Première preuve que les processus quantiques génèrent des nombres vraiment aléatoires

Les physiciens ont de plus en plus le sentiment que tous les processus physiques peuvent être considérés en termes d'informations qu'ils stockent et traitent ; selon certains, l'information est l'unité de base de l'existence dans notre cosmos. Ce genre de pensée a des implications extraordinaires : cela signifie que la réalité est une sorte de calcul dans lequel les processus de base à l'œuvre se frayent simplement un chemin à travers un vaste socle d'informations.

Et pourtant, cela va à l'encontre d'un autre des grands défis auxquels la science moderne est confrontée : comprendre la nature du hasard. Alors que l'information peut être définie comme une séquence ordonnée de symboles, l'aléatoire est le contraire de l'ordre, l'absence de motif. L'une des caractéristiques de base du vrai hasard est qu'il ne peut pas être produit par un ordinateur, sinon il ne serait pas aléatoire et cela poserait un problème alléchant.

Si tous les processus physiques de l'univers sont des calculs continus, comment le hasard apparaît-il ? Quel type de processus peut être responsable de sa création ?

Jusqu'à récemment, les mathématiciens ne pouvaient étudier que l'aléatoire généré par des processus physiques classiques tels que les tirages au sort ou les programmes informatiques qui génèrent ce que l'on appelle le pseudo-aléatoire. Étant donné que les processus physiques tels que les tirages au sort sont difficiles à prouver impartiaux et difficiles à gérer, les générateurs de nombres aléatoires de chevaux de travail sont des programmes tels que Mathematica qui utilise les propriétés intéressantes des automates cellulaires pour générer des séquences de nombres pseudo-aléatoires. Une autre méthode consiste simplement à choisir une séquence de nombres parmi les chiffres d'un nombre irrationnel tel que pi.

Ce truc a l'air et se sent aléatoire mais parce qu'il peut être calculé, les mathématiciens le traitent avec méfiance.

Mais au cours des dernières années, les scientifiques ont découvert une nouvelle source d'aléatoire qui ne peut pas être produite par un programme informatique. C'est ce qu'on appelle l'aléatoire algorithmique et c'est la référence en matière d'absence d'ordre. La nouvelle source de ce caractère aléatoire est le monde quantique et provient de l'exploitation de processus quantiques tels que la transmission ou la réflexion d'un photon par un miroir semi-argenté.

Cela devrait produire des séquences qui ne pourront jamais être créées par un ordinateur. Mais ces séquences sont-elles sensiblement différentes de celles produites par les ordinateurs ?

Cette question est réglée aujourd'hui par Cristian Calude de l'Université d'Auckland en Nouvelle-Zélande et quelques camarades. Ces gars-là ont effectué la première comparaison expérimentale de l'aléatoire généré de ces différentes manières et ils l'ont fait à grande échelle, en utilisant des séquences de 2^32 de long.

Calude et co comparent plusieurs saveurs de séquences aléatoires générées de différentes manières. Les séquences proviennent d'un générateur de nombres aléatoires quantiques appelé Combien , un autre de physiciens de Vienne qui exploitent également des processus quantiques, ils utilisent également des séquences conventionnelles générées par des programmes informatiques tels que Mathematica et Maple ainsi qu'une séquence de 2^32 bits à partir d'une expansion binaire de pi.

L'équipe utilise quatre tests différents dans leur comparaison, qui se répartissent en quatre catégories basées sur la théorie de l'information algorithmique, des tests statistiques impliquant des comptages de fréquences, un test basé sur la théorie de l'information de Shannon et enfin, un test basé sur des marches aléatoires.

Les résultats montrent que la séquence générée par Quantis se distingue facilement des autres ensembles de données. Cela dit Calude et co, est la preuve que le hasard quantique est en effet incalculable. Cela signifie qu'il n'a pas pu être généré par un ordinateur.

De manière significative, ils laissent sans réponse la question de savoir dans quelle mesure ces preuves sont convaincantes qu'ils ont rassemblées et vont plutôt assez loin pour souligner qu'il est impossible de prouver le caractère aléatoire absolu.

Néanmoins, si cette évidence est prise pour argent comptant, elle nous laisse avec un dilemme conceptuel important. D'une part, cela montre que Quantis produit des séquences de nombres aléatoires qui ne peuvent pas être générées par un ordinateur. Et pourtant, Quantis lui-même est une machine qui doit fonctionner en manipulant l'information de la manière dont les lois de la physique le permettent – ​​ce doit être une sorte d'ordinateur.

Cette contradiction ne peut que signifier qu'il y a quelque chose qui ne va pas dans la façon dont nous pensons au hasard ou à l'information ou les deux (ou du moins avec la façon dont je l'ai mis en place ici).

Bien sûr, la réponse doit résider dans la nature de l'information dans le monde quantique. Il est assez facile de définir l'information de manière classique comme une séquence ordonnée de symboles. Mais cette définition s'effondre dès que ces symboles deviennent quantiques dans la nature.

Si chaque bit peut être à la fois un 1 et un 0, qu'est-ce que cela signifie pour qu'une telle séquence soit en ordre ? De même, à quoi ressemblerait l'absence d'ordre dans une telle séquence quantique ?

C'est en abordant ces questions que la nature de notre univers est mise à part.

Réf : arxiv.org/abs/1004.1521 : Preuve expérimentale de l'incalculabilité de l'aléatoire quantique

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