A kvantumok-okozattal végzett kísérletek rejtett nem-klasszikusságot tárnak fel

Az ok-okozati magyarázatok, mint például „a macskamenta boldoggá teszi a macskákat”, „a viccek nevetést okoznak” és „izgalmas kutatási okok Fizika Világa cikkek” hasznos módja a világgal kapcsolatos ismeretek rendszerezésének. Az ok-okozati összefüggés matematikája az epidemiológiától a kvantumfizikáig mindent alátámaszt. A kvantumvilágban azonban az ok és okozat közötti kapcsolat nem ilyen egyértelmű. Egy nemzetközi fizikuscsoport a klasszikus ok-okozati összefüggés kvantummegsértését használta fel, hogy jobban megértse az ok-okozati összefüggés természetét. A folyamat során a csapat feltárta a kvantum viselkedését olyan helyzetben, amikor a szabványos módszerek azt mutatják, hogy a rendszernek klasszikusnak kell lennie – ennek eredményeként alkalmazhatók lehetnek a kvantumkriptográfiában.

A kvantumfizikában egy Bell-tételként ismert eredmény kimondja, hogy egyetlen olyan elmélet sem képes reprodukálni a mérési eredmények közötti összefüggéseket, amelyeket a kvantummechanika jósol. Hasonló eredmény érhető el az ok-okozati következtetés elméletében, ahol a kvantumrendszerek szintén szembeszállnak a klasszikus ok-okozati érvelés szabályaival. Az ok-okozati következtetéses megközelítés mögött az az elképzelés áll, hogy míg két változó között a köztük lévő közvetlen ok-okozati összefüggés miatt statisztikai összefüggés keletkezhet, a korreláció tartalmazhat egy rejtett közös ok hozzájárulását is. Bizonyos esetekben ez a rejtett hozzájárulás számszerűsíthető, és ez felhasználható annak kimutatására, hogy léteznek kvantumkorrelációk még akkor is, ha Bell tételét nem lehet megsérteni.

Az ok-okozati struktúra kikövetkeztetése közvetlen irányítást ér el az ok és okozat felett

A legújabb munkában egy kísérleti fizikus vezette csapat Davide Poderini és munkatársai Brazíliában, Németországban, Olaszországban és Lengyelországban kombinálják az elméletet és a kísérletet, hogy kvantumjelenségeket mutassanak be egy olyan rendszerben, amely egyébként klasszikusnak tűnik. A kutatók az ok és okozat fogalmát úgy kutatják, hogy megvizsgálják, hogy két változó, az A és B közötti összefüggések azt jelentik-e, hogy az egyik oka a másiknak, vagy esetleg valamilyen más (potenciálisan nem megfigyelt) változó lehet az összefüggések forrása.

Vizsgálatuk során a kutatók egy oksági modellt (lásd a képet) használnak, amelyben az A változó statisztikái közvetlenül vagy egy közös forrás (úgynevezett Λ) hatására befolyásolják a B változó statisztikáit, amely mindkét változó kimenetelét összekapcsolja anélkül is. ok-okozati összefüggés jelenléte közöttük. A két forgatókönyv megkülönböztetésére a kutatók olyan beavatkozást hajtanak végre az A változón, amely minden külső hatást eltöröl. Ezáltal az A változó a kísérletező teljes ellenőrzése alatt marad, ami lehetővé teszi az A és B közötti közvetlen ok-okozati kapcsolat becslését.

Alternatív megoldásként egy további, B-től és Λ-től független X változó bevezetésével az A és B változók között megfigyelt korrelációk feltételes valószínűségekre bonthatók. Ezek a feltételes valószínűségek alsó korlátot szabnak a változók közötti ok-okozati hatás mértékére, lehetővé téve az A és B közötti befolyás mértékének becslését.

A kutatók ezt az alsó korlátot instrumentális egyenlőtlenségnek nevezik, és ez egy klasszikus megkötés, amely (hasonlóan a Bell-tételből fakadó egyenlőtlenséghez) abból fakad, hogy ezt az oksági struktúrát rákényszerítik egy kísérletre. Ennek eredményeként az A és B változók közötti kvantum-okozati hatás mértéke kisebb lesz, mint a klasszikus rendszerhez szükséges minimum, ami lehetővé teszi a nem klasszikusság megfigyelését egy beavatkozáson keresztül, még akkor is, ha a Bell-egyenlőtlenség nem sérül.

A kísérleti beavatkozás kvantumhatásokat tár fel

A műszeres ok-okozati folyamat megfigyelésére a kutatók összefonódott polarizációjú fotonpárokat hoztak létre, és megmérték őket az állapottér vagy bázisok különböző reprezentációiban. A fotonok összefonódó természetének köszönhetően az egyik alap kiválasztását a másik mérése határozza meg, ami egy „előrecsatolt” mechanizmust hoz létre, amely közvetlen ok-okozati összefüggést valósít meg a két változó között. Ennek az előrecsatolási folyamatnak az eredményeként a kutatók kísérletileg megfigyelik a két változó közötti ok-okozati hatás klasszikus alsó határának megsértését azáltal, hogy több kvantumállapotot hoznak létre, amelyeket különböző fokú összefonódás jellemez.

A Bell-féle egyenlőtlenséghez hasonlóan ennek a klasszikus alsó határnak a megsértése is a kvantumkorrelációk jele. Ezenkívül statisztikai adatokat szolgáltat, amelyek bármely alapvető kvantumkriptográfiai protokoll alapjául szolgálhatnak. Míg a jelenlegi kriptográfiai protokollok Bell tételére támaszkodnak, az ok-okozati struktúrára az instrumentális beavatkozásból következtetve a klasszikus ok-okozati összefüggés és a kvantumelmélet általánosabb összeegyeztethetőségét jelenti. Poderini és munkatársai különböző ok-okozati forgatókönyvekkel kísérleteznek, hogy gazdagabb korrelációkkal rendelkező komplex hálózatokat tárjanak fel, amelyeket új kvantumtechnológiák kifejlesztésére lehet kihasználni. A kutatók úgy vélik, hogy kísérleti technikáik kvantumelőnyökhöz vezethetnek a kriptográfiai protokollokban, lehetővé téve rugalmasabb és technológiailag kevésbé igényes kriptográfiai eszközök megvalósítását.

A poszt A kvantumok-okozattal végzett kísérletek rejtett nem-klasszikusságot tárnak fel jelent meg először Fizika Világa.

• Coinsmart. Európa legjobb Bitcoin- és kriptográfiai tőzsdéje.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. SZABAD HOZZÁFÉRÉS.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Ingyenes próbaverzió.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/