Belova teorema, dobro poznati teorijski okvir koji je pre nekoliko decenija uveo Džon Bel, ocrtava granice klasičnih fizičkih procesa koji proizilaze iz relativističkih principa kauzalnosti. Ovo su principi ukorenjeni u Ajnštajnovoj teoriji relativnosti, koji diktiraju kako uzrok i posledica deluju u univerzumu.
Istraživači sa Inria, Universite Grenoble Alpes i ETH Cirih nedavno su krenuli da istraže da li se slične vrste ograničenja primenjuju i na kvantne procese. Njihov rad, objavljen u Phisical Reviev Letters (PRL), uvodi nove teoreme koje ocrtavaju fundamentalna ograničenja koja bi mogla ograničiti realizaciju kvantnih eksperimenata u klasičnim pozadinskim prostor-vremenima.
„Uzročnost je centralna za način na koji shvatamo svet, ali ona poprima različite oblike u okviru dve naše ključne fizičke teorije: kvantne teorije i opšte relativnosti“, rekao je V. Vilasini, koautor rada, za Phis.org.
„U kvantnoj teoriji, kauzalnost se odnosi na to kako informacija teče između sistema i operacija, dok je u opštoj relativnosti vezan za strukturu samog prostor-vremena. Iznenađujuće, kvantna teorija dozvoljava procese sa ‘neograničenim kauzalnim poretkom’ (ICO) gde niz događaja može postoje u superpoziciji.“
Da bi razumeli da li se ICO procesi, kvantni procesi u kojima ne postoji uzročna veza između uzastopnih događaja, fizički mogu pojaviti, istraživači prvo treba da povežu ove procese sa dobro uspostavljenim relativističkim pojmom uzročnosti u prostor-vremenu. Ovo je bila primarna motivacija iza nedavnog rada Vilasini i njenog kolege Renata Rennera.
„Razvili smo teorijski okvir koji povezuje dva koncepta kauzalnosti na jasan i dosledan način, sa ciljem da koristimo minimalne fizičke pretpostavke“, rekao je Vilasini. „Ovo nam je omogućilo da izvučemo opšte teoreme zabrane kretanja za bilo koji kvantni eksperiment izveden u klasičnom prostor-vremenu.
„Interesantno je da je već izvedeno nekoliko sofisticiranih eksperimenata koji sugerišu ICO proces, ‘kvantni prekidač’ u prostor-vremenu Minkovskog. Fizička interpretacija ovih eksperimenata bila je predmet dugogodišnjih diskusija.
„Naš okvir i rezultati koji se ne smeju primenjivati i na ove eksperimente, i daju novu fino zrnatu perspektivu na njihovu interpretaciju i kako se kvantna i relativistička kauzalnost mogu pomiriti u ovim eksperimentima.
Zajedno sa svojim nedavnim radom u PRL, Vilasini i Renner su objavili duži rukopis u Phisical Reviev A. U ovom dužem radu oni detaljnije ocrtavaju svoj formalizam, uključujući i dodatne rezultate koje su prikupili.
„Naš PRL rad uvodi dve teoreme zabrane kretanja koje ocrtavaju fundamentalna ograničenja prostorno-vremenskih konfiguracija i moguća uzročna objašnjenja za kvantne eksperimente u klasičnim prostor-vremenima, koji poštuju relativističku kauzalnost (što podrazumeva da nema signalizacije brže od svetlosti)“, objasnio je Vilasini.
Prva teorema koju su predstavili istraživači u suštini pokazuje da bi svaki eksperiment sa ciljem uspešnog realizacije ICO procesa u klasičnom prostor-vremenu zahtevao da sistemi ulaznih i izlaznih agenata budu nelokalizovani ili „rasprostranjeni“ u prostor-vremenu.
Njihova druga teorema, s druge strane, teoretski pokazuje da čak i ako se ICO proces realizuje pod uslovima navedenim u prvoj teoremi, „zumiranje“ na finijem nivou bi otkrilo dobro definisan i aciklični kauzalni poredak.
