Eksperimenter med kvanteårsag og -virkning afslører skjult ikke-klassicitet

Årsag-og-virkning-forklaringer som "kattenød får katte til at være glade", "vittigheder forårsager latter" og "spændende forskningsårsager Fysik verden artikler” er en nyttig måde at organisere viden om verden på. Matematikken om årsag og virkning underbygger alt fra epidemiologi til kvantefysik. I kvanteverdenen er sammenhængen mellem årsag og virkning dog ikke så ligetil. Et internationalt hold af fysikere har nu brugt kvanteovertrædelser af klassisk kausalitet til bedre at forstå årsag-og-virkningens natur. I processen afslørede holdet kvanteadfærd i en situation, hvor standardmetoder indikerer, at systemet burde være klassisk - et resultat, der kunne have applikationer inden for kvantekryptografi.

Inden for kvantefysik siger et resultat kendt som Bells teorem, at ingen teori, der inkorporerer lokale "skjulte" variabler, nogensinde kan reproducere korrelationerne mellem måleresultater, som kvantemekanikken forudsiger. Et lignende resultat forekommer i teorien om kausal inferens, hvor kvantesystemer ligeledes trodser reglerne for klassisk kausal ræsonnement. Ideen bag den kausale inferenstilgang er, at mens en statistisk korrelation mellem to variable kan opstå på grund af en direkte årsagssammenhæng mellem dem, kan korrelationen også indeholde bidraget fra en skjult fælles årsag. I nogle tilfælde kan dette skjulte bidrag kvantificeres, og dette kan bruges til at vise, at kvantekorrelationer eksisterer, selv når Bells sætning ikke kan overtrædes.

Ved at udlede kausal struktur opnås direkte kontrol over årsag og virkning

I det seneste arbejde, et team ledet af eksperimentel fysiker Davide Poderini og kolleger i Brasilien, Tyskland, Italien og Polen kombinerer teori og eksperimenter for at vise kvantefænomener i et system, der ellers ville fremstå klassisk. Forskerne udforsker begrebet årsag og virkning ved at overveje, om korrelationer mellem to variable, A og B, indebærer, at den ene er årsagen til den anden, eller om en anden (potentielt uobserveret) variabel kan være kilden til korrelationerne.

I deres undersøgelse anvender forskerne en årsagsmodel (se billede), hvor statistikkerne for variabel A påvirker dem for variabel B, enten direkte eller ved virkningen af ​​en fælles kilde (kaldet Λ), der forbinder udfaldet af begge variabler selv uden tilstedeværelsen af ​​en årsagssammenhæng mellem dem. For at skelne mellem disse to scenarier udfører forskerne en intervention på variabel A, der sletter enhver ekstern påvirkning. Dette efterlader variablen A under forsøgslederens fuldstændige kontrol, hvilket gør det muligt at estimere den direkte årsagssammenhæng mellem A og B.

Alternativt, ved at introducere en yderligere variabel X, der er uafhængig af B og Λ, kan alle observerede korrelationer mellem variable A og B dekomponeres i betingede sandsynligheder. Disse betingede sandsynligheder sætter en nedre grænse for graden af ​​kausal effekt mellem variablerne, hvilket gør det muligt at estimere påvirkningsniveauet mellem A og B.

Forskerne kalder denne nedre grænse for en instrumentel ulighed, og det er en klassisk begrænsning, der (i lighed med den ulighed, der udspringer af Bells sætning) stammer fra at pålægge et eksperiment denne kausale struktur. Som følge heraf vil graden af ​​kvanteårsagspåvirkning mellem variable A og B være mindre end det minimum, der kræves for et klassisk system, hvilket gør det muligt at observere ikke-klassicitet gennem en intervention, selv når ingen Bell-ulighed krænkes.

Eksperimentel intervention afslører kvanteeffekter

For at observere den instrumentelle årsagsproces genererede forskerne par af fotoner med sammenfiltrede polarisationer og målte dem i forskellige repræsentationer af tilstandsrum eller baser. Takket være fotonernes sammenfiltrede natur bestemmes valget af grundlag for den ene af målingen på den anden, hvilket producerer en "feed-forward"-mekanisme, der implementerer en direkte årsagssammenhæng mellem de to variable. Som et resultat af denne feed-forward-proces observerer forskerne eksperimentelt overtrædelser af de klassiske nedre grænser for kausal indflydelse mellem to variable ved at producere flere kvantetilstande karakteriseret ved forskellige grader af sammenfiltring.

Ligesom Bells ulighed repræsenterer krænkelse af denne klassiske nedre grænse en signatur af kvantekorrelationer. Desuden giver det statistiske data, der kan fungere som grundlaget for enhver grundlæggende kvantekryptografisk protokol. Mens nuværende kryptografiske protokoller er afhængige af Bells teorem, repræsenterer udledning af kausal struktur fra instrumentel intervention en mere generel kompatibilitet mellem klassisk kausalitet og kvanteteori. Poderini og hans kolleger søger at eksperimentere med forskellige årsagsscenarier for at udforske komplekse netværk med rigere korrelationer, som kan udnyttes til at udvikle nye kvanteteknologier. Forskerne mener, at deres eksperimentelle teknikker kan føre til kvantefordele i kryptografiske protokoller, hvilket gør det muligt at realisere mere modstandsdygtige og mindre teknologisk krævende kryptografiske værktøjer.

Stillingen Eksperimenter med kvanteårsag og -virkning afslører skjult ikke-klassicitet dukkede først på Fysik verden.

• Coinsmart. Europas bedste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. FRI ADGANG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis prøveversion.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/