Experimentos com causa e efeito quânticos revelam não-classicalidade oculta

Explicações de causa e efeito como “catnip faz com que os gatos sejam felizes”, “piadas provocam risadas” e “causas de pesquisa empolgantes” Mundo da física artigos” são uma maneira útil de organizar o conhecimento sobre o mundo. A matemática de causa e efeito sustenta tudo, desde a epidemiologia até a física quântica. No mundo quântico, no entanto, a ligação entre causa e efeito não é tão direta. Uma equipe internacional de físicos agora usou violações quânticas da causalidade clássica para entender melhor a natureza da causa e efeito. No processo, a equipe descobriu o comportamento quântico em uma situação em que métodos padrão indicam que o sistema deveria ser clássico – um resultado que poderia ter aplicações em criptografia quântica.

Na física quântica, um resultado conhecido como teorema de Bell afirma que nenhuma teoria que incorpore variáveis ​​locais “ocultas” pode reproduzir as correlações entre os resultados de medição que a mecânica quântica prevê. Um resultado semelhante ocorre na teoria da inferência causal, onde os sistemas quânticos também desafiam as regras do raciocínio causal clássico. A ideia por trás da abordagem de inferência causal é que, embora uma correlação estatística entre duas variáveis ​​possa surgir devido a uma relação causal direta entre elas, a correlação também pode conter a contribuição de uma causa comum oculta. Em alguns casos, essa contribuição oculta pode ser quantificada, e isso pode ser usado para mostrar que as correlações quânticas existem mesmo quando o teorema de Bell não pode ser violado.

Inferir a estrutura causal alcança o controle direto sobre causa e efeito

No último trabalho, uma equipe liderada pelo físico experimental Davide Poderini e colegas no Brasil, Alemanha, Itália e Polônia combinam teoria e experimento para mostrar fenômenos quânticos em um sistema que de outra forma pareceria clássico. Os pesquisadores exploram a noção de causa e efeito considerando se as correlações entre duas variáveis, A e B, implicam que uma é a causa da outra, ou se alguma outra variável (potencialmente não observada) pode ser a fonte das correlações.

Em sua investigação, os pesquisadores utilizam um modelo causal (ver imagem) em que as estatísticas da variável A influenciam as da variável B, seja diretamente ou pela ação de uma fonte comum (chamada Λ) que conecta o resultado de ambas as variáveis ​​mesmo sem a presença de um nexo de causalidade entre eles. Para distinguir entre esses dois cenários, os pesquisadores realizam uma intervenção na variável A que apaga quaisquer influências externas. Isso deixa a variável A sob controle completo do experimentador, tornando possível estimar o nexo causal direto entre A e B.

Alternativamente, introduzindo uma variável adicional X que é independente de B e Λ, quaisquer correlações observadas entre as variáveis ​​A e B podem ser decompostas em probabilidades condicionais. Essas probabilidades condicionais colocam um limite inferior no grau de efeito causal entre as variáveis, possibilitando estimar o nível de influência entre A e B.

Os pesquisadores chamam esse limite inferior de desigualdade instrumental, e é uma restrição clássica que (semelhante à desigualdade que surge do teorema de Bell) decorre da imposição dessa estrutura causal em um experimento. Como resultado, o grau de influência causal quântica entre as variáveis ​​A e B será menor que o mínimo exigido para um sistema clássico, permitindo que a não-classicidade seja observada por meio de uma intervenção mesmo quando nenhuma desigualdade de Bell for violada.

Intervenção experimental revela efeitos quânticos

Para observar o processo causal instrumental, os pesquisadores geraram pares de fótons com polarizações emaranhadas e os mediram em diferentes representações do espaço de estados, ou bases. Graças à natureza emaranhada dos fótons, a escolha da base de um é determinada pela medição do outro, produzindo um mecanismo de “feed-forward” que implementa um nexo causal direto entre as duas variáveis. Como resultado desse processo de feed-forward, os pesquisadores observam experimentalmente violações dos limites inferiores clássicos para influência causal entre duas variáveis, produzindo vários estados quânticos caracterizados por diferentes graus de emaranhamento.

Como a desigualdade de Bell, a violação desse limite inferior clássico representa uma assinatura de correlações quânticas. Além disso, produz dados estatísticos que podem atuar como a base de qualquer protocolo criptográfico quântico básico. Enquanto os protocolos criptográficos atuais dependem do teorema de Bell, inferir a estrutura causal da intervenção instrumental representa uma compatibilidade mais geral entre a causalidade clássica e a teoria quântica. Poderini e seus colegas procuram experimentar diferentes cenários causais para explorar redes complexas com correlações mais ricas, que podem ser exploradas para desenvolver novas tecnologias quânticas. Os pesquisadores acreditam que suas técnicas experimentais podem levar a vantagens quânticas em protocolos criptográficos, possibilitando ferramentas criptográficas mais resilientes e menos exigentes tecnologicamente.

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