Neuer theoretischer Rahmen setzt Grenzen für die Realisierung von Quantenprozessen in der Raumzeit

Der Satz von Bell, der bekannte theoretische Rahmen, den John Bell vor Jahrzehnten eingeführt hat, beschreibt die Grenzen klassischer physikalischer Prozesse, die sich aus relativistischen Kausalitätsprinzipien ergeben. Hierbei handelt es sich um Prinzipien, die in Einsteins Relativitätstheorie verankert sind und bestimmen, wie Ursache und Wirkung im Universum funktionieren.

Forscher des Inria, der Université Grenoble Alpes und der ETH Zürich haben kürzlich untersucht, ob ähnliche Grenzwerte auch für Quantenprozesse gelten. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung (PRL) führt neue Theoreme ein, die grundlegende Grenzen skizzieren, die die Durchführung von Quantenexperimenten in klassischen Hintergrundraumzeiten einschränken könnten.

„Kausalität ist von zentraler Bedeutung dafür, wie wir die Welt verstehen, aber sie nimmt innerhalb zweier unserer wichtigsten physikalischen Theorien unterschiedliche Formen an: Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie“, sagte V. Vilasini, Mitautor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

„In der Quantentheorie betrifft die Kausalität den Informationsfluss zwischen Systemen und Vorgängen, während sie in der Allgemeinen Relativitätstheorie an die Struktur der Raumzeit selbst gebunden ist. Überraschenderweise erlaubt die Quantentheorie Prozesse mit.“ „unbestimmte Kausalordnung“ (ICO) wo die Abfolge von Ereignissen in einer Überlagerung existieren kann.“

Um zu verstehen, ob ICO-Prozesse, Quantenprozesse, bei denen kein kausaler Zusammenhang zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen besteht, physikalisch auftreten können, müssen Forscher diese Prozesse zunächst mit dem etablierten relativistischen Begriff der Kausalität in der Raumzeit in Verbindung bringen. Dies war die Hauptmotivation hinter der jüngsten Arbeit von Vilasini und ihrem Kollegen Renato Renner.

„Wir haben einen theoretischen Rahmen entwickelt, der die beiden Konzepte der Kausalität auf klare und konsistente Weise verknüpft und dabei darauf abzielt, minimale physikalische Annahmen zu verwenden“, sagte Vilasini. „Dadurch konnten wir allgemeine No-Go-Theoreme für jedes in der klassischen Raumzeit durchgeführte Quantenexperiment ableiten.

„Interessanterweise wurden bereits mehrere anspruchsvolle Experimente durchgeführt, die auf einen ICO-Prozess schließen lassen, der „Quantenschalter“ in der Minkowski-Raumzeit. Die physikalische Interpretation dieser Experimente ist Gegenstand langjähriger Diskussionen.

„Unsere Rahmen- und No-Go-Ergebnisse gelten auch für diese Experimente und ergeben eine neue, feinkörnigere Perspektive auf ihre Interpretation und darauf, wie Quanten- und relativistische Kausalität in diesen Experimenten in Einklang gebracht werden können.“

Zusammen mit ihrem jüngsten Artikel in PRLVilasini und Renner veröffentlicht ein längeres Manuskript in Körperliche Untersuchung A. In diesem längeren Artikel beschreiben sie ihren Formalismus ausführlicher, einschließlich zusätzlicher Ergebnisse, die sie gesammelt haben.

„Unser PRL Das Papier stellt zwei No-Go-Theoreme vor, die grundlegende Grenzen von Raumzeitkonfigurationen und mögliche kausale Erklärungen für Quantenexperimente in klassischen Raumzeiten skizzieren, die relativistische Kausalität respektieren (was keine überlichtschnelle Signalübertragung impliziert)“, erklärte Vilasini.

Das erste von den Forschern vorgestellte Theorem zeigt im Wesentlichen, dass jedes Experiment, das darauf abzielt, ICO-Prozesse in der klassischen Raumzeit erfolgreich zu realisieren, erfordern würde, dass Input- und Output-Agentensysteme nicht lokalisiert oder in der Raumzeit „ausgebreitet“ sind.

Ihr zweiter Satz hingegen zeigt theoretisch, dass selbst wenn ein ICO-Prozess unter den im ersten Satz dargelegten Bedingungen realisiert wird, ein „Hinzoomen“ auf einer feineren Ebene eine wohldefinierte und azyklische kausale Ordnung offenbaren würde.

„Um eine Analogie zu geben: Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Nachfrage und Preis einer Ware einander in einer Schleife zu beeinflussen scheinen“, sagte Vilasini. „Bei näherer Betrachtung würden wir erkennen, dass die Nachfrage zu einem Zeitpunkt den Preis zu einem späteren Zeitpunkt beeinflusst, was sich dann zu einem noch späteren Zeitpunkt auf die Nachfrage auswirkt und so weiter.

