Ulusal Bilgi Bilimi ve Otomasyon Enstitüsü (Inria), Grenoble Alpes Üniversitesi (Université Grenoble Alpes) ve ETH Zürih’ten araştırmacılar, kuantum nedenselliğini anlamak için yeni bir teorik çerçeve geliştirdiler. Physical Review Letters’da yayınlanan çalışmaları, klasik arka plan uzay-zamanlarında kuantum deneylerinin uygulanmasını sınırlayabilecek temel kısıtlamaları tanımlayan yeni teoremler sunuyor.
Nedensellik dünyayı nasıl anladığımızda merkezi bir rol oynar, ancak iki temel fiziksel teorimizde farklı biçimler alır: kuantum teorisi ve genel görelilik. Kuantum teorisinde nedensellik, bilginin sistemler ve işlemler arasında nasıl aktarıldığıyla ilgilenirken genel görelilik, uzay-zamanın yapısıyla ilgilidir. Şaşırtıcı bir şekilde kuantum teorisi, bir dizi olayın süperpozisyon halinde var olabildiği “belirsiz nedensel sıra” (ICO) süreçlerine izin verir.
makalenin ortak yazarı V. Vilasini
Ardışık olaylar arasında neden-sonuç ilişkisi olmayan kuantum süreçleri olan ICO süreçlerinin fiziksel olarak gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini anlamak için araştırmacıların öncelikle bu süreçleri uzay-zamandaki köklü görecelik nedensellik kavramıyla ilişkilendirmeleri gerekir. Bu, Vilasini ve meslektaşı Renato Renner tarafından yakın zamanda yayınlanan bir makalenin ana motivasyonuydu.
Minimum fiziksel varsayımları kullanmayı hedefleyerek, iki nedensellik kavramını açık ve tutarlı bir şekilde ilişkilendiren teorik bir çerçeve geliştirdik. Bu, klasik uzay-zamanda gerçekleştirilen herhangi bir kuantum deneyi için genel kabul edilemezlik teoremleri türetmemize olanak sağladı.
Vilasini
Minkowski uzay-zamanında bir “kuantum anahtarı” olan bir ICO sürecini içeren çeşitli karmaşık deneyler daha önce gerçekleştirilmişti. Bu deneylerin fiziksel yorumu uzun süredir devam eden tartışmaların konusu olmuştur. Bu çalışmanın yapısı ve sonuçları, her ne kadar olumsuz olsa da, önceki deneylere uygulanmakta ve bunların yorumlanmasına ve bu deneylerde kuantum ve göreli nedenselliğin nasıl uzlaştırılabileceğine dair yeni ve ayrıntılı bir bakış açısı sağlamaktadır.
Yazarlar, uzay-zaman konfigürasyonları üzerindeki temel kısıtlamaları ve klasik uzay-zamandaki kuantum deneyleri için göreceli nedenselliği hesaba katan (ışıktan hızlı sinyallemenin yokluğunu ima eden) olası nedensel açıklamaları tanımlayan iki teorem sundular.
İlk teorem, ICO süreçlerinin klasik uzay-zamanda başarılı bir şekilde uygulanmasını amaçlayan herhangi bir deneyin, girdi ve çıktı etmen sistemlerinin uzay-zamanda lokalize olmamasını veya “yayılmış” olmasını gerektireceğini göstermektedir.
İkinci teorem teorik olarak, ICO süreci birinci teoremde açıklanan koşullar altında uygulansa bile, daha incelikli bir düzeydeki “güçlendirmenin” iyi tanımlanmış ve döngüsel olmayan bir neden-sonuç düzenini ortaya çıkaracağını teorik olarak göstermektedir.
Klasik uzay-zamandaki kuantum deneylerinde ICO kendisini “kaba” bir düzeyde ortaya koyabiliyor ancak daha detaylı bir çalışma, uzay-zamanın nedenselliğine uyan, belirli bir bilgi-teorik nedensel düzene sahip bir kuantum sürecini ortaya koyuyor.
Tipik olarak deneysel fiziksel çalışmalar daha önce sunulan teorilere dayanır ve tahminlerini test etmeyi amaçlar. Buna karşılık, yukarıda bahsedilen kuantum anahtar deneyleri zaten yıllar önce yapılmıştı ve bunları tam olarak yorumlayıp anlamak için daha iyi teorik çerçeveler arayışını körükledi.
Bu araştırmacı grubunun son çalışmaları, kuantum ve görelilik teorilerindeki farklı nedensellik kavramlarını birbirine bağlamak için kullanılabilecek ve potansiyel olarak bu farklı fiziksel teorilerin “uzlaşılmasına” olanak tanıyan birleşik bir çerçeve önermektedir.
Vilasini ve Renner, teorik çerçevelerinin, kuantum mekaniği ve genel görelilik çalışmalarında uzmanlaşmış fizikçiler arasında yeni, neden-sonuç odaklı disiplinler arası işbirliklerini teşvik edeceğini umuyorlar.
Vilasini ve meslektaşları sonraki çalışmalarında yapıları üzerinde çalışmaya devam etmeyi planlıyor. Özellikle, uzay-zamanda fiziksel olarak hangi ICO süreçleri sınıflarının uygulanabileceği konusundaki açık soruyu ele almayı umuyorlar.