To pytanie, stawiane w wielu formach, sprowadza się do tego, czy matematyka kwantowa opisuje coś nieodłącznego i rzeczywistego w świecie fizycznym. Niektórzy eksperci twierdzą, że tak; inni uważają, że matematyka kwantowa dotyczy tylko tego, co ludzie mogą dowiedzieć się o słowie. Inny sposób stawiania pytania to pytanie, czy kwantowy opis natury jest „ontyczny” czy „epistemiczny” – o rzeczywistości, czy o wiedzy o rzeczywistości. Większość prób wyartykułowania interpretacji tego, co matematyka kwantowa naprawdę oznacza (a takich interpretacji jest wiele) skłania się ku ontycznemu lub epistemicznemu punktowi widzenia. Ale nawet niektóre interpretacje epistemiczne utrzymują, że wyniki pomiarów są zdeterminowane przez jakąś wewnętrzną własność mierzonego systemu. Są one czasami łączone z grupą ontyczną jako interpretacje „Typu I”. Inne interpretacje (zaliczane do Typu II) uważają, że pomiary kwantowe dotyczą wiedzy lub przekonań obserwatora na temat podstawowej rzeczywistości, a nie jakiejś inherentnie stałej własności.
Spory na ten temat trwają od dziesięcioleci. I można by pomyśleć, że nadal będą się toczyć, ponieważ wydaje się, że nie ma żadnego sposobu na określenie, który pogląd jest słuszny. Dopóki wszystkie eksperymenty wychodzą tak samo, bez względu na to, którą interpretację preferujesz, wydaje się, że pytanie jest bezsensowne, a przynajmniej nieistotne. Teraz jednak międzynarodowa grupa fizyków twierdzi, że istnieje sposób na ustalenie, który pogląd jest poprawny. Jeśli jesteś przyjacielem rzeczywistości – lub w inny sposób jesteś w obozie Typu I – nie spodoba ci się to.
Nie ma sposobu na rozstrzygnięcie tej debaty w ramach samej mechaniki kwantowej, piszą Adán Cabello i współpracownicy w nowej pracy, opublikowanej na stronie arXiv.org. Ale jeśli dodamy do tego termodynamikę – fizykę ciepła – to odrobina logicznej dedukcji i prosty eksperyment myślowy mogą rozstrzygnąć sprawę na korzyść Typu II.
Eksperyment ten polega na manipulowaniu stanem kwantowym, który jest opisywany przez wyrażenie matematyczne zwane funkcją falową. Funkcja falowa może być użyta do obliczenia wyniku pomiaru cząstki, na przykład fotonu lub elektronu. U podstaw wielu tajemnic kwantowych leży drobny problem, że funkcja falowa może powiedzieć tylko o szansach uzyskania różnych wyników pomiarów, a nie o tym, jaki będzie wynik konkretnego pomiaru.
Aby pozbyć się zbędnych szczegółów technicznych, powiedzmy, że można przygotować cząstkę w stanie kwantowym odpowiadającym jej spinowi skierowanemu do góry. Następnie można zmierzyć ten spin za pomocą detektora, który może być zorientowany w kierunku góra-dół lub lewo-prawo. Każdy pomiar resetuje stan kwantowy; czasami do nowego stanu, ale czasami resetuje go do tego samego stanu, w którym był pierwotnie. Tak więc efektem netto każdego pomiaru jest albo zmiana stanu kwantowego, albo pozostawienie go bez zmian.
Jeśli ustawisz to wszystko prawidłowo, stan kwantowy zmieni się średnio o połowę, jeśli powtórzysz pomiar wiele razy (losowo wybierając orientację do pomiaru). Byłoby to jak rzucanie monetą i otrzymywanie losowej listy głów i ogonów. Gdybyś więc zapisywał ten łańcuch pomiarów kwantowych, zapisałbyś długą listę 1 i 0 w losowej kolejności, odpowiadających temu, czy stan się zmienia, czy nie.
Jeśli stan kwantowy jest typu I – odpowiadający wewnętrznej rzeczywistości, o której próbujesz się dowiedzieć – musi już zawierać informacje, które zapisujesz przed dokonaniem pomiaru. Ale załóżmy, że dokonujesz pomiarów dalej, ad infinitum. O ile ten układ kwantowy nie ma nieskończenie dużej pamięci, nie może od początku znać ostatecznego porządku tych wszystkich 0 i
„System nie mógł przechowywać wartości wewnętrznych właściwości dla wszystkich możliwych sekwencji pomiarów, które obserwator może wykonać” – piszą Cabello z Uniwersytetu w Sewilli w Hiszpanii i koledzy z Chin, Niemiec, Szwecji i Anglii. „Oznacza to, że system musi generować nowe wartości i przechowywać je w swojej pamięci. Z tego powodu system musi wymazać część wcześniej istniejących informacji.”
I wymazywanie jest miejscem, w którym zasada Landauera wkracza do akcji. Landauer, podczas długiej kariery w IBM, był pionierem w badaniu fizyki obliczeń. Był szczególnie zainteresowany zrozumieniem ostatecznych fizycznych granic wydajności obliczeniowej, podobnie jak XIX-wieczni fizycy badali zasady regulujące wydajność silników parowych. Landauer wykazał, że każdy proces obliczeniowy może być przeprowadzony bez zużycia energii, jeśli będzie wykonywany wystarczająco starannie i powoli. (A przynajmniej nie było dolnej granicy na ilość potrzebnej energii). Jednak wymazywanie fragmentu informacji, wykazał Landauer w pracy z 1961 roku, zawsze wymagało pewnej minimalnej ilości energii, rozpraszając w ten sposób ciepło odpadowe do otoczenia.