„Da damo analogiju: zamislite situaciju u kojoj se čini da potražnja i cena robe utiču jedna na drugu u petlji“, rekao je Vilasini. „Pažljivijim pregledom shvatili bismo da potražnja u jednom trenutku utiče na cenu kasnije, što onda utiče na potražnju u još kasnijem vremenu i tako dalje.
„Slično, u kvantnim eksperimentima u klasičnim prostor-vremenima, dok se ICO može pojaviti na ‘grubom’ nivou, bliže ispitivanje bi otkrilo kvantni proces sa određenim informacijsko-teorijskim kauzalnim redom koji se uklapa u prostorno-vremensku uzročnost.“
Tipično, istraživanja eksperimentalne fizike se zasnivaju na prethodno uvedenim teorijama i imaju za cilj testiranje njihovih predviđanja. Nasuprot tome, gore pomenuti eksperimenti s kvantnim prekidačem su već izvedeni pre mnogo godina i podstakli su potragu za boljim teorijskim okvirima za njihovo potpuno tumačenje i razumevanje.
„Uprkos našim ne-go rezultatima, ICO eksperimenti koji su već izvedeni ostaju fascinantni“, rekao je Vilasini. „Iako se ovi eksperimenti mogu rasplesti u određeni uzročni poredak, postoji nada da oni uključuju poseban kvantni resurs koji nije prisutan u klasičnim scenarijima, gde i prostorni i vremenski stepeni slobode igraju ulogu.“
Nedavni radovi ovog tima istraživača predlažu jedinstveni okvir koji bi se mogao koristiti za povezivanje različitih pojmova kauzalnosti u kvantnim i relativističkim teorijama, potencijalno omogućavajući pomirenje između ovih različitih fizičkih teorija.
Vilasini i Renner se nadaju da će njihov teorijski okvir podstaći novu interdisciplinarnu saradnju usredsređenu na uzročnost između fizičara specijalizovanih za proučavanje kvantne mehanike i opšte relativnosti.
„Ideja fino zrnastih kauzalnih struktura uvedena u naš rad je raznovrsna – može se primeniti bez obzira da li postoji klasični pozadinski prostor-vreme – ovo bi moglo ponuditi nove tehnike za istraživanje fizičke realizacije kvantnih procesa u egzotičnijim scenarijima, kao što je kada su uključeni kvantni satovi ili štapovi, ili u kvantnim gravitacionim režimima gde je geometrija prostora i vremena podložna kvantnoj nesigurnosti“, rekao je Vilasini.
U svojim sledećim studijama, Vilasini i njeni saradnici planiraju da nastave da grade svoj okvir. Prvo, oni se nadaju da će se pozabaviti otvorenim pitanjem koje klase ICO procesa mogu biti fizički realizovane u prostor-vremenu.
„U nastavku projekta sa Matijasom Salcgerom (sada sa sedištem u Međunarodnom centru za teoriju kvantnih tehnologija, Gdanjsk), proširili smo naš okvir kako bismo pružili karakterizaciju ovih procesa, sugerišući da više kontraintuitivnih ICO procesa, kao što je npr. one koje krše uzročne nejednakosti, ne mogu se verno realizovati u klasičnim prostor-vremenima“, rekao je Vilasini.
„U našim sledećim studijama, bilo bi intrigantno istražiti da li naše teoreme zabrane i dalje postoje u ovim novim (verovatno kvantnim gravitacionim) režimima i utvrditi da li se tamo može realizovati šira klasa ICO procesa. Na primer, da li postoji način da se operativno sertifikuje neklasičnost geometrije prostor-vreme, slično onome kako kršenja Belovih nejednakosti potvrđuju neklasičnost u korelacijama?
„Još fundamentalnije, postoji li način da se razume kako prostor-vreme ili poznati aspekti mogu proizaći iz osnovnih svojstava kvantnih informaciono-teoretskih kauzalnih struktura?“
U budućnosti, Vilasini takođe planira da istraži moguće primene svog okvira sa Rennerom, za realizaciju obrade informacija unutar fiksnog prostor-vremena. Drugim rečima, ona bi želela da utvrdi da li se „kvantnost“ u lokalizaciji sistema može iskoristiti za realizaciju ili poboljšanje kvantne komunikacije, računarstva i kriptografije.
