ניסויים עם סיבה ותוצאה קוונטית מגלים אי-קלאסיות נסתרת

הסברים של סיבה ותוצאה כמו "חתול חתול גורם לחתולים להיות מאושרים", "בדיחות גורמות לצחוק" ו"סיבות מחקר מרגשות עולם הפיזיקה מאמרים" הם דרך שימושית לארגן ידע על העולם. המתמטיקה של סיבה ותוצאה עומדת בבסיס הכל, החל מאפידמיולוגיה ועד לפיזיקה קוונטית. בעולם הקוונטי, לעומת זאת, הקשר בין סיבה לתוצאה אינו כה פשוט. צוות בינלאומי של פיזיקאים השתמש כעת בהפרות קוונטיות של סיבתיות קלאסית כדי להבין טוב יותר את טבעם של סיבה ותוצאה. בתהליך, הצוות חשף התנהגות קוונטית במצב שבו שיטות סטנדרטיות מצביעות על כך שהמערכת צריכה להיות קלאסית - תוצאה שיכולה להיות לה יישומים בהצפנה קוונטית.

בפיזיקה הקוונטית, תוצאה המכונה משפט בל קובעת ששום תיאוריה המשלבת משתנים "חבויים" מקומיים לא תוכל לשחזר אי פעם את המתאמים בין תוצאות המדידה שמכניקת הקוונטים חוזה. תוצאה דומה מתרחשת בתורת ההסקה הסיבתית, שבה מערכות קוונטיות מתריסות גם הן בכללי החשיבה הסיבתית הקלאסית. הרעיון מאחורי גישת ההסקה הסיבתית הוא שבעוד שמתאם סטטיסטי בין שני משתנים יכול להיווצר עקב קשר סיבתי ישיר ביניהם, המתאם עשוי להכיל גם תרומה של סיבה משותפת נסתרת. במקרים מסוימים, ניתן לכמת את התרומה הנסתרת הזו, וניתן להשתמש בה כדי להראות שמתאמים קוונטיים אכן קיימים גם כאשר לא ניתן להפר את משפט בל.

הסקת מבנה סיבתי משיגה שליטה ישירה על סיבה ותוצאה

בעבודה האחרונה, צוות בראשות פיזיקאי ניסיוני דויד פודריני ועמיתיו בברזיל, גרמניה, איטליה ופולין משלבים תיאוריה וניסוי כדי להראות תופעות קוונטיות במערכת שאחרת הייתה נראית קלאסית. החוקרים בוחנים את הרעיון של סיבה ותוצאה על ידי בחינת האם מתאמים בין שני משתנים, A ו-B, מרמזים על כך שאחד הוא הגורם לשני, או שמא משתנה אחר (שפוטנציאלי לא נצפה) עשוי להיות מקור המתאמים.

בחקירתם, החוקרים משתמשים במודל סיבתי (ראה תמונה) שבו הנתונים הסטטיסטיים של משתנה A משפיעים על אלה של משתנה B, בין אם באופן ישיר או על ידי פעולת מקור משותף (הנקרא Λ) המחבר את התוצאה של שני המשתנים גם ללא קיומו של קשר סיבתי ביניהם. כדי להבחין בין שני התרחישים הללו, החוקרים מבצעים התערבות במשתנה A המוחקת כל השפעות חיצוניות. זה משאיר את המשתנה A בשליטה מלאה של הנסיין, מה שמאפשר להעריך את הקשר הסיבתי הישיר בין A ל-B.

לחלופין, על ידי הכנסת משתנה X נוסף שאינו תלוי ב-B וב-Λ, ניתן לפרק כל מתאם שנצפה בין משתנים A ו-B להסתברויות מותנות. הסתברויות מותנות אלו מציבות גבול תחתון למידת ההשפעה הסיבתית בין המשתנים, מה שמאפשר להעריך את רמת ההשפעה בין A ל-B.

החוקרים קוראים לגבול התחתון הזה אי שוויון אינסטרומנטלי, וזהו אילוץ קלאסי ש(בדומה לאי השוויון העולה ממשפט בל) נובע מהטלת המבנה הסיבתי הזה על ניסוי. כתוצאה מכך, מידת ההשפעה הסיבתית הקוונטית בין משתנים A ו-B תהיה פחותה מהמינימום הנדרש למערכת קלאסית, מה שמאפשר צפייה באי-קלאסיות באמצעות התערבות גם כאשר לא מופר אי-שוויון בל.

התערבות ניסויית חושפת השפעות קוונטיות

כדי לצפות בתהליך הסיבתי האינסטרומנטלי, החוקרים יצרו זוגות של פוטונים עם קיטובים סבוכים ומדדו אותם בייצוגים שונים של מרחב מצב, או בסיסים. הודות לאופי הסבוך של הפוטונים, בחירת הבסיס לאחד נקבעת על ידי המדידה מצד שני, מה שיוצר מנגנון "הזנה קדימה" המיישם קשר סיבתי ישיר בין שני המשתנים. כתוצאה מתהליך הזנה קדימה זה, החוקרים צופים בניסוי בהפרות של הגבולות התחתונים הקלאסיים להשפעה סיבתית בין שני משתנים על ידי ייצור מספר מצבים קוונטיים המאופיינים בדרגות שונות של הסתבכות.

כמו אי השוויון של בל, הפרה של הגבול התחתון הקלאסי הזה מייצגת חתימה של מתאמים קוונטיים. יתר על כן, הוא מניב נתונים סטטיסטיים שיכולים לשמש כבסיס לכל פרוטוקול הצפנה קוונטי בסיסי. בעוד שהפרוטוקולים ההצפנה הנוכחיים מסתמכים על משפט בל, הסקת מבנה סיבתי מהתערבות אינסטרומנטלית מייצגת התאמה כללית יותר בין סיבתיות קלאסית לתורת הקוונטים. פודריני ועמיתיו מבקשים להתנסות בתרחישים סיבתיים שונים כדי לחקור רשתות מורכבות עם מתאמים עשירים יותר, שניתן לנצל אותם לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות חדשות. החוקרים מאמינים כי טכניקות הניסוי שלהם עשויות להוביל ליתרונות קוונטיים בפרוטוקולים קריפטוגרפיים, מה שיאפשר לממש כלים קריפטוגרפיים עמידים יותר ופחות תובעניים מבחינה טכנולוגית.

ההודעה ניסויים עם סיבה ותוצאה קוונטית מגלים אי-קלאסיות נסתרת הופיע לראשונה ב עולם הפיזיקה.

• Coinsmart. בורסת הביטקוין והקריפטו הטובה באירופה.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה חופשית.
• CryptoHawk. רדאר אלטקוין. ניסיון חינם.
• מקור: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/