Исследователи из Национального института информатики и автоматики (Inria), Гренобльского университета Альп (Université Grenoble Alpes) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали новую теоретическую основу для понимания квантовой причинности. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, представляет новые теоремы, которые описывают фундаментальные ограничения, которые могут ограничить реализацию квантовых экспериментов в классических фоновых пространствах-временах.

Причинность играет центральную роль в том, как мы понимаем мир, но она принимает разные формы в двух наших ключевых физических теориях: квантовой теории и общей теории относительности. В квантовой теории причинность касается того, как информация передаётся между системами и операциями, тогда как в общей теории относительности она связана со структурой самого пространства-времени. Удивительно, но квантовая теория допускает процессы с «неопределённым причинным порядком» (ICO), где последовательность событий может существовать в суперпозиции.

соавтор статьи В. Виласини

Чтобы понять, могут ли физически происходить процессы ICO, квантовые процессы, в которых не существует причинно-следственной связи между последовательными событиями, исследователям сначала необходимо связать эти процессы с устоявшимся релятивистским понятием причинности в пространстве-времени. Это было основной мотивацией недавней статьи Виласини и её коллеги Ренато Реннера.

Мы разработали теоретическую основу, которая связывает две концепции причинности ясным и последовательным образом, стремясь использовать минимальные физические предположения. Это позволило нам вывести общие теоремы о недопустимости для любого квантового эксперимента, проводимого в классическом пространстве-времени.

Виласини

Прежде уже было проведено несколько сложных экспериментов, которые предполагают процесс ICO, «квантовый переключатель» в пространстве-времени Минковского. Физическая интерпретация этих экспериментов была предметом давних дискуссий. Структура и результаты этой работы, отрицательные для всех, применимы и к предыдущим экспериментам, и дают новую детальную перспективу их интерпретации, а также того, как квантовая и релятивистская причинность могут быть согласованы в этих экспериментах.

Авторы представили две теоремы, которые описывают фундаментальные ограничения конфигураций пространства-времени и возможные причинные объяснения квантовых экспериментов в классическом пространстве-времени, которые учитывают релятивистскую причинность (подразумевающую отсутствие передачи сигналов быстрее скорости света.

Первая теорема показывает, что любой эксперимент, направленный на успешную реализацию процессов ICO в классическом пространстве-времени, потребует, чтобы входные и выходные агентные системы были нелокализованными или «размазанными» в пространстве-времени.

Вторая теорема теоретически демонстрирует, что даже если процесс ICO реализуется в условиях, описанных в первой теореме, то «увеличение» на более тонком уровне раскроет чётко определённый и ациклический причинно-следственный порядок.

В квантовых экспериментах в классическом пространство-времени ICO может проявляться на «грубом» уровне, но более детальное изучение выявляет квантовый процесс с определённым информационно-теоретическим причинным порядком, который вписывается в причинность пространства-времени.

Обычно экспериментальные физические исследования строятся на ранее представленных теориях и направлены на проверку их предсказаний. Напротив, вышеупомянутые эксперименты с квантовым переключателем уже были проведены много лет назад и подстегнули поиск лучших теоретических рамок для их полной интерпретации и понимания.

В недавних работах этой группы исследователей предлагается единая структура, которую можно использовать для связывания различных понятий причинности в квантовых и релятивистских теориях, что потенциально позволяет «примирить» эти различные физические теории.

Виласини и Реннер надеются, что их теоретическая основа будет способствовать новому междисциплинарному сотрудничеству, ориентированному на причинно-следственные связи, между физиками, специализирующимися на изучении квантовой механики и общей теории относительности .

В своих следующих исследованиях Виласини и её коллеги планируют продолжить работу над своей структурой. В частности, они надеются заняться открытым вопросом о том, какие классы процессов ICO могут быть физически реализованы в пространстве-времени.