Kwantowe „przed” i „po”: nie da się stwierdzić, co było pierwsze

W klasycznym rozumieniu świata czas i przyczynowość mają sztywną strukturę. Jeśli zdarzenie A wpływa na zdarzenie B, to A musi nastąpić przed B. Jednak mechanika kwantowa, która już dawno podważyła nasze intuicje dotyczące lokalności i realizmu, rzuca teraz wyzwanie samej strukturze następstwa zdarzeń. Najnowsze badania przybliżają nas do potwierdzenia istnienia tzw. nieokreślonego porządku przyczynowego.

Superpozycja cząstek to fundamentalna zasada mechaniki kwantowej, według której cząstka, np. elektron lub foton, jako fala (dualizm korpuskularno-falowy) może znajdować się jednocześnie w wielu różnych miejscach, zanim zostanie zmierzona. W stanie superpozycji nie ma określonego położenia, lecz istnieje jako kombinacja wszystkich możliwych wyników pomiaru.

Wyobraź sobie foton przechodzący przez dwa elementy optyczne, A i B, które modyfikują jego stan, na przykład poprzez obrót jego polaryzacji. Zwykle foton napotyka A przed B lub B przed A. Jeśli jednak ścieżka fotonu zostanie umieszczona w superpozycji kwantowej: tak, że wzdłuż jednej ścieżki przechodzi przez A, potem B, a wzdłuż drugiej przez B, a następnie A. W takim przypadku nie da się powiedzieć, co było pierwsze. Kolejność zdarzeń istnieje w superpozycji kwantowej.

Czym jest kwantowy przełącznik?

Kluczowym elementem eksperymentu jest tzw. kwantowy przełącznik (quantum switch). W tradycyjnym układzie dwie operacje, nazwijmy je A i B, mogą być wykonane tylko w jednej z dwóch kolejności: najpierw A, potem B lub najpierw B, potem A. Kwantowy przełącznik pozwala jednak na umieszczenie samej kolejności tych operacji w stanie superpozycji.

Oznacza to, że układ znajduje się w stanie, w którym operacja A dzieje się jednocześnie przed i po operacji B. Choć brzmi to jak paradoks czasowy, jest to matematycznie dopuszczalne i fizycznie realizowalne przy użyciu fotonów, gdzie stopień swobody (np. polaryzacja) pełni rolę kontrolera decydującego o ścieżce, jaką podąża cząstka przez bramki logiczne.

Przełom: weryfikacja niezależna od urządzeń

Dotychczasowe dowody na istnienie ICO opierały się na założeniu, że urządzenia pomiarowe działają dokładnie tak, jak przewiduje teoria kwantowa. Jest to tzw. weryfikacja zależna od modelu. Krytycy mogliby jednak argumentować, że „nieokreślona przyczynowość” to jedynie błąd w kalibracji przyrządów lub efekt nieznanych szumów.

Zespół naukowców z Uniwersytetu Wiedeńskiego, pod kierownictwem Philipa Walthera, podjął próbę weryfikacji typu device-independent (DI). Metoda ta, zainspirowana słynnymi nierównościami Bella, pozwala na wyciągnięcie wniosków dotyczących natury fizycznej układu wyłącznie na podstawie danych wejściowych i wyjściowych (statystyki korelacji), bez konieczności zaglądania „do środka” czarnej skrzynki urządzenia.

Nierówność VBC i wyniki eksperymentu

W omawianym badaniu wykorzystano nową teoretyczną konstrukcję – nierówność van der Lugta-Barretta-Chiribelli (VBC). Jest to matematyczny filtr, który określa górną granicę korelacji dla dowolnego procesu o ustalonym porządku przyczynowym.

• Granica dla ustalonego porządku: 1,75
• Wynik uzyskany przez zespół: 1,8328 ± 0,0045

Przekroczenie bariery 1,75 o osiemnaście odchyleń standardowych stanowi silny dowód, że mierzony system nie posiada określonej struktury przyczynowej. Aby osiągnąć ten wynik, badacze musieli splątać stan kontrolny przełącznika z dodatkowym fotonem (ancilla), co pozwoliło na wykonanie testów statystycznych niemożliwych w prostszych układach.

Luki w eksperymencie i przyszłość badań

Mimo spektakularnego wyniku, autorzy artykułu w PRX Quantum zaznaczają, że eksperyment nie jest jeszcze całkowicie wolny od „luk”. Najważniejszą z nich jest tzw. luka detekcji – nie wszystkie fotony biorące udział w procesie są rejestrowane, co teoretycznie pozostawia margines dla klasycznych interpretacji.

Niemniej jednak, praca ta jest kamieniem milowym. Potwierdzenie, że porządek przyczynowy może być zasobem kwantowym (podobnie jak splątanie), otwiera drzwi do:

• Wydajniejszej komunikacji: protokół ICO pozwala na przesyłanie informacji przez kanały, które w normalnych warunkach byłyby zbyt zaszumione.
• Kwantowego uczenia maszynowego: nowe algorytmy mogą wykorzystywać superpozycję kierunków obliczeń.
• Głębszego zrozumienia grawitacji kwantowej: fizycy podejrzewają, że na poziomie fundamentalnym, gdzie czas i przestrzeń ulegają fluktuacjom, brak określonej przyczynowości może być normą, a nie wyjątkiem.

Płynny porządek przyczynowo-skutkowy

Eksperyment dowodzi, że granice między przyczyną a skutkiem w świecie kwantowym są znacznie bardziej płynne, niż sądziliśmy. Poprzez zastosowanie rygorystycznych testów niezależnych od urządzeń, fizyka zbliża się do momentu, w którym będziemy mogli traktować czasowy porządek zdarzeń nie jako stałe tło wszechświata, ale jako zmienną, którą można kontrolować i wykorzystywać w technologiach przyszłości.

Źródło: https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/5t2y-ddmt; https://physics.aps.org/articles/v19/38