Primeras evidencias de que los procesos cuánticos generan números verdaderamente aleatorios

Los generadores cuánticos de números aleatorios producen números aleatorios cuya aleatoreidad es diferente de los que generan los ordenadores convencionales.

Existe una sensación creciente en los físicos de que los procesos físicos pueden plantearse en términos de la información que éstos almacenan e intercambian; y para algunos la cantidad de información es la unidad básica de existencia en nuestro cosmos. Esta clase de planteamiento tiene implicaciones extraordinarias: significa que la realidad es una suerte de computación en la que los procesos básicos que entran en juego simplemente encuentran el camino a través de una vasta base de información.

Y esto choca contra otro de los grandes desafíos a los que se enfrenta la ciencia moderna: entender la naturaleza de la aleatoriedad. Mientras que la información se puede definir como una estructura secuencial y ordenada de símbolos, la aleatoriedad es lo opuesto al orden, la ausencia de un patrón. Una de las características principales de una aleatoriedad verdadera es que no puede ser generada por un ordenador, en cuyo caso no sería realmente aleatorio lo cual nos lleva a un problema muy apetitoso.

¿Si todos los procesos físicos del universo son procesos computacionales en curso, de dónde viene la aleatoriedad? ¿Qué tipo de procesos pueden ser los responsables de su creación?

Hasta hace poco, los matemáticos únicamente han podido estudiar la aleatoriedad generada por procesos en física clásica tales como lanzar una moneda o programas de ordenador que generan la llamada pseudo-aleatoriedad. Dado que es complicado demostrar la imparcialidad en los procesos físicos como lanzamientos de moneda  además de ser complicados de llevar a cabo, el caballo de tiro de los números aleatorios suelen ser programas como Mathematica que utiliza las interesantes propiedades de los autómatas celulares para obtener secuencias pseudoaleatorias de números. Otro método es simplemente elegir una secuencia de números de los dígitos de un número irracional como Pi.

Todo esto tiene pinta de aleatorio, pero dado que puede ser computado,  los matemáticos lo tratan con escepticismo.

Pero en los últimos años, se ha encontrado un nuevo tipo de aleatoriedad que no puede ser generada por un programa de un ordenador convencional. Se llama algoritmia aleatoria y es la punta de lanza cuando se trata de ausencia del orden. Este nuevo tipo de aleatoriedad tiene un origen, que es el mundo cuántico y viene de explorar procesos cuánticos tales como un fotón siendo transmitido o reflejado por un espejo semiplateado.

Esto conduce a producir secuencias que nunca podrán ser generadas por un ordenador clásico. ¿Pero es posible cuantificar la diferencia entre estas secuencias y las producidas por un ordenador convencional?

Esta pregunta ha sido respondida hoy pro Cristian Calude en la University of Auckland en Nueva Zelanda y algunos de sus colegas. Estas personas han obtenido la primera comparación experimental entre la aleatoriedad generada de estas formas diferentes ylo han hecho en una escala muy grande, usando secuencias de  de longitud (N. del T. unos 4 millones de cifras).

Calude y co comparan distintos tipos de secuencias aleatorias generadas de diferente manera. Estas secuencias vienen de un generador cuántico de números aleatorios llamado Quantis, y de otro de físicos de Viena que han explotado procesos cuánticos usando secuencias convencionales de programas de ordenador como Mathematica y Maple además de secuencias de  dígitos de una expansión binaria de pi.

El equipo ha utilizado cuatro tipos distintos de pruebas en las comparaciones, que llevan a cuatro categorías basándose en la teoría algorítmica de la información, pruebas estadísticas que involucran conteos de frecuencias, un test basado en la teoría de la información de Shannon y, finalmente, una prueba basada en camino aleatorio.

Los resultados muestran que las secuencias generadas por Quantis son fácilmente distinguibles de los demás grupos de datos. Dicen Calude y co que esto evidencia que la aleatoriedad cuántica es de hecho incomputable. Esto implica que no pueden ser generados por un ordenador.

Dejan sin responder la pregunta de cuan convincente es esta evidencia que han hallado en lugar de ir más allá a probar que realmente es imposible demostrar la aleatoriedad absoluta haciendo uso de un ordenador.

Pese a todo, si se toma en consideración esta evidencia, nos deja con un dilema conceptual significativo. Por una parte, muestra que Quantis produce secuencias de números aleatorios no generables por un ordenador. Y por la otra, Quantis es una máquina que debe trabajar manipulando información en el sentido que permiten las leyes de la Física, por tanto debe ser algo parecido a un ordenador.

Esta contradicción únicamente puede significar que hay algo raro en la forma que pensamos sobre la aleatoriedad o en la información o en ambas (o al menos en la manera en la que se han descrito aquí).

Por supuesto, la respuesta debe subyacer en la naturaleza de la información en el mundo cuántico. Es fácil definir la información clásicamente como una secuencia ordenada de símbolos. Pero esta definición se cae en pedazos en cuanto esos símbolos pertenecen  al mundo cuántico.

Si cada bit puede ser 1 y 0 al mismo tiempo, ¿qué significa eso para cada una de las secuencias ordenadas? Igualmente ¿qué aspecto tiene la ausencia de orden en una secuencia cuántica de ese tipo?

Es en la respuesta de esas preguntas que la naturaleza de nuestro universo parece bromear.

Ref: arxiv.org/abs/1004.1521: Experimental Evidence of Quantum Randomness Incomputability

Traducción libre de: First Evidence That Quantum Processes Generate Truly Random Numbers, en Technology Review.