量子因果实验揭示了隐藏的非经典性

诸如“猫薄荷使猫快乐”、“笑话引起笑声”和“令人兴奋的研究原因”等因果解释 物理世界 文章”是组织有关世界的知识的有用方式。因果数学是从流行病学到量子物理学的一切的基础。然而，在量子世界中，因果关系之间的联系并不那么简单。一个国际物理学家团队现在利用量子违反经典因果关系来更好地理解因果关系的本质。在此过程中，该团队发现了标准方法表明系统应该是经典的情况下的量子行为——这一结果可能在量子密码学中得到应用。

在量子物理学中，一个被称为贝尔定理的结果指出，没有任何包含局部“隐藏”变量的理论可以重现量子力学预测的测量结果之间的相关性。类似的结果也出现在因果推理理论中，量子系统同样违背了经典因果推理的规则。因果推理方法背后的想法是，虽然两个变量之间可能由于它们之间的直接因果关系而产生统计相关性，但这种相关性也可能包含隐藏的共同原因的贡献。在某些情况下，这种隐藏的贡献可以被量化，这可以用来表明即使不违反贝尔定理，量子相关性也确实存在。

推断因果结构实现对因果的直接控制

在最新的工作中，由实验物理学家领导的团队 达维德·波代里尼及其同事 在巴西、德国、意大利和波兰，将理论和实验结合起来，展示了一个看似经典的系统中的量子现象。研究人员通过考虑两个变量 A 和 B 之间的相关性是否暗示一个变量是另一个变量的原因，或者其他一些（可能未被观察到的）变量是否可能是相关性的来源，来探索因果关系的概念。

在他们的调查中，研究人员使用因果模型（见图），其中变量 A 的统计数据直接影响变量 B 的统计数据，或者通过共同源（称为 Λ）的作用影响变量 B 的统计数据，该共同源（称为 Λ）连接两个变量的结果，即使没有它们之间存在因果关系。为了区分这两种情况，研究人员对变量 A 进行了干预，消除了任何外部影响。这使得变量 A 处于实验者的完全控制之下，从而可以估计 A 和 B 之间的直接因果关系。

或者，通过引入独立于 B 和 Λ 的附加变量 X，变量 A 和 B 之间任何观察到的相关性都可以分解为条件概率。这些条件概率为变量之间的因果效应程度设置了下限，从而可以估计 A 和 B 之间的影响水平。

研究人员将这个下限称为工具不等式，它是一个经典约束（类似于贝尔定理产生的不等式），源于将这种因果结构强加于实验。因此，变量 A 和 B 之间的量子因果影响程度将小于经典系统所需的最小值，即使不违反贝尔不等式，也可以通过干预来观察非经典性。

实验干预揭示了量子效应

为了观察仪器因果过程，研究人员生成了一对具有纠缠偏振的光子，并以不同的状态空间或基数表示来测量它们。由于光子的纠缠性质，一个光子的基础选择是由另一个光子的测量决定的，从而产生一种“前馈”机制，实现两个变量之间的直接因果联系。由于这种前馈过程，研究人员通过产生几个以不同程度纠缠为特征的量子态，通过实验观察到两个变量之间因果影响的经典下界的违反情况。

与贝尔不等式一样，违反这个经典下界代表了量子相关性的特征。此外，它产生的统计数据可以作为任何基本量子加密协议的基础。虽然当前的密码协议依赖于贝尔定理，但从仪器干预中推断因果结构代表了经典因果关系和量子理论之间更普遍的兼容性。波代里尼和他的同事试图尝试不同的因果场景，以探索具有更丰富相关性的复杂网络，这些网络可用于开发新型量子技术。研究人员相信，他们的实验技术可能会在加密协议中带来量子优势，从而有可能实现更具弹性且技术要求较低的加密工具。

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• 资料来源：https://physicalsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/