Eksperimenter med kvanteårsak og virkning avslører skjult ikke-klassisalitet

Årsak-og-virkning-forklaringer som "kattemynte får katter til å være glade", "vitser forårsaker latter" og "spennende forskningsårsaker Fysikkens verden artikler» er en nyttig måte å organisere kunnskap om verden på. Matematikken om årsak og virkning underbygger alt fra epidemiologi til kvantefysikk. I kvanteverdenen er koblingen mellom årsak og virkning imidlertid ikke så enkel. Et internasjonalt team av fysikere har nå brukt kvantebrudd på klassisk årsakssammenheng for å bedre forstå arten av årsak og virkning. I prosessen avdekket teamet kvanteatferd i en situasjon der standardmetoder indikerer at systemet burde være klassisk – et resultat som kan ha applikasjoner innen kvantekryptografi.

I kvantefysikk sier et resultat kjent som Bells teorem at ingen teori som inkorporerer lokale "skjulte" variabler noen gang kan reprodusere korrelasjonene mellom måleresultater som kvantemekanikken forutsier. Et lignende resultat forekommer i teorien om kausal inferens, der kvantesystemer også trosser reglene for klassisk kausal resonnement. Tanken bak den kausale slutningsmetoden er at mens en statistisk korrelasjon mellom to variabler kan oppstå på grunn av en direkte årsakssammenheng mellom dem, kan korrelasjonen også inneholde bidraget til en skjult felles årsak. I noen tilfeller kan dette skjulte bidraget kvantifiseres, og dette kan brukes til å vise at kvantekorrelasjoner eksisterer selv når Bells teorem ikke kan krenkes.

Å utlede kausal struktur oppnår direkte kontroll over årsak og virkning

I det siste arbeidet, et team ledet av eksperimentell fysiker Davide Poderini og kolleger i Brasil, Tyskland, Italia og Polen kombinerer teori og eksperimenter for å vise kvantefenomener i et system som ellers ville fremstå som klassisk. Forskerne utforsker forestillingen om årsak og virkning ved å vurdere om korrelasjoner mellom to variabler, A og B, innebærer at den ene er årsaken til den andre, eller om en annen (potensielt uobservert) variabel kan være kilden til korrelasjonene.

I sin undersøkelse bruker forskerne en årsaksmodell (se bilde) der statistikken til variabel A påvirker statistikken til variabel B, enten direkte eller ved virkningen av en felles kilde (kalt Λ) som forbinder utfallet av begge variablene selv uten tilstedeværelsen av en årsakssammenheng mellom dem. For å skille mellom disse to scenariene, utfører forskerne en intervensjon på variabel A som sletter eventuelle ytre påvirkninger. Dette etterlater variabelen A under eksperimentørens fullstendige kontroll, noe som gjør det mulig å estimere den direkte årsakssammenhengen mellom A og B.

Alternativt, ved å introdusere en ekstra variabel X som er uavhengig av B og Λ, kan eventuelle observerte korrelasjoner mellom variablene A og B dekomponeres til betingede sannsynligheter. Disse betingede sannsynlighetene setter en nedre grense for graden av årsakseffekt mellom variablene, noe som gjør det mulig å estimere påvirkningsnivået mellom A og B.

Forskerne kaller denne nedre grensen for en instrumentell ulikhet, og det er en klassisk begrensning som (i likhet med ulikheten som oppstår fra Bells teorem) stammer fra å pålegge et eksperiment denne årsaksstrukturen. Som et resultat vil graden av kvanteårsakspåvirkning mellom variablene A og B være mindre enn minimum som kreves for et klassisk system, noe som gjør det mulig å observere ikke-klassisalitet gjennom en intervensjon selv når ingen Bell-ulikhet er krenket.

Eksperimentell intervensjon avslører kvanteeffekter

For å observere den instrumentelle årsaksprosessen, genererte forskerne par av fotoner med sammenfiltrede polarisasjoner og målte dem i forskjellige representasjoner av tilstandsrom, eller baser. Takket være fotoners sammenfiltrede natur, bestemmes valget av grunnlag for den ene av målingen på den andre, og produserer en "feed-forward"-mekanisme som implementerer en direkte årsakssammenheng mellom de to variablene. Som et resultat av denne fremmatingsprosessen observerer forskerne eksperimentelt brudd på de klassiske nedre grensene for årsakspåvirkning mellom to variabler ved å produsere flere kvantetilstander preget av ulike grader av sammenfiltring.

I likhet med Bells ulikhet, representerer brudd på denne klassiske nedre grensen en signatur av kvantekorrelasjoner. Videre gir den statistiske data som kan fungere som grunnlaget for enhver grunnleggende kvantekryptografisk protokoll. Mens nåværende kryptografiske protokoller er avhengige av Bells teorem, representerer det å utlede kausal struktur fra instrumentell intervensjon en mer generell kompatibilitet mellom klassisk kausalitet og kvanteteori. Poderini og hans kolleger forsøker å eksperimentere med forskjellige årsaksscenarier for å utforske komplekse nettverk med rikere korrelasjoner, som kan utnyttes til å utvikle nye kvanteteknologier. Forskerne mener deres eksperimentelle teknikker kan føre til kvantefordeler i kryptografiske protokoller, noe som gjør det mulig å realisere mer spenstige og mindre teknologisk krevende kryptografiske verktøy.

Innlegget Eksperimenter med kvanteårsak og virkning avslører skjult ikke-klassisalitet dukket først på Fysikkens verden.

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/