Експерименти з квантовою причиною та наслідком виявляють приховану некласичність

Причинно-наслідкові пояснення, як-от «котяча м’ята викликає у котів радість», «жарти викликають сміх» і «захоплюючі дослідження викликають Світ фізики статті» є корисним способом упорядкування знань про світ. Математика причинно-наслідкових зв’язків лежить в основі всього, від епідеміології до квантової фізики. Однак у квантовому світі зв’язок між причиною та наслідком не такий однозначний. Міжнародна група фізиків тепер використала квантові порушення класичної причинності, щоб краще зрозуміти природу причинно-наслідкового зв’язку. У процесі команда виявила квантову поведінку в ситуації, коли стандартні методи вказують на те, що система має бути класичною – результат, який може мати застосування в квантовій криптографії.

У квантовій фізиці результат, відомий як теорема Белла, стверджує, що жодна теорія, яка включає локальні «приховані» змінні, ніколи не може відтворити кореляції між результатами вимірювань, які передбачає квантова механіка. Подібний результат має місце в теорії каузального висновку, де квантові системи так само суперечать правилам класичного каузального міркування. Ідея підходу причинно-наслідкового висновку полягає в тому, що хоча статистична кореляція між двома змінними може виникнути через прямий причинно-наслідковий зв’язок між ними, кореляція також може містити внесок прихованої спільної причини. У деяких випадках цей прихований внесок можна визначити кількісно, ​​і це можна використати, щоб показати, що квантові кореляції дійсно існують, навіть якщо теорему Белла неможливо порушити.

Виведення причинно-наслідкової структури забезпечує прямий контроль над причиною та наслідком

В останній роботі команда під керівництвом фізика-експериментатора Давіде Подеріні та його колеги у Бразилії, Німеччині, Італії та Польщі поєднують теорію та експеримент, щоб показати квантові явища в системі, яка інакше виглядала б класичною. Дослідники досліджують поняття причини та наслідку, розглядаючи, чи означає кореляція між двома змінними, A та B, що одна є причиною іншої, чи якась інша (потенційно неспостережувана) змінна може бути джерелом кореляції.

У своєму дослідженні дослідники використовують причинно-наслідкову модель (див. зображення), у якій статистика змінної A впливає на статистику змінної B або безпосередньо, або через дію загального джерела (званого Λ), яке пов’язує результати обох змінних навіть без наявність між ними причинно-наслідкового зв'язку. Щоб розрізнити ці два сценарії, дослідники виконують втручання у змінну А, яке стирає будь-які зовнішні впливи. Це залишає змінну A під повним контролем експериментатора, що дає можливість оцінити прямий причинно-наслідковий зв’язок між A і B.

Як альтернатива, шляхом введення додаткової змінної X, яка не залежить від B і Λ, будь-які спостережувані кореляції між змінними A і B можна розкласти на умовні ймовірності. Ці умовні ймовірності встановлюють нижню межу ступеня причинно-наслідкового впливу між змінними, що дає змогу оцінити рівень впливу між А і В.

Дослідники називають цю нижню межу інструментальною нерівністю, і це класичне обмеження, яке (подібно до нерівності, що випливає з теореми Белла) походить від накладення цієї причинної структури на експеримент. У результаті ступінь квантового причинно-наслідкового впливу між змінними A і B буде меншим, ніж мінімально необхідний для класичної системи, що дозволяє спостерігати некласичність через втручання, навіть якщо не порушується нерівність Белла.

Експериментальне втручання виявляє квантові ефекти

Щоб спостерігати інструментальний причинно-наслідковий процес, дослідники генерували пари фотонів із заплутаною поляризацією та вимірювали їх у різних представленнях простору станів або баз. Завдяки заплутаній природі фотонів вибір основи для одного визначається вимірюванням іншого, створюючи механізм «прямого зв’язку», який реалізує прямий причинно-наслідковий зв’язок між двома змінними. У результаті цього процесу прямого зв’язку дослідники експериментально спостерігають порушення класичних нижніх меж причинного впливу між двома змінними шляхом створення кількох квантових станів, що характеризуються різним ступенем заплутаності.

Як і нерівність Белла, порушення цієї класичної нижньої межі є ознакою квантових кореляцій. Крім того, він дає статистичні дані, які можуть служити основою будь-якого базового квантового криптографічного протоколу. У той час як поточні криптографічні протоколи покладаються на теорему Белла, висновок про причинну структуру на основі інструментального втручання представляє більш загальну сумісність між класичною причинністю та квантовою теорією. Подеріні та його колеги прагнуть експериментувати з різними причинно-наслідковими сценаріями, щоб досліджувати складні мережі з багатшими кореляціями, які можна використовувати для розробки нових квантових технологій. Дослідники вважають, що їхні експериментальні методи можуть призвести до квантових переваг у криптографічних протоколах, дозволяючи реалізувати більш стійкі та менш технологічно вимогливі криптографічні інструменти.

Повідомлення Експерименти з квантовою причиною та наслідком виявляють приховану некласичність вперше з'явився на Світ фізики.

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/