Estructura causal en presencia de restricciones sectoriales, con aplicación al interruptor cuántico

Estructura causal en presencia de restricciones sectoriales, con aplicación al interruptor cuántico

Marca de tiempo: 1 de junio de 2023 8:48 a.m.
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Nick Ormrod1, Agustín Vanrietvelde1,2,3y Jonathan Barret1

1Quantum Group, Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Oxford
2Departamento de Física, Imperial College London
3Laboratorio Conjunto HKU-Oxford para Computación e Información Cuántica

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Resumen

El trabajo existente sobre la estructura causal cuántica asume que uno puede realizar operaciones arbitrarias en los sistemas de interés. Pero esta condición a menudo no se cumple. Aquí, ampliamos el marco para el modelado causal cuántico a situaciones en las que un sistema puede sufrir $textit{restricciones sectoriales}$, es decir, restricciones en los subespacios ortogonales de su espacio de Hilbert que pueden mapearse entre sí. Nuestro marco (a) prueba que varias intuiciones diferentes acerca de las relaciones causales resultan ser equivalentes; (b) muestra que las estructuras causales cuánticas en presencia de restricciones sectoriales pueden representarse con un gráfico dirigido; y (c) define una granularidad fina de la estructura causal en la que los sectores individuales de un sistema tienen relaciones causales. Como ejemplo, aplicamos nuestro marco a supuestas implementaciones fotónicas del interruptor cuántico para mostrar que mientras su estructura causal de grano grueso es cíclica, su estructura causal de grano fino es acíclica. Por lo tanto, concluimos que estos experimentos realizan un orden causal indefinido solo en un sentido débil. En particular, este es el primer argumento en este sentido que no tiene sus raíces en la suposición de que los relata causales deben estar localizados en el espacio-tiempo.

Resumen popular

En la ciencia y en la vida cotidiana, muy comúnmente explicamos las cosas usando los conceptos de causa y efecto. Cuando vemos muchos charcos en la calle, asumimos que todos son efectos de la misma causa: la lluvia. Cuando alentamos a las personas a dejar de fumar, es porque creemos que causa cáncer.

Y, sin embargo, nuestra teoría científica más exitosa, la teoría cuántica, sugiere que nuestras ideas más básicas sobre la causalidad y el razonamiento causal están de alguna manera equivocadas. Las famosas correlaciones no locales que violan las desigualdades de Bell se resisten a la explicación causal tal como se entiende tradicionalmente, y la posibilidad de colocar objetos en superposiciones parece permitir situaciones en las que no existe un hecho definido sobre la dirección de la influencia causal.

Como resultado, ha habido mucho esfuerzo en los últimos años para modificar nuestras nociones causales para una configuración cuántica. Nuestro artículo amplía el estudio de las estructuras causales intrínsecamente cuánticas a una nueva gama de escenarios. Una de las consecuencias es que los experimentos recientes que apuntan a crear una dirección indefinida de influencia causal pueden entenderse como "débilmente" indefinidos; incluso son concebibles direcciones de influencia más fuertemente indefinidas.

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[ 64 ] J. Wechs, C. Branciard y O. Oreshkov, "Existencia de procesos que violan las desigualdades causales en subsistemas deslocalizados en el tiempo", Nature Communications 14 no. 1, (2023) 1471, arXiv:2201.11832 [quant-ph].
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[ 65 ] V. Vilasini, “Una introducción a la causalidad en la teoría cuántica (y más allá) (tesis de maestría),” (2017) . https:/​/​foundations.ethz.ch/​wp-content/​uploads/​2019/​07/​vilasini_master_thesis-v2.pdf.
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[ 66 ] V. Vilasini, “Causalidad en espacios-tiempos definidos e indefinidos (resumen extendido para qpl 2020),” (2020) . https:/​/​wdi.centralesupelec.fr/​users/​valiron/​qplmfps/​papers/​qs01t3.pdf.
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[ 67 ] C. Portmann, C. Matt, U. Maurer, R. Renner y B. Tackmann, "Casales causales: sistemas de procesamiento de información cuántica cerrados bajo composición", IEEE Transactions on Information Theory 63 no. 5, (2017) 3277–3305. https:/​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2017.2676805.
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[ 68 ] B. d'Espagnat, “Una nota elemental sobre las 'mezclas'”, Preludios de Física Teórica en honor a VF Weisskopf (1966) 185.

