Ein neuer theoretischer Rahmen legt die Grenzen für die Realisierung von Quantenprozessen in der Raumzeit fest

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

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

„Kausalität ist das Herzstück unseres Verständnisses der Welt, aber sie nimmt in zwei unserer wichtigsten physikalischen Theorien unterschiedliche Formen an: Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie“, sagte V. Vilasini, Co-Autor des Artikels bei Phys. org.

„In der Quantentheorie betrifft die Kausalität den Informationsfluss zwischen Systemen und Vorgängen, während sie sich in der Allgemeinen Relativitätstheorie auf die Struktur der Raumzeit selbst bezieht. Überraschenderweise erlaubt die Quantentheorie Prozesse mit „unbestimmter Kausalordnung“ (ICO), bei denen die Abfolge von Ereignisse können in einer Überlagerung existieren.

Um zu verstehen, ob ICO-Prozesse, Quantenprozesse, bei denen es keinen kausalen Zusammenhang zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen gibt, physikalisch auftreten können, müssen Forscher diese Prozesse zunächst mit der etablierten relativistischen Vorstellung von Kausalität in der Raumzeit in Verbindung bringen. Dies ist die Hauptmotivation hinter der jüngsten Arbeit von Vilasini und seinem Kollegen Renato Renner.

„Wir haben einen theoretischen Rahmen entwickelt, der die beiden Konzepte der Kausalität auf klare und kohärente Weise miteinander verbindet, mit dem Ziel, minimale physikalische Annahmen zu verwenden“, sagte Vilasini. „Dadurch konnten wir allgemeine Theoreme ableiten, die für jedes in der klassischen Raumzeit durchgeführte Quantenexperiment verboten sind.

„Interessanterweise wurden bereits mehrere anspruchsvolle Experimente durchgeführt, die auf einen ICO-Prozess, den ‚Quantenwechsel‘ in der Minkowski-Raumzeit, hinweisen. Die physikalische Interpretation dieser Experimente ist seit langem Gegenstand der Diskussion.“

„Unser verbotener Rahmen und unsere Ergebnisse gelten auch für diese Experimente und bieten eine neue, differenziertere Perspektive auf ihre Interpretation und wie Quanten- und relativistische Kausalität in diesen Experimenten in Einklang gebracht werden können.“

Mit ihrem jüngsten Artikel in PRLVilasini und Renner veröffentlichten ein längeres Manuskript in Körperliche Untersuchung A. In diesem längeren Artikel beschreiben sie ihren Formalismus ausführlicher, einschließlich zusätzlicher gesammelter Ergebnisse.

“UNSER PRL „Der Artikel präsentiert zwei verbotene Theoreme, die die grundlegenden Grenzen von Raum-Zeit-Konfigurationen und mögliche kausale Erklärungen von Quantenexperimenten in der klassischen Raumzeit beschreiben, die die relativistische Kausalität respektieren (keine Signalübertragung schneller als Licht)“, erklärte Vilasini.

Das erste von den Forschern vorgestellte Theorem zeigt im Wesentlichen, dass jedes Experiment zur erfolgreichen Durchführung von ICO-Prozessen in der klassischen Raumzeit erfordern würde, dass die Input- und Output-Agentensysteme nicht lokalisiert oder über die Raumzeit „verteilt“ sind.

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

„Um eine Analogie zu ziehen: Stellen Sie sich eine Situation vor, in der sich Nachfrage und Preis eines Produkts in einer Schleife gegenseitig 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 auf die Nachfrage zu einem noch späteren Zeitpunkt auswirkt und so weiter.“

„In ähnlicher Weise könnte in Quantenexperimenten in der klassischen Raumzeit ICO zwar auf einer ‚groben‘ Ebene auftreten, eine genauere Untersuchung würde jedoch einen Quantenprozess mit präziser informationstheoretischer Kausalordnung offenbaren, der Teil der Kausalität der Raumzeit ist.“

Typischerweise baut die Forschung in der Experimentalphysik auf zuvor eingeführten Theorien auf und zielt darauf ab, deren Vorhersagen zu testen. Im Gegensatz dazu wurden die oben genannten Quantenschaltexperimente bereits vor Jahren durchgeführt und befeuerten die Suche nach besseren theoretischen Rahmenbedingungen, um sie vollständig zu interpretieren und zu verstehen.

„Trotz unserer erfolglosen Ergebnisse bleiben die bereits durchgeführten ICO-Experimente faszinierend“, sagte Vilasini. „Auch wenn diese Experimente möglicherweise in einer definierten kausalen Reihenfolge ablaufen, 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.“

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

Vilasini und Renner hoffen, dass ihr theoretischer Rahmen neue kausal fokussierte interdisziplinäre Kooperationen zwischen Physikern fördern wird, die sich auf das Studium der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie spezialisiert haben.

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

In ihren nächsten Studien planen Vilasini und Kollegen, ihr Framework weiterzuentwickeln. Zunächst wollen sie die offene Frage beantworten, welche Klassen von ICO-Prozessen physikalisch in der Raumzeit realisiert werden können.

„In einem Folgeprojekt mit Matthias Salzger (jetzt ansässig am Internationalen Zentrum für Theorie der Quantentechnologien, Danzig) haben wir unser Framework erweitert, um eine Charakterisierung dieser Prozesse bereitzustellen, und schlagen vor, dass kontraintuitivere ICO-Prozesse, wie z „Kausale Ungleichheiten verletzen, können in klassischen Raumzeiten nicht getreu realisiert werden“, sagte Vilasini.

„In unseren nächsten Studien wäre es interessant zu bestimmen, ob unsere verbotenen Theoreme in diesen neuen (möglicherweise Quantengravitations-)Regimen noch gültig sind und ob dort eine breitere Klasse von ICO-Prozessen realisiert werden kann. Beispielsweise gibt es- Gibt es eine Möglichkeit, die Nichtklassizität der Raum-Zeit-Geometrie operativ zu bestätigen, so wie Verletzungen der Bellschen Ungleichungen die Nichtklassizität von Korrelationen bestätigen?

„Noch grundlegender: Gibt es eine Möglichkeit zu verstehen, wie die Raumzeit oder ihre vertrauten Aspekte aus den grundlegenden Eigenschaften der kausalen Strukturen der Quanteninformationstheorie hervorgehen können?“

In Zukunft plant Vilasini auch, mit Renner mögliche Anwendungen seines Frameworks zu untersuchen, um eine Informationsverarbeitung in einer festen Raum-Zeit zu erreichen. Mit anderen Worten möchte sie feststellen, ob die „Quantennatur“ der Systemlokalisierung genutzt werden könnte, um Quantenkommunikation, Quantencomputer und Kryptographie zu erreichen oder zu verbessern.

© 2024 Science X Network