ข้อกล่าวอ้างที่กล้าหาญของงานวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมล่มสลายเนื่องจากข้อสมมติที่ซ่อนเร้นเกี่ยวกับการพัวพัน

งานวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ได้รับความสนใจสูงซึ่งตีพิมพ์ใน Nature ในปี 2021 กำลังเผชิญกับการวิพากษ์วิจารณ์อย่างจริงจังจากชุมชนนักวิจัย งานวิจัยดังกล่าวอ้างว่าได้พิสูจน์แล้วว่ากลศาสตร์ควอนตัมต้องใช้จำนวนเชิงซ้อนและสามารถทดสอบเรื่องนี้ได้ด้วยการทดลอง อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์อย่างละเอียดได้เผยให้เห็นข้อบกพร่องที่สำคัญซึ่งทำลายหลักฐานทั้งหมด

ไทม์ไลน์ของเหตุการณ์:

• 2021: Renou และคณะ เผยแพร่งานวิจัย "Quantum theory based on real numbers can be experimentally falsified" ในวารสาร Nature
• 2021-2022: งานวิจัยได้รับความสนใจจากสื่อมวลชนอย่างมากและมีการนำเสนอในการประชุมวิชาการต่างๆ
• ล่าสุด: การวิเคราะห์เชิงวิพากษ์เผยให้เห็นว่าข้อสมมติที่ซ่อนอยู่เกี่ยวกับ entanglement ทำลายข้อเรียกร้องหลักของงานวิจัย

ข้อกล่าวอ้างเดิมและความน่าสนใจ

งานวิจัยปี 2021 โดย Renou และเพื่อนร่วมงานได้สร้างข่าวใหญ่ด้วยการเสนอว่านักวิทยาศาสตร์สามารถทดสอบด้วยการทดลองได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมต้องใช้จำนวนเชิงซ้อนในการทำงานจริงหรือไม่ เรื่องนี้น่าตื่นเต้นเพราะสัญญาว่าจะไขข้อสงสัยพื้นฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของความเป็นจริงทางควอนตัม การวิจัยได้รับความสนใจอย่างมาก โดยมีการรายงานข่าวในสิ่งพิมพ์วิทยาศาสตร์ชั้นนำและการนำเสนอในการประชุมระดับสูง

แนวคิดพื้นฐานคือการสร้างการทดสอบที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้จำนวนเชิงซ้อนสามารถผ่านได้ แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่จำกัดให้ใช้เฉพาะจำนวนจริงจะล้มเหลว คิดเหมือนกับการทดสอบว่าคอมพิวเตอร์สามารถคำนวณขั้นสูงบางอย่างได้จริงหรือไม่ หรือเพียงแค่แกล้งทำโดยใช้เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่ง่ายกว่า

ข้อบกพร่องร้ายแรง: การพัวพันเปลี่ยนทุกอย่าง

การวิพากษ์วิจารณ์มุ่งเน้นไปที่ข้อสมมติที่สำคัญซึ่งถูกฝังลึกไว้ในเอกสารเสริมของงานวิจัย ผู้เขียนสมมติว่าระบบควอนตัมที่ถูกทดสอบจะเริ่มต้นโดยไม่มีสถานะที่พัวพันใดๆ ซึ่งเป็นสภาวะที่อนุภาคควอนตัมยังคงเชื่อมต่อกันอย่างลึกลับแม้จะถูกแยกออกจากกันด้วยระยะทางไกล

ข้อสมมตินี้เป็นปัญหาเพราะการพัวพันมีอยู่ทุกหนทุกแห่งในกลศาสตร์ควอนตัม ดังที่นักวิจัยคนหนึ่งชี้ให้เห็นในการอภิปราย การแยกการพัวพันออกจากกลศาสตร์ควอนตัมเหมือนกับการพยายามศึกษาคลื่นในมหาสมุทรโดยไม่สนใจน้ำ ข้อสมมตินี้จำกัดมากจนเป็นการกำจัดคุณลักษณะพื้นฐานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมออกไป

การพัวพันทำลายการทดสอบ!

