Experimenten met kwantumoorzaak en gevolg onthullen verborgen niet-klassiekheid

Oorzaak-en-gevolg verklaringen zoals "kattenkruid zorgt ervoor dat katten gelukkig zijn", "grappen veroorzaken gelach" en "opwindende onderzoeksoorzaken Natuurkunde wereld artikelen” zijn een handige manier om kennis over de wereld te ordenen. De wiskunde van oorzaak en gevolg ligt ten grondslag aan alles, van epidemiologie tot kwantumfysica. In de kwantumwereld is het verband tussen oorzaak en gevolg echter niet zo eenvoudig. Een internationaal team van natuurkundigen heeft nu kwantumschendingen van klassieke causaliteit gebruikt om de aard van oorzaak en gevolg beter te begrijpen. Tijdens het proces ontdekte het team kwantumgedrag in een situatie waarin standaardmethoden aangeven dat het systeem klassiek zou moeten zijn - een resultaat dat toepassingen zou kunnen hebben in kwantumcryptografie.

In de kwantumfysica stelt een resultaat dat bekend staat als de stelling van Bell dat geen enkele theorie die lokale "verborgen" variabelen bevat, ooit de correlaties tussen meetresultaten kan reproduceren die de kwantummechanica voorspelt. Een soortgelijk resultaat doet zich voor in de theorie van causale gevolgtrekking, waar kwantumsystemen eveneens de regels van klassiek causaal redeneren tarten. Het idee achter de causale inferentiebenadering is dat hoewel een statistische correlatie tussen twee variabelen kan ontstaan ​​als gevolg van een direct causaal verband ertussen, de correlatie ook de bijdrage van een verborgen gemeenschappelijke oorzaak kan bevatten. In sommige gevallen kan deze verborgen bijdrage worden gekwantificeerd, en dit kan worden gebruikt om aan te tonen dat kwantumcorrelaties bestaan, zelfs als de stelling van Bell niet kan worden geschonden.

Het afleiden van causale structuur zorgt voor directe controle over oorzaak en gevolg

In het laatste werk heeft een team onder leiding van experimenteel fysicus Davide Poderini en collega's in Brazilië, Duitsland, Italië en Polen combineren theorie en experiment om kwantumverschijnselen te laten zien in een systeem dat anders klassiek zou lijken. De onderzoekers onderzoeken het begrip oorzaak en gevolg door na te gaan of correlaties tussen twee variabelen, A en B, impliceren dat de ene de oorzaak is van de andere, of dat een andere (potentieel niet-waargenomen) variabele de bron van de correlaties is.

In hun onderzoek gebruiken de onderzoekers een causaal model (zie afbeelding) waarin de statistieken van variabele A die van variabele B beïnvloeden, hetzij direct, hetzij door de actie van een gemeenschappelijke bron (called genaamd) die de uitkomst van beide variabelen verbindt, zelfs zonder de aanwezigheid van een causaal verband daartussen. Om onderscheid te maken tussen deze twee scenario's voeren de onderzoekers een interventie uit op variabele A die eventuele invloeden van buitenaf uitwist. Dit laat de variabele A onder de volledige controle van de onderzoeker, waardoor het mogelijk wordt om het directe causale verband tussen A en B te schatten.

Als alternatief, door een extra variabele X te introduceren die onafhankelijk is van B en Λ, kunnen alle waargenomen correlaties tussen variabelen A en B worden ontleed in voorwaardelijke kansen. Deze voorwaardelijke kansen stellen een ondergrens aan de mate van causaal effect tussen de variabelen, waardoor het mogelijk is om de mate van invloed tussen A en B te schatten.

De onderzoekers noemen deze ondergrens een instrumentele ongelijkheid, en het is een klassieke beperking die (vergelijkbaar met de ongelijkheid die voortvloeit uit de stelling van Bell) voortkomt uit het opleggen van deze causale structuur aan een experiment. Als gevolg hiervan zal de mate van kwantumcausale invloed tussen variabelen A en B kleiner zijn dan het minimum dat vereist is voor een klassiek systeem, waardoor niet-klassiekheid kan worden waargenomen door een interventie, zelfs als er geen Bell-ongelijkheid wordt geschonden.

Experimentele interventie onthult kwantumeffecten

Om het instrumentele causale proces te observeren, genereerden de onderzoekers paren fotonen met verstrengelde polarisaties en maten ze in verschillende representaties van toestandsruimte of basen. Dankzij de verstrengelde aard van fotonen wordt de keuze van de basis voor de ene bepaald door de meting van de andere, waardoor een 'feed-forward'-mechanisme ontstaat dat een direct causaal verband tussen de twee variabelen implementeert. Als resultaat van dit feed-forward-proces observeren de onderzoekers experimenteel schendingen van de klassieke ondergrenzen voor causale invloed tussen twee variabelen door verschillende kwantumtoestanden te produceren die worden gekenmerkt door verschillende graden van verstrengeling.

Net als de ongelijkheid van Bell, vertegenwoordigt schending van deze klassieke ondergrens een kenmerk van kwantumcorrelaties. Bovendien levert het statistische gegevens op die als basis kunnen dienen voor elk fundamenteel cryptografisch kwantumprotocol. Terwijl de huidige cryptografische protocollen gebaseerd zijn op de stelling van Bell, vertegenwoordigt het afleiden van causale structuur uit instrumentele interventie een meer algemene compatibiliteit tussen klassieke causaliteit en kwantumtheorie. Poderini en zijn collega's proberen te experimenteren met verschillende causale scenario's om complexe netwerken met rijkere correlaties te verkennen, die kunnen worden benut om nieuwe kwantumtechnologieën te ontwikkelen. De onderzoekers denken dat hun experimentele technieken kunnen leiden tot kwantumvoordelen in cryptografische protocollen, waardoor het mogelijk wordt om veerkrachtiger en minder technologisch veeleisende cryptografische tools te realiseren.

De post Experimenten met kwantumoorzaak en gevolg onthullen verborgen niet-klassiekheid verscheen eerst op Natuurkunde wereld.

• Coinsmart. Europa's beste Bitcoin- en crypto-uitwisseling.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. GRATIS TOEGANG.
• CryptoHawk. Altcoin-radar. Gratis proefversie.
• Bron: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/