Ученые из Национального института информатики и автоматики (Inria), Гренобльского университета Альп (Université Grenoble Alpes) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали новую теоретическую систему для понимания квантовой причинности. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, вводит новые теоремы, которые выражают базовые ограничения, способные блокировать реализацию квантовых экспериментов в классических пространственно-временных контекстах.
Причинность является ключевым элементом в нашем восприятии мира, но она принимает различные формы в двух основных физических теориях: квантовой теории и общей теории относительности. В квантовой теории причинность описывает передачу информации между системами и операциями, тогда как в общей теории относительности она связана с конфигурацией самого пространства-времени. Парадоксально, но квантовая теория допускает процессы с «неопределённым причинным порядком» (ICO), где последовательность событий может находиться в суперпозиции.
соавтор статьи В. Виласини
Чтобы выяснить, могут ли физически произойти процессы ICO, квантовые процессы, в которых отсутствует причинно-следственная связь между сохранёнными событиями, исследователи стремятся связать эти процессы с релятивистским понятием причинности в пространственно-временном контексте. Это и стало главным мотивом последней статьи Виласини и её соавтора Ренато Реннера.
Мы установили теоретическую основу, которая объединяет два понятия причинности в ясной и логичной форме, минимизируя физические предположения. Это позволило нам вывести на свет общие теоремы о недопустимости любых квантовых экспериментов, осуществляемых в рамках классического пространства-времени.
Виласини
Ранее проведённые эксперименты, отражающие процесс ICO, такие как «квантовый переключатель» в пространстве-времени Минковского, вызывали длительные обсуждения в отношении их физической интерпретации. Структура и результаты проведённого исследования, имеющие всеобъемлющую значимость, как для прошлых экспериментов, так и предоставляют насыщенное видение их толкования, а также того, как квантовые и релятивистские причинности согласуются в рамках подобных экспериментов.
Авторы исследовательской работы представили две теоремы, описывающие основные ограничения фигураций пространства-времени и возможные причинные объяснения квантовых экспериментов в классическом пространственно-временном окружении, принимая во внимание релятивистскую причинность (основой для которой является недопустимость передачи сигналов с превышением скорости света).
Первая теорема говорит о том, что любой эксперимент, направленный на успешную репрезентацию процессов ICO в классическом пространстве-времени, требует наличия «размазанной» или нелокализованной конфигурации входных и выходных агентных систем в пространстве-времени.
Вторая теорема на теоретическом уровне демонстрирует, что даже если процесс ICO реализован в условиях, описанных первой теоремой, подробное изучение более детальных механизмов раскрывает ясно очерченный и ациклический причинно-следственный порядок.
Квантовые эксперименты в классическом пространстве-времени могут демонстрировать ICO на «поверхностном» уровне, но более тщательное исследование раскрывает квантовый процесс с определённым информационно-теоретическим причинным порядком, который соответствует причинности пространства-времени.
Проводятся различные физические экспериментальные исследования, основанные на ранее представленных теориях и направленные на проверку их прогностических выводов. Однако эксперименты с квантовым переключателем, уже проведённые годы назад, запускают стремление к созданию лучших теоретических основ для их глубокого понимания и интерпретации.
В последних работах исследовательская группа предлагает единую структуру, пригодную для интеграции различных концепций причинности в квантовых и релятивистских теориях, что потенциально открывает возможность для «примирения» этих отличных физических концептуальных подходов.
Виласини и Реннер надеются, что их теоретические разработки станут базой для нового междисциплинарного сотрудничества, сосредоточенного на причинно-следственных связях, между физиками, изучающими квантовую механику и общую теорию относительности.
В дальнейших исследованиях Виласини и её коллеги намерены продолжить развитие своей теоретической системы. В особенности они планируют исследовать открытые вопросы о том, какие именно классы процессов ICO имеют физическую реализацию в пространственно-временном контексте.
Источник: iXBT
