro universo.

Ref: arxiv.org/abs/1004.1521 : Evidencia Experimental de Incomputabilidad de Aleatoriedad Cuántica

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