Experimente mit Quantenursache und -wirkung offenbaren verborgene Nichtklassizität

Ursache-Wirkungs-Erklärungen wie „Katzenminze macht Katzen glücklich“, „Witze bringen Lachen“ und „Spannende Forschung bewirkt Physik-Welt Artikel“ sind eine nützliche Möglichkeit, Wissen über die Welt zu organisieren. Die Mathematik von Ursache und Wirkung untermauert alles von der Epidemiologie bis zur Quantenphysik. In der Quantenwelt ist die Verbindung zwischen Ursache und Wirkung jedoch nicht so einfach. Ein internationales Team von Physikern hat nun Quantenverletzungen der klassischen Kausalität genutzt, um die Natur von Ursache und Wirkung besser zu verstehen. Dabei deckte das Team Quantenverhalten in einer Situation auf, in der Standardmethoden darauf hindeuten, dass das System klassisch sein sollte – ein Ergebnis, das Anwendungen in der Quantenkryptographie haben könnte.

In der Quantenphysik besagt ein als Theorem von Bell bekanntes Ergebnis, dass keine Theorie, die lokale „versteckte“ Variablen enthält, jemals die Korrelationen zwischen Messergebnissen reproduzieren kann, die die Quantenmechanik vorhersagt. Ein ähnliches Ergebnis tritt in der Theorie der kausalen Inferenz auf, wo Quantensysteme ebenfalls den Regeln des klassischen kausalen Denkens trotzen. Die Idee hinter dem kausalen Inferenzansatz ist, dass, während eine statistische Korrelation zwischen zwei Variablen aufgrund einer direkten kausalen Beziehung zwischen ihnen entstehen kann, die Korrelation auch den Beitrag einer versteckten gemeinsamen Ursache enthalten kann. In einigen Fällen kann dieser versteckte Beitrag quantifiziert werden, und dies kann verwendet werden, um zu zeigen, dass Quantenkorrelationen existieren, selbst wenn Bells Theorem nicht verletzt werden kann.

Das Ableiten kausaler Strukturen erreicht eine direkte Kontrolle über Ursache und Wirkung

An der neuesten Arbeit arbeitet ein Team um Experimentalphysiker Davide Poderini und Kollegen in Brasilien, Deutschland, Italien und Polen kombinieren Theorie und Experiment, um Quantenphänomene in einem System zu zeigen, das ansonsten klassisch erscheinen würde. Die Forscher untersuchen den Begriff von Ursache und Wirkung, indem sie überlegen, ob Korrelationen zwischen zwei Variablen, A und B, implizieren, dass die eine die Ursache der anderen ist, oder ob eine andere (möglicherweise unbeobachtete) Variable die Quelle der Korrelationen sein könnte.

In ihrer Untersuchung verwenden die Forscher ein kausales Modell (siehe Bild), in dem die Statistiken der Variablen A die der Variablen B beeinflussen, entweder direkt oder durch die Wirkung einer gemeinsamen Quelle (genannt Λ), die das Ergebnis beider Variablen auch ohne verbindet das Vorhandensein eines Kausalzusammenhangs zwischen ihnen. Um zwischen diesen beiden Szenarien zu unterscheiden, führen die Forscher einen Eingriff in die Variable A durch, der alle äußeren Einflüsse auslöscht. Dadurch bleibt die Variable A unter der vollständigen Kontrolle des Experimentators, was es ermöglicht, den direkten kausalen Zusammenhang zwischen A und B abzuschätzen.

Alternativ können durch Einführung einer zusätzlichen Variablen X, die unabhängig von B und Λ ist, alle beobachteten Korrelationen zwischen den Variablen A und B in bedingte Wahrscheinlichkeiten zerlegt werden. Diese bedingten Wahrscheinlichkeiten legen eine untere Grenze für den Grad des kausalen Effekts zwischen den Variablen fest, wodurch es möglich wird, das Ausmaß des Einflusses zwischen A und B abzuschätzen.

Die Forscher nennen diese untere Grenze eine instrumentelle Ungleichung, und es handelt sich um eine klassische Einschränkung, die (ähnlich der Ungleichung, die sich aus Bells Theorem ergibt) daraus resultiert, dass einem Experiment diese kausale Struktur auferlegt wird. Infolgedessen ist der Grad des quantenkausalen Einflusses zwischen den Variablen A und B geringer als das für ein klassisches System erforderliche Minimum, sodass die Nichtklassizität durch einen Eingriff beobachtet werden kann, selbst wenn keine Bell-Ungleichung verletzt wird.

Experimentelles Eingreifen offenbart Quanteneffekte

Um den instrumentellen Kausalprozess zu beobachten, erzeugten die Forscher Paare von Photonen mit verschränkten Polarisationen und maßen sie in verschiedenen Darstellungen des Zustandsraums oder Basen. Dank der verschränkten Natur von Photonen wird die Wahl der Basis für die eine durch die Messung der anderen bestimmt, wodurch ein „Feed-Forward“-Mechanismus entsteht, der eine direkte kausale Verbindung zwischen den beiden Variablen implementiert. Als Ergebnis dieses Feed-Forward-Prozesses beobachten die Forscher experimentell Verletzungen der klassischen unteren Schranken für den kausalen Einfluss zwischen zwei Variablen, indem sie mehrere Quantenzustände erzeugen, die durch unterschiedliche Grade der Verschränkung gekennzeichnet sind.

Wie die Ungleichung von Bell repräsentiert die Verletzung dieser klassischen unteren Grenze eine Signatur von Quantenkorrelationen. Darüber hinaus liefert es statistische Daten, die als Grundlage für jedes grundlegende quantenkryptografische Protokoll dienen können. Während sich aktuelle kryptografische Protokolle auf Bells Theorem stützen, stellt das Ableiten der kausalen Struktur aus instrumentellen Eingriffen eine allgemeinere Kompatibilität zwischen klassischer Kausalität und Quantentheorie dar. Poderini und seine Kollegen versuchen, mit verschiedenen kausalen Szenarien zu experimentieren, um komplexe Netzwerke mit reichhaltigeren Korrelationen zu erforschen, die zur Entwicklung neuartiger Quantentechnologien genutzt werden können. Die Forscher glauben, dass ihre experimentellen Techniken zu Quantenvorteilen in kryptografischen Protokollen führen könnten, wodurch es möglich wird, widerstandsfähigere und weniger technologisch anspruchsvolle kryptografische Werkzeuge zu realisieren.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/