Gli esperimenti con causa ed effetto quantistici rivelano una nonclassicità nascosta

Spiegazioni di causa ed effetto come "l'erba gatta fa felici i gatti", "le battute fanno ridere" e "causa di ricerca eccitante Mondo della fisica articoli” sono un modo utile per organizzare la conoscenza del mondo. La matematica di causa ed effetto è alla base di tutto, dall'epidemiologia alla fisica quantistica. Nel mondo quantistico, tuttavia, il legame tra causa ed effetto non è così semplice. Un team internazionale di fisici ha ora utilizzato le violazioni quantistiche della causalità classica per comprendere meglio la natura di causa ed effetto. Nel processo, il team ha scoperto il comportamento quantistico in una situazione in cui i metodi standard indicano che il sistema dovrebbe essere classico, un risultato che potrebbe avere applicazioni nella crittografia quantistica.

Nella fisica quantistica, un risultato noto come teorema di Bell afferma che nessuna teoria che incorpora variabili locali "nascoste" può mai riprodurre le correlazioni tra i risultati delle misurazioni che la meccanica quantistica prevede. Un risultato simile si verifica nella teoria dell'inferenza causale, dove i sistemi quantistici sfidano allo stesso modo le regole del ragionamento causale classico. L'idea alla base dell'approccio dell'inferenza causale è che mentre una correlazione statistica tra due variabili può sorgere a causa di una relazione causale diretta tra loro, la correlazione può anche contenere il contributo di una causa comune nascosta. In alcuni casi, questo contributo nascosto può essere quantificato e questo può essere utilizzato per dimostrare che le correlazioni quantistiche esistono anche quando il teorema di Bell non può essere violato.

Inferire la struttura causale ottiene il controllo diretto su causa ed effetto

Nell'ultimo lavoro, un team guidato dal fisico sperimentale Davide Poderini e colleghi in Brasile, Germania, Italia e Polonia combinano teoria ed esperimento per mostrare i fenomeni quantistici in un sistema che altrimenti sembrerebbe classico. I ricercatori esplorano la nozione di causa ed effetto valutando se le correlazioni tra due variabili, A e B, implichino che una sia la causa dell'altra, o se qualche altra variabile (potenzialmente non osservata) possa essere la fonte delle correlazioni.

Nella loro indagine, i ricercatori utilizzano un modello causale (vedi immagine) in cui le statistiche della variabile A influenzano quelle della variabile B, direttamente o per azione di una fonte comune (chiamata Λ) che collega l'esito di entrambe le variabili anche senza la presenza di un nesso di causalità tra di loro. Per distinguere tra questi due scenari, i ricercatori effettuano un intervento sulla variabile A che cancella eventuali influenze esterne. Ciò lascia la variabile A sotto il completo controllo dello sperimentatore, consentendo di stimare il nesso causale diretto tra A e B.

In alternativa, introducendo una variabile aggiuntiva X che è indipendente da B e Λ, qualsiasi correlazione osservata tra le variabili A e B può essere scomposta in probabilità condizionate. Queste probabilità condizionate pongono un limite inferiore al grado di effetto causale tra le variabili, consentendo di stimare il livello di influenza tra A e B.

I ricercatori chiamano questo limite inferiore una disuguaglianza strumentale, ed è un vincolo classico che (simile alla disuguaglianza che deriva dal teorema di Bell) deriva dall'imporre questa struttura causale a un esperimento. Di conseguenza, il grado di influenza quantistica causale tra le variabili A e B sarà inferiore al minimo richiesto per un sistema classico, consentendo di osservare la nonclassicità attraverso un intervento anche quando non viene violata alcuna disuguaglianza di Bell.

L'intervento sperimentale rivela effetti quantistici

Per osservare il processo causale strumentale, i ricercatori hanno generato coppie di fotoni con polarizzazioni entangled e le hanno misurate in diverse rappresentazioni dello spazio degli stati, o basi. Grazie alla natura entangled dei fotoni, la scelta della base per uno è determinata dalla misurazione dell'altro, producendo un meccanismo di “feed-forward” che implementa un nesso causale diretto tra le due variabili. Come risultato di questo processo feed-forward, i ricercatori osservano sperimentalmente le violazioni dei limiti inferiori classici per l'influenza causale tra due variabili producendo diversi stati quantistici caratterizzati da diversi gradi di entanglement.

Come la disuguaglianza di Bell, la violazione di questo limite inferiore classico rappresenta una firma delle correlazioni quantistiche. Inoltre, fornisce dati statistici che possono fungere da base per qualsiasi protocollo crittografico quantistico di base. Mentre gli attuali protocolli crittografici si basano sul teorema di Bell, dedurre la struttura causale dall'intervento strumentale rappresenta una compatibilità più generale tra la causalità classica e la teoria quantistica. Poderini e i suoi colleghi cercano di sperimentare diversi scenari causali per esplorare reti complesse con correlazioni più ricche, che possono essere sfruttate per sviluppare nuove tecnologie quantistiche. I ricercatori ritengono che le loro tecniche sperimentali potrebbero portare a vantaggi quantistici nei protocolli crittografici, rendendo possibile la realizzazione di strumenti crittografici più resilienti e meno tecnologicamente impegnativi.

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