Главная Новости Эксперименты с квантовой причинностью и теорема Белла

Теорема Белла не всегда работает?

Причинно-следственные объяснения, такие, как "утренний кофе повышает общий тонус организма" - базовый способ организации знаний о мире, пишет Альтернативная наука.

Математика причинно-следственных связей лежит в основе всего - от эпидемиологии до квантовой физики. Однако в квантовом мире связь между причиной и следствием не так очевидна.

Проблемы с теоремой Белла

Международная группа исследователей под руководством физика-экспериментатора Давиде Подерини использует квантовые нарушения классической причинности, чтобы лучше понять природу причинно-следственных связей.

В процессе работы команда обнаружила квантовое поведение в ситуации, когда стандартные методы показывают, что система должна функционировать по «классической схеме», - результат, который может быть применен в квантовой криптографии.

Теорема Белла гласит, что ни одна теория, включающая локальные "скрытые" переменные, никогда не сможет воспроизвести корреляции между результатами измерений, предсказанные квантовой механикой.

Подобная логика работает в теории причинно-следственных связей, где квантовые системы также не подчиняются правилам классических рассуждений.

Идея заключается в том, что хотя статистическая корреляция между двумя переменными может возникать из-за прямой причинно-следственной связи между ними, сама корреляция также содержать скрытые общие причины.

В некоторых случаях этот скрытый вклад может быть оценен количественно, то есть квантовые корреляции существуют даже тогда, когда теорема Белла не нарушена.

Джон Сюарт Белл

Вывод: физические структуры такого плана «контролируют» причину и следствие. Отсюда вытекает, что исследователю отведена роль только стороннего наблюдателя.

В последней работе команда физика-экспериментатора Давиде Подерини исследует квантовые явления в системе, которая, по идее, является классической.

Ученые изучают понятие причины и следствия, рассматривая, существует ли обязательная корреляция между явлениями A или B, или же источником корреляции может быть какая-то другая, потенциально ненаблюдаемая переменная.

Направленный ациклический граф инструментального сценария. Круглые узлы представляют наблюдаемые переменные, а треугольные - скрытые

В своем исследовании ученые используют причинно-следственную модель, где статистика переменной A влияет на статистику переменной B либо напрямую, либо под действием общего источника (называемого Λ), который связывает результаты обеих переменных даже без наличия причинно-следственной связи между ними.

Чтобы найти различие между этими двумя сценариями, исследователи трансформируют переменную А, которое стирает любые внешние влияния. В результате переменная A остается под полным контролем экспериментатора, что позволяет оценить прямую корреляцию между A и B.

В качестве альтернативы вводится дополнительная переменная X, не зависимая от B и Λ. В таком случае любые наблюдаемые корреляции между переменными A и B можно разложить на условные вероятности. Эти условные вероятности накладывают нижнюю границу на степень причинно-следственного эффекта между переменными, позволяя оценить уровень влияния между A и B.

Исследователи называют эту нижнюю границу инструментальным неравенством, и это классическое ограничение, которое (подобно неравенству, вытекающему из теоремы Белла) возникает в результате наложения причинной структуры на эксперимент.

В результате степень квантового причинного влияния между переменными A и B будет меньше, чем минимально необходимая для классической системы, что позволяет наблюдать неклассичность при вмешательстве даже тогда, когда неравенство Белла не нарушается.

Фотоны с запутанной поляризацией

Для наблюдения инструментального причинно-следственного процесса исследователи генерировали пары фотонов с запутанной поляризацией и измеряли их в различных представлениях пространства состояний, или базисах, сообщает Альтернативная наука со ссылкой на physicsworld.com.

Благодаря запутанной природе фотонов, выбор базиса для одного из них определяется измерением другого, создавая механизм "обратной связи", который реализует прямую причинно-следственную связь между двумя переменными.

 

В результате передачи сигнала исследователи экспериментально наблюдают нарушения классических нижних границ для причинного влияния между двумя переменными, создавая несколько квантовых состояний, характеризующихся различными степенями запутанности.

Как и неравенство Белла, нарушение классической нижней границы представляет собой признак квантовых корреляций.

Более того, оно дает статистические данные, которые могут служить основой любого базового квантового криптографического протокола.

В то время как современные криптографические протоколы опираются на теорему Белла, вывод причинной структуры из инструментального вмешательства располагает более общей совместимостью между классической причинностью и квантовой теорией.

Подерини и его коллеги стремятся экспериментировать с различными причинными сценариями, чтобы исследовать сложные сети с более богатыми корреляциями, которые могут быть использованы для разработки новых квантовых технологий.

Исследователи считают, что их экспериментальные методы приведут к квантовым преимуществам в криптографических протоколах, что позволит реализовать более устойчивые и менее технологически сложные криптографические инструменты.