[ 69 ] B. d'Espagnat, Fundamentos conceptuales de la mecánica cuántica. Prensa CRC, 2018.
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[ 70 ] SD Bartlett, T. Rudolph y RW Spekkens, "Marcos de referencia, reglas de superselección e información cuántica", Review of Modern Physics 79 (abril de 2007) 555–609, arXiv:quant-ph/0610030.
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[ 71 ] V. Vilasini y R. Renner, "Incrustación de estructuras causales cíclicas en espaciostiempos acíclicos: resultados no válidos para matrices de proceso", (2022), arXiv: 2203.11245 [quant-ph].
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[ 72 ] B. Schumacher y MD Westmoreland, "Localidad y transferencia de información en operaciones cuánticas", Quantum Information Processing 4 no. 1, (2005) 13–34, arXiv:quant-ph/0406223.
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Citado por

[1] Nikola Paunković y Marko Vojinović, “Principio de equivalencia en gravedad clásica y cuántica”, Universo 8 11, 598 (2022).

[2] Julian Wechs, Cyril Branciard y Ognyan Oreshkov, “Existencia de procesos que violan desigualdades causales en subsistemas deslocalizados en el tiempo”, Comunicaciones de la naturaleza 14, 1471 (2023).

[3] Huan Cao, Jessica Bavaresco, Ning-Ning Wang, Lee A. Rozema, Chao Zhang, Yun-Feng Huang, Bi-Heng Liu, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo y Philip Walther, “Certificación semi-independiente del dispositivo de orden causal indefinido en un interruptor cuántico fotónico”, Óptica 10 5, 561 (2023).

[4] Pedro R. Dieguez, Vinicius F. Lisboa y Roberto M. Serra, “Dispositivos térmicos alimentados por medidas generalizadas con orden causal indefinido”, Revisión física A 107 1, 012423 (2023).

[5] Augustin Vanrietvelde, Nick Ormrod, Hlér Kristjánsson y Jonathan Barrett, “Consistent circuits for indefinite causal order”, arXiv: 2206.10042, (2022).

[6] Robin Lorenz y Sean Tull, “Modelos causales en diagramas de cuerdas”, arXiv: 2304.07638, (2023).

[7] Matt Wilson, Giulio Chiribella y Aleks Kissinger, “Los supermapas cuánticos se caracterizan por la localidad”, arXiv: 2205.09844, (2022).

[8] Tein van der Lugt, Jonathan Barrett y Giulio Chiribella, "Certificación independiente del dispositivo de orden causal indefinido en el interruptor cuántico", arXiv: 2208.00719, (2022).

[9] Marco Fellous-Asiani, Raphaël Mothe, Léa Bresque, Hippolyte Dourdent, Patrice A. Camati, Alastair A. Abbott, Alexia Auffèves y Cyril Branciard, “Comparación del interruptor cuántico y sus simulaciones con operaciones con restricciones energéticas”, Investigación de revisión física 5 2, 023111 (2023).

[10] Nick Ormrod, V. Vilasini y Jonathan Barrett, "¿Qué teorías tienen un problema de medición?", arXiv: 2303.03353, (2023).

[11] Martin Sandfuchs, Marcus Haberland, V. Vilasini y Ramona Wolf, "Seguridad del cambio de fase diferencial QKD a partir de principios relativistas", arXiv: 2301.11340, (2023).

[12] Ricardo Faleiro, Nikola Paunkovic y Marko Vojinovic, “Interpretación operativa del vacío y matrices de proceso para partículas idénticas”, arXiv: 2010.16042, (2020).

[13] Eleftherios-Ermis Tselentis y Ämin Baumeler, “Estructuras y correlaciones causales admisibles”, arXiv: 2210.12796, (2022).

[14] Ricardo Faleiro, Nikola Paunkovic y Marko Vojinovic, “Interpretación operativa del vacío y matrices de proceso para partículas idénticas”, Cuántica 7, 986 (2023).

Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2023-06-02 00:50:08). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.

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