To tapende spill kan legge opp til en vinnende, i henhold til et konsept kalt Parrondos paradoks.
Nå har fysikere vist at dette paradokset også eksisterer i kvantemekanikkens område, reglene som styrer subatomære partikler. Og det kan føre til raskere algoritmer for fremtidige kvantemaskiner.
Fysiker Juan Parrondo beskrev paradokset første gang i 1997 for å forklare hvordan tilfeldigheter kan drive sperrer - asymmetriske, sagete tannhjul som tillater bevegelse i den ene retningen, men ikke den andre. Paradokset er relevant innen fysikk, biologi og til og med økonomi og finans.
Et enkelt eksempel på Parrondos paradoks kan illustreres med et myntslippende spill. Si at du satser en dollar på å vende en vektet mynt som gir deg litt mindre enn 50 prosent sjanse for å gjette på høyre side. På lang sikt ville du tape.
Spill nå et nytt spill. Hvis antall dollar du har er et multiplum på 3, vipper du en vektet mynt med litt under 10 prosent sjanse for å vinne. Så ni av ti av flippene ville tape. Ellers får du snu en mynt med i underkant av 75 prosent sjanse for å vinne, noe som betyr at du vil vinne tre av fire av disse flippene. Det viser seg at du, som i det første spillet, ville tapt over tid.
Men hvis du spiller disse to kampene etter hverandre i en tilfeldig rekkefølge, vil dine samlede odds øke. Spill nok ganger, og du vil faktisk bli rikere.
"Parrondos paradoks forklarer så mange ting i den klassiske verden," sa studieforfatter Colin Benjamin, fysiker ved Indias National Institute of Science Education and Research (NISER). Men "kan vi se det i kvanteverdenen?"
I biologi, for eksempel, beskriver kvante skrangling hvordan ioner, eller ladede molekyler eller atomer, passerer gjennom cellemembraner. For å forstå denne oppførselen kan forskere bruke enkle, enkle å simulere modeller basert på kvanteversjoner av Parrondos paradoks, sa David Meyer, en matematiker ved University of California, San Diego, som ikke var involvert i forskningen.
En måte å modellere den tilfeldige sekvensen av spill som gir opphav til paradokset er med en tilfeldig gange, som beskriver tilfeldig oppførsel som bevegelse av jiggling mikroskopiske partikler eller en fotons kretsløp når den kommer ut fra solens kjerne.
Du kan tenke på en tilfeldig spasertur som å bruke en myntflip for å avgjøre om du går til venstre eller høyre. Over tid kan du havne lenger til venstre eller til høyre for der du startet. Når det gjelder Parrondos paradoks, er det å gå til venstre eller høyre for å spille det første spillet eller det andre.
For en kvantet tilfeldig spasertur, kan du bestemme sekvensen for spill med en kvantemynt, som gir ikke bare hoder eller haler, men også begge samtidig.
Det viser seg imidlertid at en enkel, tosidig kvantemynt ikke gir opphav til Parrondos paradoks. I stedet, sa Benjamin, trenger du to kvantemynter, som han og Jishnu Rajendran, en tidligere doktorgradsstudent ved NISER, viste i en teoretisk artikkel publisert i februar 2018 i tidsskriftet Royal Society Open Science. Med to mynter, tråkker du bare venstre eller høyre når begge viser hoder eller haler. Hvis hver mynt viser det motsatte, venter du til neste snu.
Nylig, i en analyse publisert i juni i tidsskriftet Europhysics Letters, viste forskerne at paradokset også oppstår når en enkelt kvantemynt brukes - men bare hvis du lar muligheten for det å lande på sin side. (Hvis mynten lander på sin side, venter du på en ny vending.)
Ved å bruke disse to måtene å generere kvante tilfeldige turer, fant forskerne spill som førte til Parrondos paradoks - et prinsippbevis for at en kvanteversjon av paradokset faktisk eksisterer, sa Benjamin.
Paradokset har også atferd som ligner på kvantesøkealgoritmene som er designet for morgendagens kvantecomputere, noe som kan takle beregninger som er umulige for normale datamaskiner, sier fysikere. Etter å ha tatt en kvantet tilfeldig spasertur, har du en mye større sjanse for å havne langt fra utgangspunktet enn om du tok en klassisk tilfeldig spasertur. På den måten sprer kvanteturer seg raskere, noe som potensielt kan føre til raskere søkealgoritmer, sier forskerne.
"Hvis du bygger en algoritme som fungerer etter et kvanteprinsipp eller tilfeldig gange, vil det ta mye mindre tid å utføre," sa Benjamin.
Redaktørens merknad: Denne historien ble oppdatert for å tydeliggjøre at Jishnu Rajendran ikke lenger er en doktorgradsstudent ved NISER.