„In ähnlicher Weise könnte in Quantenexperimenten in klassischen Raumzeiten ICO zwar auf einer ‚groben‘ Ebene auftreten, eine genauere Untersuchung würde jedoch einen Quantenprozess mit einer bestimmten informationstheoretischen Kausalordnung offenbaren, der in die Raumzeitkausalität passt.“

Typischerweise baut die experimentelle Physikforschung auf zuvor eingeführten Theorien auf und zielt darauf ab, deren Vorhersagen zu überprüfen. Im Gegensatz dazu wurden die oben genannten Quantenschalterexperimente bereits vor Jahren durchgeführt und haben die Suche nach besseren theoretischen Rahmenbedingungen vorangetrieben, um sie vollständig zu interpretieren und zu verstehen.

„Trotz unserer No-Go-Ergebnisse bleiben die bereits durchgeführten ICO-Experimente faszinierend“, sagte Vilasini. „Auch wenn diese Experimente zu einer eindeutigen kausalen Reihenfolge führen können, besteht die Hoffnung, dass sie eine bestimmte Quantenressource beinhalten, die in klassischen Szenarien, in denen sowohl räumliche als auch zeitliche Freiheitsgrade eine Rolle spielen, nicht vorhanden ist.“

Die jüngsten Arbeiten dieses Forscherteams schlagen einen einheitlichen Rahmen vor, der verwendet werden könnte, um verschiedene Vorstellungen von Kausalität zwischen Quanten- und relativistischen Theorien in Beziehung zu setzen und möglicherweise eine Versöhnung zwischen diesen unterschiedlichen physikalischen Theorien zu ermöglichen.

Vilasini und Renner hoffen, dass ihr theoretischer Rahmen neue kausalitätsorientierte interdisziplinäre Kooperationen zwischen Physikern fördern wird, die auf das Studium der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie spezialisiert sind.

„Die in unserer Arbeit eingeführte Idee feinkörniger Kausalstrukturen ist vielseitig – sie kann unabhängig davon angewendet werden, ob es eine klassische Hintergrundraumzeit gibt oder nicht – dies könnte neue Techniken für die Erforschung der physikalischen Realisierung von Quantenprozessen in exotischeren Szenarien bieten, wie z wenn Quantenuhren oder -stäbe beteiligt sind, oder in Quantengravitationsregimen, in denen die Raumzeitgeometrie einer Quantenunsicherheit unterliegt“, sagte Vilasini.

In ihren nächsten Studien planen Vilasini und ihre Mitarbeiter, ihr Rahmenwerk weiter auszubauen. Zunächst wollen sie die offene Frage klären, welche Klassen von ICO-Prozessen physikalisch in der Raumzeit realisiert werden können.

„In einem Folgeprojekt mit Matthias Salzger (jetzt am Internationalen Zentrum für Theorie der Quantentechnologien in Danzig angesiedelt) haben wir unser Rahmenwerk erweitert, um eine Charakterisierung dieser Prozesse bereitzustellen, was darauf hindeutet, dass kontraintuitivere ICO-Prozesse, wie etwa solche, die kausale Ungleichheiten verletzen, nicht zuverlässig realisiert werden können klassische Raumzeiten“, sagte Vilasini.

„In unseren nächsten Studien wäre es interessant zu untersuchen, ob unsere No-Go-Theoreme in diesen neuen (möglicherweise Quantengravitations-)Regimen immer noch gelten, und festzustellen, ob dort eine breitere Klasse von ICO-Prozessen realisiert werden kann. Gibt es das zum Beispiel? eine Möglichkeit, die Nichtklassizität der Raumzeitgeometrie operativ zu bestätigen, ähnlich wie Verletzungen von Bell-Ungleichungen die Nichtklassizität von Korrelationen bestätigen?

„Noch grundlegender: Gibt es eine Möglichkeit zu verstehen, wie die Raumzeit oder bekannte Aspekte davon aus grundlegenden Eigenschaften quanteninformationstheoretischer Kausalstrukturen entstehen können?“

In Zukunft plant Vilasini außerdem, mit Renner die möglichen Anwendungen ihres Frameworks zu untersuchen, um die Informationsverarbeitung innerhalb einer festen Raumzeit zu realisieren. Mit anderen Worten: Sie möchte herausfinden, ob die „Quantenkraft“ bei der Lokalisierung von Systemen genutzt werden könnte, um Quantenkommunikation, Berechnung und Kryptographie zu realisieren oder zu verbessern.

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