Eksperymenty z kwantową przyczyną i skutkiem ujawniają ukrytą nieklasyczność

Wyjaśnienia przyczynowo-skutkowe, takie jak „kocimiętka sprawia, że ​​koty są szczęśliwe”, „żarty wywołują śmiech” i „ekscytujące przyczyny badań Świat Fizyki artykuły” są użytecznym sposobem porządkowania wiedzy o świecie. Matematyka przyczyny i skutku leży u podstaw wszystkiego, od epidemiologii po fizykę kwantową. Jednak w świecie kwantowym związek między przyczyną a skutkiem nie jest tak prosty. Międzynarodowy zespół fizyków wykorzystał teraz kwantowe naruszenia klasycznej przyczynowości, aby lepiej zrozumieć naturę przyczyny i skutku. W tym czasie zespół odkrył zachowanie kwantowe w sytuacji, gdy standardowe metody wskazują, że system powinien być klasyczny – wynik, który może mieć zastosowanie w kryptografii kwantowej.

W fizyce kwantowej wynik znany jako twierdzenie Bella stwierdza, że ​​żadna teoria, która zawiera lokalne „ukryte” zmienne, nigdy nie jest w stanie odtworzyć korelacji między wynikami pomiarów, które przewiduje mechanika kwantowa. Podobny wynik występuje w teorii wnioskowania przyczynowego, gdzie układy kwantowe również przeczą regułom klasycznego wnioskowania przyczynowego. Ideą podejścia przyczynowego jest to, że chociaż statystyczna korelacja między dwiema zmiennymi może powstać z powodu bezpośredniego związku przyczynowego między nimi, korelacja może również zawierać wkład ukrytej wspólnej przyczyny. W niektórych przypadkach ten ukryty wkład można określić ilościowo i można to wykorzystać do wykazania, że ​​korelacje kwantowe istnieją, nawet jeśli nie można naruszyć twierdzenia Bella.

Wnioskowanie o strukturze przyczynowej pozwala uzyskać bezpośrednią kontrolę nad przyczyną i skutkiem

W najnowszej pracy zespół kierowany przez fizyka eksperymentalnego Davide Poderini i współpracownicy w Brazylii, Niemczech, Włoszech i Polsce łączą teorię i eksperyment, aby pokazać zjawiska kwantowe w systemie, który w przeciwnym razie wydawałby się klasyczny. Naukowcy badają pojęcie przyczyny i skutku, rozważając, czy korelacje między dwiema zmiennymi, A i B, implikują, że jedna jest przyczyną drugiej, czy też jakaś inna (potencjalnie nieobserwowana) zmienna może być źródłem korelacji.

W swoich badaniach naukowcy posługują się modelem przyczynowym (patrz ilustracja), w którym statystyki zmiennej A wpływają na statystyki zmiennej B, albo bezpośrednio, albo poprzez działanie wspólnego źródła (zwanego Λ), które łączy wyniki obu zmiennych nawet bez obecność związku przyczynowego między nimi. Aby rozróżnić te dwa scenariusze, naukowcy przeprowadzają interwencję na zmiennej A, która usuwa wszelkie wpływy zewnętrzne. Pozostawia to zmienną A pod całkowitą kontrolą eksperymentatora, umożliwiając oszacowanie bezpośredniego związku przyczynowego między A i B.

Alternatywnie, wprowadzając dodatkową zmienną X, która jest niezależna od B i Λ, wszelkie zaobserwowane korelacje między zmiennymi A i B można rozłożyć na prawdopodobieństwa warunkowe. Te prawdopodobieństwa warunkowe wyznaczają dolną granicę stopnia efektu przyczynowego między zmiennymi, umożliwiając oszacowanie poziomu wpływu między A i B.

Naukowcy nazywają to dolne ograniczenie nierównością instrumentalną i jest to klasyczne ograniczenie, które (podobnie jak nierówność wynikająca z twierdzenia Bella) wynika z narzucenia tej struktury przyczynowej na eksperyment. W rezultacie stopień kwantowego wpływu przyczynowego między zmiennymi A i B będzie mniejszy niż minimum wymagane dla systemu klasycznego, co pozwoli na zaobserwowanie nieklasyczności poprzez interwencję nawet wtedy, gdy nie zostanie naruszona nierówność Bella.

Eksperymentalna interwencja ujawnia efekty kwantowe

Aby zaobserwować instrumentalny proces przyczynowy, badacze wygenerowali pary fotonów o splątanych polaryzacjach i zmierzyli je w różnych reprezentacjach przestrzeni stanów lub baz. Dzięki splątanej naturze fotonów wybór podstawy dla jednej jest determinowany pomiarem drugiej, tworząc mechanizm „sprzężenia do przodu”, który implementuje bezpośredni związek przyczynowy między dwiema zmiennymi. W wyniku tego procesu sprzężenia do przodu naukowcy doświadczalnie obserwują naruszenia klasycznych dolnych granic wpływu przyczynowego między dwiema zmiennymi, wytwarzając kilka stanów kwantowych charakteryzujących się różnymi stopniami splątania.

Podobnie jak nierówność Bella, naruszenie tej klasycznej dolnej granicy reprezentuje sygnaturę korelacji kwantowych. Ponadto dostarcza dane statystyczne, które mogą stanowić podstawę każdego podstawowego protokołu kryptograficznego kwantowego. Podczas gdy obecne protokoły kryptograficzne opierają się na twierdzeniu Bella, wnioskowanie o strukturze przyczynowej na podstawie interwencji instrumentalnej reprezentuje ogólniejszą zgodność między klasyczną przyczynowością a teorią kwantową. Poderini i jego koledzy starają się eksperymentować z różnymi scenariuszami przyczynowymi, aby zbadać złożone sieci o bogatszych korelacjach, które można wykorzystać do opracowania nowatorskich technologii kwantowych. Naukowcy są przekonani, że ich techniki eksperymentalne mogą prowadzić do przewagi kwantowej w protokołach kryptograficznych, umożliwiając tworzenie bardziej odpornych i mniej wymagających technologicznie narzędzi kryptograficznych.

Post Eksperymenty z kwantową przyczyną i skutkiem ujawniają ukrytą nieklasyczność pojawiła się najpierw na Świat Fizyki.

• Coinsmart. Najlepsza w Europie giełda bitcoinów i kryptowalut.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. DARMOWY DOSTĘP.
• CryptoJastrząb. Radar Altcoin. Bezpłatna wersja próbna.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/