Эксперименты с квантовой причиной и следствием обнаруживают скрытую неклассичность

Причинно-следственные объяснения, такие как «кошачья мята делает кошек счастливыми», «шутки вызывают смех» и «увлекательные исследования вызывают Мир физики статьи» — полезный способ систематизировать знания о мире. Математика причин и следствий лежит в основе всего, от эпидемиологии до квантовой физики. Однако в квантовом мире связь между причиной и следствием не так проста. Международная команда физиков использовала квантовые нарушения классической причинности, чтобы лучше понять природу причинно-следственных связей. В процессе команда обнаружила квантовое поведение в ситуации, когда стандартные методы указывают на то, что система должна быть классической — результат, который может найти применение в квантовой криптографии.

В квантовой физике результат, известный как теорема Белла, утверждает, что никакая теория, включающая локальные «скрытые» переменные, никогда не сможет воспроизвести корреляции между результатами измерений, которые предсказывает квантовая механика. Аналогичный результат имеет место в теории каузального вывода, где квантовые системы также не подчиняются правилам классического каузального мышления. Идея подхода причинного вывода состоит в том, что хотя статистическая корреляция между двумя переменными может возникать из-за прямой причинно-следственной связи между ними, корреляция может также содержать вклад скрытой общей причины. В некоторых случаях этот скрытый вклад можно определить количественно, и это можно использовать, чтобы показать, что квантовые корреляции действительно существуют, даже когда теорема Белла не может быть нарушена.

Вывод причинно-следственной структуры обеспечивает прямой контроль над причиной и следствием

В последней работе группа под руководством физика-экспериментатора Давиде Подерини и коллеги в Бразилии, Германии, Италии и Польше сочетают теорию и эксперимент, чтобы показать квантовые явления в системе, которая в противном случае казалась бы классической. Исследователи исследуют понятие причины и следствия, рассматривая, подразумевают ли корреляции между двумя переменными, А и В, что одна является причиной другой, или же источником корреляций может быть какая-то другая (потенциально ненаблюдаемая) переменная.

В своем исследовании исследователи используют причинно-следственную модель (см. изображение), в которой статистика переменной A влияет на статистику переменной B либо напрямую, либо под действием общего источника (называемого Λ), который связывает результат обеих переменных даже без наличие причинно-следственной связи между ними. Чтобы различить эти два сценария, исследователи производят вмешательство в переменную А, которое стирает любые внешние воздействия. Это оставляет переменную А под полным контролем экспериментатора, что позволяет оценить прямую причинно-следственную связь между А и В.

В качестве альтернативы, вводя дополнительную переменную X, которая не зависит от B и Λ, любые наблюдаемые корреляции между переменными A и B можно разложить на условные вероятности. Эти условные вероятности определяют нижнюю границу степени причинно-следственной связи между переменными, позволяя оценить уровень влияния между А и В.

Исследователи называют эту нижнюю границу инструментальным неравенством, и это классическое ограничение, которое (аналогично неравенству, вытекающему из теоремы Белла) возникает из-за наложения этой причинно-следственной структуры на эксперимент. В результате степень квантового причинного влияния между переменными A и B будет меньше минимума, необходимого для классической системы, что позволит наблюдать неклассичность посредством вмешательства, даже если неравенство Белла не будет нарушено.

Экспериментальное вмешательство выявляет квантовые эффекты

Чтобы наблюдать инструментальный причинно-следственный процесс, исследователи генерировали пары фотонов с запутанными поляризациями и измеряли их в различных представлениях пространства состояний или базисов. Благодаря запутанной природе фотонов выбор основы для одного определяется измерением другого, создавая механизм «прямой связи», реализующий прямую причинно-следственную связь между двумя переменными. В результате этого процесса прямой связи исследователи экспериментально наблюдают нарушения классических нижних границ причинного влияния между двумя переменными, создавая несколько квантовых состояний, характеризующихся разной степенью запутанности.

Подобно неравенству Белла, нарушение этой классической нижней границы представляет собой признак квантовых корреляций. Кроме того, он дает статистические данные, которые могут служить основой любого базового квантового криптографического протокола. В то время как современные криптографические протоколы основаны на теореме Белла, вывод о причинно-следственной структуре из инструментального вмешательства представляет собой более общую совместимость между классической причинностью и квантовой теорией. Подерини и его коллеги стремятся экспериментировать с различными причинно-следственными сценариями, чтобы исследовать сложные сети с более богатыми корреляциями, которые можно использовать для разработки новых квантовых технологий. Исследователи считают, что их экспериментальные методы могут привести к квантовым преимуществам в криптографических протоколах, что позволит реализовать более устойчивые и менее технологически требовательные криптографические инструменты.

сообщение Эксперименты с квантовой причиной и следствием обнаруживают скрытую неклассичность Появившийся сначала на Мир физики.

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/