Experiment med kvantorsak och verkan avslöjar dold icke-klassicitet

Orsak-och-verkan förklaringar som "katmynta får katter att vara glada", "skämt orsakar skratt" och "spännande forskningsorsaker Fysikvärlden artiklar” är ett användbart sätt att organisera kunskap om världen. Matematiken om orsak och verkan ligger till grund för allt från epidemiologi till kvantfysik. I kvantvärlden är kopplingen mellan orsak och verkan dock inte så enkel. Ett internationellt team av fysiker har nu använt kvantkränkningar av klassisk kausalitet för att bättre förstå karaktären av orsak och verkan. I processen upptäckte teamet kvantbeteende i en situation där standardmetoder indikerar att systemet borde vara klassiskt – ett resultat som kan ha tillämpningar inom kvantkryptografi.

Inom kvantfysiken säger ett resultat känt som Bells teorem att ingen teori som innehåller lokala "dolda" variabler någonsin kan reproducera korrelationerna mellan mätresultat som kvantmekaniken förutsäger. Ett liknande resultat inträffar i teorin om kausal slutledning, där kvantsystem likaså trotsar reglerna för klassisk kausal resonemang. Tanken bakom den kausala slutledningsmetoden är att medan en statistisk korrelation mellan två variabler kan uppstå på grund av ett direkt orsakssamband mellan dem, kan korrelationen också innehålla bidraget från en dold gemensam orsak. I vissa fall kan detta dolda bidrag kvantifieras, och detta kan användas för att visa att kvantkorrelationer existerar även när Bells teorem inte kan brytas.

Att sluta sig till kausal struktur uppnår direkt kontroll över orsak och verkan

I det senaste arbetet, ett team ledd av experimentell fysiker Davide Poderini och kollegor i Brasilien, Tyskland, Italien och Polen kombinerar teori och experiment för att visa kvantfenomen i ett system som annars skulle framstå som klassiskt. Forskarna utforskar begreppet orsak och verkan genom att överväga om korrelationer mellan två variabler, A och B, innebär att den ena är orsaken till den andra, eller om någon annan (potentiellt oobserverad) variabel kan vara källan till korrelationerna.

I sin undersökning använder forskarna en kausal modell (se bild) där statistiken för variabel A påverkar statistiken för variabel B, antingen direkt eller genom inverkan av en gemensam källa (kallad Λ) som kopplar samman utfallet av båda variablerna även utan förekomsten av ett orsakssamband mellan dem. För att skilja mellan dessa två scenarier utför forskarna en intervention på variabel A som raderar eventuella yttre påverkan. Detta lämnar variabeln A under försöksledarens fullständiga kontroll, vilket gör det möjligt att uppskatta det direkta orsakssambandet mellan A och B.

Alternativt, genom att introducera en ytterligare variabel X som är oberoende av B och Λ, kan alla observerade korrelationer mellan variablerna A och B delas upp i villkorliga sannolikheter. Dessa villkorade sannolikheter sätter en lägre gräns för graden av kausal effekt mellan variablerna, vilket gör det möjligt att uppskatta graden av påverkan mellan A och B.

Forskarna kallar denna nedre gräns för en instrumentell ojämlikhet, och det är en klassisk begränsning som (liknande den ojämlikhet som uppstår från Bells teorem) härrör från att påtvinga ett experiment denna orsaksstruktur. Som ett resultat kommer graden av kvantkausalt inflytande mellan variablerna A och B att vara mindre än det minimum som krävs för ett klassiskt system, vilket gör att icke-klassicitet kan observeras genom en intervention även när ingen Bell-ojämlikhet kränks.

Experimentell intervention avslöjar kvanteffekter

För att observera den instrumentella orsaksprocessen genererade forskarna par av fotoner med intrasslade polarisationer och mätte dem i olika representationer av tillståndsrum, eller baser. Tack vare fotonernas intrasslade natur bestäms valet av bas för den ena av mätningen på den andra, vilket ger en "feed-forward"-mekanism som implementerar ett direkt orsakssamband mellan de två variablerna. Som ett resultat av denna feed-forward-process observerar forskarna experimentellt brott mot de klassiska nedre gränserna för kausalt inflytande mellan två variabler genom att producera flera kvanttillstånd som kännetecknas av olika grader av intrassling.

Liksom Bells ojämlikhet representerar brott mot denna klassiska nedre gräns en signatur av kvantkorrelationer. Dessutom ger det statistiska data som kan fungera som grunden för alla grundläggande kvantkryptografiska protokoll. Medan nuvarande kryptografiska protokoll förlitar sig på Bells teorem, representerar att sluta kausal struktur från instrumentell intervention en mer allmän kompatibilitet mellan klassisk kausalitet och kvantteori. Poderini och hans kollegor försöker experimentera med olika orsaksscenarier för att utforska komplexa nätverk med rikare korrelationer, som kan utnyttjas för att utveckla nya kvantteknologier. Forskarna tror att deras experimentella tekniker kan leda till kvantfördelar i kryptografiska protokoll, vilket gör det möjligt att realisera mer motståndskraftiga och mindre tekniskt krävande kryptografiska verktyg.

Posten Experiment med kvantorsak och verkan avslöjar dold icke-klassicitet visades först på Fysikvärlden.

• Myntsmart. Europas bästa bitcoin- och kryptobörs.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. FRI TILLGÅNG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis provperiod.
• Källa: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/