Eksperimenti s kvantnim vzrokom in posledico razkrivajo skrito neklasičnost

Vzročno-posledične razlage, kot so »mačja meta povzroča veselje mačk«, »šale povzročajo smeh« in »razburljivo raziskovanje povzroča Svet fizike članki« so uporaben način za organiziranje znanja o svetu. Matematika vzroka in posledice je podlaga za vse, od epidemiologije do kvantne fizike. V kvantnem svetu pa povezava med vzrokom in posledico ni tako enostavna. Mednarodna ekipa fizikov je zdaj uporabila kvantne kršitve klasične vzročnosti, da bi bolje razumela naravo vzroka in posledice. V tem procesu je ekipa odkrila kvantno vedenje v situaciji, ko standardne metode kažejo, da bi moral biti sistem klasičen – rezultat, ki bi lahko imel aplikacije v kvantni kriptografiji.

V kvantni fiziki rezultat, znan kot Bellov izrek, navaja, da nobena teorija, ki vključuje lokalne "skrite" spremenljivke, ne more nikoli reproducirati korelacije med izidi meritev, ki jih napoveduje kvantna mehanika. Podoben rezultat se pojavi v teoriji vzročnega sklepanja, kjer kvantni sistemi prav tako nasprotujejo pravilom klasičnega vzročnega sklepanja. Ideja, ki stoji za pristopom vzročnega sklepanja, je, da medtem ko lahko nastane statistična korelacija med dvema spremenljivkama zaradi neposredne vzročne zveze med njima, lahko korelacija vsebuje tudi prispevek skritega skupnega vzroka. V nekaterih primerih je mogoče ta skriti prispevek kvantificirati in to uporabiti za prikaz, da kvantne korelacije obstajajo, tudi če Bellovega izreka ni mogoče kršiti.

S sklepanjem o vzročni strukturi dosežemo neposreden nadzor nad vzrokom in posledico

V zadnjem delu je ekipa, ki jo vodi eksperimentalni fizik Davide Poderini s sodelavci v Braziliji, Nemčiji, Italiji in na Poljskem združujejo teorijo in eksperiment, da bi prikazali kvantne pojave v sistemu, ki bi se sicer zdel klasičen. Raziskovalci raziskujejo pojem vzroka in posledice tako, da razmišljajo o tem, ali korelacije med dvema spremenljivkama, A in B, pomenijo, da je ena vzrok za drugo, ali pa je morda vir korelacije neka druga (potencialno neopazovana) spremenljivka.

V svoji preiskavi raziskovalci uporabljajo vzročni model (glej sliko), v katerem statistika spremenljivke A vpliva na statistiko spremenljivke B, bodisi neposredno bodisi z delovanjem skupnega vira (imenovanega Λ), ki povezuje izid obeh spremenljivk tudi brez prisotnost vzročne povezave med njimi. Da bi razlikovali med tema dvema scenarijema, raziskovalci izvajajo intervencijo na spremenljivki A, ki izbriše vse zunanje vplive. To pusti spremenljivko A pod popolnim nadzorom eksperimentatorja, kar omogoča oceno neposredne vzročne povezave med A in B.

Druga možnost je, da z uvedbo dodatne spremenljivke X, ki je neodvisna od B in Λ, lahko vse opazovane korelacije med spremenljivkama A in B razgradimo na pogojne verjetnosti. Te pogojne verjetnosti postavljajo spodnjo mejo na stopnjo vzročnega učinka med spremenljivkama, kar omogoča oceno stopnje vpliva med A in B.

Raziskovalci to spodnjo mejo imenujejo instrumentalna neenakost in gre za klasično omejitev, ki (podobno kot neenakost, ki izhaja iz Bellovega izreka) izhaja iz vsiljevanja te vzročne strukture eksperimentu. Posledično bo stopnja kvantnega vzročnega vpliva med spremenljivkama A in B nižja od minimuma, ki je potreben za klasični sistem, kar omogoča opazovanje neklasičnosti z intervencijo, tudi če ni kršena nobena Bellova neenakost.

Eksperimentalni poseg razkriva kvantne učinke

Za opazovanje instrumentalnega vzročnega procesa so raziskovalci ustvarili pare fotonov z zapletenimi polarizacijami in jih izmerili v različnih predstavitvah prostora stanja ali baz. Zahvaljujoč zapleteni naravi fotonov je izbira podlage za enega določena z meritvijo na drugem, kar ustvarja mehanizem »naprej«, ki izvaja neposredno vzročno povezavo med obema spremenljivkama. Kot rezultat tega postopka posredovanja naprej raziskovalci eksperimentalno opazujejo kršitve klasičnih spodnjih meja za vzročni vpliv med dvema spremenljivkama s proizvajanjem več kvantnih stanj, za katera so značilne različne stopnje prepletenosti.

Tako kot Bellova neenakost tudi kršitev te klasične spodnje meje predstavlja podpis kvantnih korelacij. Poleg tega daje statistične podatke, ki lahko delujejo kot temelj katerega koli osnovnega kvantnega kriptografskega protokola. Medtem ko trenutni kriptografski protokoli temeljijo na Bellovem izreku, sklepanje o vzročni strukturi iz instrumentalne intervencije predstavlja bolj splošno združljivost med klasično vzročnostjo in kvantno teorijo. Poderini in njegovi kolegi poskušajo eksperimentirati z različnimi vzročnimi scenariji, da bi raziskali kompleksna omrežja z bogatejšimi korelacijami, ki jih je mogoče izkoristiti za razvoj novih kvantnih tehnologij. Raziskovalci verjamejo, da bi njihove eksperimentalne tehnike lahko privedle do kvantnih prednosti v kriptografskih protokolih, kar bi omogočilo realizacijo bolj odpornih in tehnološko manj zahtevnih kriptografskih orodij.

Pošta Eksperimenti s kvantnim vzrokom in posledico razkrivajo skrito neklasičnost pojavil prvi na Svet fizike.

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/