Los experimentos con causa y efecto cuánticos revelan una no clásicaidad oculta

Explicaciones de causa y efecto como "la hierba gatera hace que los gatos sean felices", "las bromas causan risas" y "la investigación emocionante causa Mundo de la física artículos” son una forma útil de organizar el conocimiento sobre el mundo. Las matemáticas de causa y efecto sustentan todo, desde la epidemiología hasta la física cuántica. En el mundo cuántico, sin embargo, el vínculo entre causa y efecto no es tan sencillo. Un equipo internacional de físicos ha utilizado ahora violaciones cuánticas de la causalidad clásica para comprender mejor la naturaleza de causa y efecto. En el proceso, el equipo descubrió el comportamiento cuántico en una situación en la que los métodos estándar indican que el sistema debería ser clásico, un resultado que podría tener aplicaciones en la criptografía cuántica.

En la física cuántica, un resultado conocido como teorema de Bell establece que ninguna teoría que incorpore variables locales "ocultas" puede reproducir las correlaciones entre los resultados de las mediciones que predice la mecánica cuántica. Un resultado similar ocurre en la teoría de la inferencia causal, donde los sistemas cuánticos también desafían las reglas del razonamiento causal clásico. La idea detrás del enfoque de inferencia causal es que, si bien puede surgir una correlación estadística entre dos variables debido a una relación causal directa entre ellas, la correlación también puede contener la contribución de una causa común oculta. En algunos casos, esta contribución oculta se puede cuantificar y se puede usar para mostrar que las correlaciones cuánticas existen incluso cuando no se puede violar el teorema de Bell.

La inferencia de la estructura causal logra un control directo sobre la causa y el efecto.

En el último trabajo, un equipo dirigido por el físico experimental Davide Poderini y colegas en Brasil, Alemania, Italia y Polonia combinan teoría y experimentación para mostrar fenómenos cuánticos en un sistema que de otro modo parecería clásico. Los investigadores exploran la noción de causa y efecto considerando si las correlaciones entre dos variables, A y B, implican que una es la causa de la otra, o si alguna otra variable (potencialmente no observada) puede ser la fuente de las correlaciones.

En su investigación, los investigadores utilizan un modelo causal (ver imagen) en el que las estadísticas de la variable A influyen en las de la variable B, ya sea directamente o por la acción de una fuente común (llamada Λ) que conecta el resultado de ambas variables incluso sin la presencia de un nexo causal entre ellos. Para distinguir entre estos dos escenarios, los investigadores realizan una intervención en la variable A que borra cualquier influencia externa. Esto deja la variable A bajo el control total del experimentador, lo que permite estimar el vínculo causal directo entre A y B.

Alternativamente, al introducir una variable adicional X que sea independiente de B y Λ, cualquier correlación observada entre las variables A y B se puede descomponer en probabilidades condicionales. Estas probabilidades condicionales ponen un límite inferior al grado de efecto causal entre las variables, lo que permite estimar el nivel de influencia entre A y B.

Los investigadores llaman a este límite inferior una desigualdad instrumental, y es una restricción clásica que (similar a la desigualdad que surge del teorema de Bell) se deriva de imponer esta estructura causal en un experimento. Como resultado, el grado de influencia causal cuántica entre las variables A y B será menor que el mínimo requerido para un sistema clásico, lo que permitirá observar la no clasicidad a través de una intervención, incluso cuando no se viole la desigualdad de Bell.

Intervención experimental revela efectos cuánticos

Para observar el proceso causal instrumental, los investigadores generaron pares de fotones con polarizaciones entrelazadas y los midieron en diferentes representaciones del espacio de estado o bases. Gracias a la naturaleza enredada de los fotones, la elección de la base para uno está determinada por la medición del otro, produciendo un mecanismo de "retroalimentación" que implementa un vínculo causal directo entre las dos variables. Como resultado de este proceso de avance, los investigadores observan experimentalmente violaciones de los límites inferiores clásicos de la influencia causal entre dos variables al producir varios estados cuánticos caracterizados por diferentes grados de entrelazamiento.

Al igual que la desigualdad de Bell, la violación de este límite inferior clásico representa una firma de correlaciones cuánticas. Además, produce datos estadísticos que pueden actuar como la base de cualquier protocolo criptográfico cuántico básico. Si bien los protocolos criptográficos actuales se basan en el teorema de Bell, inferir la estructura causal a partir de la intervención instrumental representa una compatibilidad más general entre la causalidad clásica y la teoría cuántica. Poderini y sus colegas buscan experimentar con diferentes escenarios causales para explorar redes complejas con correlaciones más ricas, que pueden explotarse para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas. Los investigadores creen que sus técnicas experimentales podrían conducir a ventajas cuánticas en los protocolos criptográficos, haciendo posible la realización de herramientas criptográficas más resistentes y menos exigentes tecnológicamente.

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