Primeras pruebas de que los procesos cuánticos generan números verdaderamente aleatorios

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QuantisLos generadores de números cuánticos producen números aleatorios que son medibles de forma diferente de aquellos que generan los programas.

Hay un creciente sentimiento entre los físicos sobre que los procesos físicos pueden ser vistos en términos de la información que almacenan y procesan; para algunos, la información es la unidad básica de existencia en nuestro cosmos. Este tipo de pensamiento tiene implicaciones extraordinarias: Significa que la realidad es un tipo de cálculo en el cual  los procesos básicos implicados simplemente abren su camino a través de una vasta cantidad de información.

Aun así, eso está en desacuerdo con otro de los grandes desafíos de la ciencia moderna: entender la naturaleza de la aleatoriedad. Mientras que la información puede ser definida como una secuencia ordenada de símbolos, la aleatoriedad se opone al orden, es la ausencia de un patrón. Una de las características básicas de la auténtica aleatoriedad es que no puede ser producida por una computadora, de otra forma no sería aleatoria y esto plantea un problema interesante.

Si todos los procesos físicos en el universo son cálculos en marcha, ¿cómo surge la aleatoriedad? ¿Qué tipo de procesos pueden ser responsables de su creación?.

Hasta hace poco, los matemáticos sólo podían estudiar la aleatoriedad generada por procesos físicos clásicos tales como lanzar monedas o programas computacionales que generan la llamada pseudo-aleatoriedad. Dado que en procesos físicos como lanzar monedas es complicado probar su imparcialidad y difíciles de manejar, los caballos de batalla de los generadores de números aleatorios son programas tales como Mathematica el cual usa la interesante propiedades de un autómata celular para generar secuencias pseudoaleatorias de números. Otro método es simplemente elegir una secuencia de números entre los dígitos de un número irracional tal como Pi.

El resultado se ve y se siente aleatorio pero puede ser calculado, los matemáticos los tratan con reserva.

Pero en los últimos años, los científicos han encontrado una nueva fuente de aleatoriedad que no puede ser producida por un programa de computadora. Es el llamado algoritmo de aleatoriedad y es el estándar dorado cuando se trata de la ausencia de orden. El nuevo origen de esta aleatoriedad es el mundo cuántico y viene de explotar procesos cuánticos tales como cuando un fotón es trasmitido o reflejado por un espejo semi-plateado.

Esto debería producir secuencias que nunca podrán ser creadas por una computadora. Pero ¿son éstas secuencias considerablemente diferentes de aquellas producidas por computadoras?.

Esta cuestión está siendo analizada hoy por Cristian Calude en la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda y unos pocos compañeros. Ellos han llevado a cabo la primera comparación experimental de aleatoriedad generada de estas diferentes formas y lo han hecho a gran escala, usando secuencias de 232 de largo.

Calude y compañía comparan abundantes variedades de secuencias aleatorias generadas de diferentes formas. Las secuencias vienen de un generador cuántico de números aleatorios llamado Quantis, otras de físicos en Viena que también aprovechan procesos cuánticos; también usan secuencias generadas convencionalmente por programas de computadora tales como Mathematica y Maple, de igual forma con secuencias de 232 bits a partir de una expansión binaria de Pi.

El equipo usó diferentes pruebas en sus comparaciones, que comprenden cuatro categorías basadas en el algoritmo de la teoría de la información, pruebas estadísticas que involucran conteos de frecuencia, una prueba basada en la Teoría de la información de Shannon y finalmente, una prueba basada en pasos aleatorios.

Los resultados muestran que la secuencia generada por Quantis es fácilmente distinguible de los otros conjuntos de datos. Esto, dicen Calude y sus colegas, es evidencia de que la aleatoriedad cuántica es, en efecto, incomputable. Esto significa que no puede haber sido generada por una computadora.

Más significativamente dejan sin respuesta la cuestión de cómo de convincente es esta evidencia que han reunido y en su lugar llegan a un punto donde es imposible probar la aleatoriedad absoluta.

Sin embargo, si la evidencia es tomada en sentido literal, nos deja con un significativo dilema conceptual. Por un lado, se muestra que Quantis produce secuencias de números aleatorios que no pueden ser generados por una computadora, Aun así Quantis es por sí misma una máquina que debe trabajar manipulando información de la forma que las leyes de la física lo permiten –> (por  lo tanto) debe ser un tipo de cómputo.

Esta contradicción puede significar solamente que hay algo incorrecto en la forma que pensamos sobre la aleatoriedad o la información, o ambas (o por lo menos en la forma que he puesto aquí).

Por supuesto, la respuesta puede yacer en la naturaleza de la información del mundo cuántico. Es bastante fácil definir clásicamente la información como una secuencia ordenada de símbolos. Pero esa definición falla tan pronto como los símbolos entran en la naturaleza cuántica.

Si cada bit puede ser al mismo tiempo un 1 y un 0, ¿Qué significa para una determinada secuencia estar en orden? De igual forma, ¿qué aspecto tendría la ausencia de orden en una secuencia cuántica?

Es al enfrentar estas cuestiones, cuando la naturaleza de nuestro universo se vuelve emocionante.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1004.1521: Experimental Evidence of Quantum Randomness Incomputability
Fecha Original: 13 de abril de 2010
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