นักวิพากษ์วิจารณ์ได้แสดงให้เห็นว่าหากระบบควอนตัมได้รับอนุญาตให้แบ่งปันสถานะที่พัวพันก่อนเริ่มการทดสอบ ซึ่งเป็นเรื่องปกติและคาดหวังได้ แล้วแม้แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้เฉพาะจำนวนจริงก็สามารถผ่านการทดสอบได้ สิ่งนี้ทำลายข้อกล่าวอ้างหลักของงานวิจัยโดยสิ้นเชิง

แนวคิดทางเทคนิคที่สำคัญ:

• จำนวนเชิงซ้อน: วัตถุทางคณิตศาสตร์ที่ประกอบด้วยทั้งจำนวนจริงและส่วนประกอบ "จินตภาพ" มักเขียนในรูป a + bi โดยที่ i = √(-1)
• การพันกัน: ปรากฏการณ์ควอนตัมที่อนุภาคเกิดความสัมพันธ์กันในลักษณะที่การวัดอนุภาคหนึ่งจะส่งผลต่ออีกอนุภาคหนึ่งทันที โดยไม่คำนึงถึงระยะทาง
• ชุดเกตควอนตัม: ชุดของการดำเนินการพื้นฐาน (เช่น Toffoli, Hadamard และ T gates) ที่สามารถนำมาผสมผสานกันเพื่อทำการคำนวณควอนตัม
• สถานะเฟสไล่ระดับ: สถานะควอนตัมพิเศษที่สามารถใช้จำลองการดำเนินการของจำนวนเชิงซ้อนโดยใช้เพียงจำนวนจริงเท่านั้น

การตรวจสอบบทบาทของจำนวนเชิงซ้อนในกลศาสตร์ควอนตัม: การพันกันส่งผลต่อการทดสอบทางการทดลองอย่างไร

เหตุใดเรื่องนี้จึงสำคัญสำหรับการวิจัยควอนตัม

ความขัดแย้งนี้เน้นย้ำปัญหาที่กว้างขึ้นในการวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัม เมื่อนักวิทยาศาสตร์กล่าวอ้างอย่างแข็งขันเกี่ยวกับข้อจำกัดพื้นฐาน ข้อสมมติเบื้องหลังข้อกล่าวอ้างเหล่านั้นมีความสำคัญอย่างมาก ในกรณีนี้ ข้อจำกัดต่อการพัวพันถูกกล่าวถึงเพียงสั้นๆ ในภาคผนวกทางเทคนิค ไม่ได้นำเสนออย่างเด่นชัดในข้อความหลักหรือบทคัดย่อ

การอภิปรายยังเผยให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมยังคงซับซ้อนเพียงใด แม้แต่สำหรับผู้เชี่ยวชาญ เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายระบบควอนตัม ไม่ว่าจะเป็นจำนวนเชิงซ้อน เมทริกซ์ หรือโครงสร้างอื่นๆ ยังคงเป็นหัวข้อของการวิจัยและความไม่เห็นด้วยอย่างต่อเนื่อง

การตอบสนองของชุมชนและบทเรียนที่ได้เรียนรู้

การตอบสนองของชุมชนคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความหลากหลาย นักวิจัยบางคนปกป้องงานวิจัยเดิม โดยสังเกตว่าได้ระบุข้อสมมติไว้อย่างชัดเจน แม้ว่าจะถูกฝังไว้ในเอกสารเสริม คนอื่นๆ โต้แย้งว่าข้อจำกัดพื้นฐานเช่นนี้ควรได้รับการเน้นย้ำให้เด่นชัดมากขึ้น อาจแม้แต่ในชื่อของงานวิจัย

เหตุการณ์นี้เป็นการเตือนใจว่าแม้แต่การวิจัยที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิในวารสารชั้นนำก็อาจมีข้อจำกัดที่สำคัญ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการที่ชุมชนวิทยาศาสตร์ตรวจสอบข้อกล่าวอ้างที่กล้าหาญอย่างระมัดระวังมีความสำคัญเพียงใด โดยเฉพาะเมื่อเกี่ยวข้องกับแง่มุมพื้นฐานของฟิสิกส์

ความขัดแย้งนี้ไม่จำเป็นต้องทำให้การวิจัยทั้งหมดเกี่ยวกับรากฐานทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมเสียไป อย่างไรก็ตาม มันชี้ให้เห็นว่างานในอนาคตในพื้นที่นี้จำเป็นต้องระมัดระวังมากขึ้นในการระบุข้อสมมติอย่างชัดเจนและพิจารณาว่าข้อสมมติเหล่านั้นสมจริงสำหรับระบบควอนตัมจริงหรือไม่

อ้างอิง: Actually, you can't test if quantum uses complex numbers