Квантовая система обладает преимуществами по сравнению с классической

Принятие лекарства и последующее улучшение самочувствия означает, что препарат помог?

Действительно ли снижение налогов простимулировало экономику или она оправилась самостоятельно?

Проблема получения ответов на подобные вопросы — выведения причинных отношений от корреляций — простирается на научную область и вне ее.

Обычно корреляция сама по себе не подразумевает причинность. Однако новое исследование, проведенное в Институте квантовых вычислений, показало, что в случае с квантовыми переменными иногда бывает именно так.

Новая работа опубликована в издании Nature Physics.

В качестве практической иллюстрации различий между корреляцией и причинностью рассмотрим испытание препарата: некоторые люди принимают препарат, и некоторые из них поправляются. Медики обнаруживают, что среди принимавших препарат людей 60% восстановились; среди тех, кто не принимал, восстановились лишь 40%. К какому выводу могут прийти медики?

На первый взгляд может показаться, что это препарат вызвал восстановление, однако медикам потребуется больше информации для составления заключения. Может случиться так, что лекарство захотели принимать больше мужчин, чем женщин, и больше мужчин выздоровели спонтанно В этом случае корреляцию может объяснить распространенная причина — пол участника испытания.

Воображаемое испытание препарата показало, насколько сложно отличить корреляции с причиной и следствием от корреляций, возникающих по распространенным причинам. Вот почему предостережение «корреляция не подразумевает причинную обусловленность» сверлит голову каждого исследователя, для которого статистика имеет хотя бы мимолетное значение.

За прошлое столетие ученые, математики и философы разработали мощный набор инструментов для того, чтобы распутать сеть причины, следствия и корреляции даже в наиболее сложной развивающейся системе. Случай систем только с двумя переменными, как с препаратами выше, оказывается наиболее трудным. Если вы хотите избежать введения предположения о том, что происходит, необходимо вмешаться в переменную А — в данном случае, принятие препарата. Вот почему настоящее испытание препарата тщательно рандомизируется, и некоторые участники принимают препарат, а другие — плацебо. Только активное вмешательство в переменную А может установить ее причинные связи с переменной Б.

А как дело обстоит с квантовыми переменными? Новое исследование показало, что определенные виды квантовых корреляций действительно подразумевают причинную обусловленность — даже без активного вмешательства, которое требуется для классических переменных.

Новое исследование является и теоретическим, и экспериментальным. Исследователи Райд, Спеккенс и Янцинь решили начать с теоретического конца. Они представили ситуацию с наблюдателем, который исследовал две квантовые переменные — скажем, поляризационные свойства двух фотонов — и обнаружил, что они коррелируют. Измерение проводилось в двух точках одновременно, однако наблюдатель не знала точно, не увидели ли она один фотон дважды (исследование связи следствия и причины) или смотрела на пару фотонов в сцепленном состоянии (исследование связи частой причины).

Важным пониманием теоретиков было то, что корреляции, измеряемые между фотоном в одно время и таким же фотоном в другое время, имеют различные паттерны, нежели корреляции, измеряемые между двумя сцепленными фотонами. Другими словами, ученые обнаружили, что в правильных обстоятельствах они могут отличить причину и следствие от частой причины.

Тем временем, в Институте квантовых вычислений у исследователей Энью, Вермейдена и Реша были инструменты для проверки этой замечательной идеи. Они создали устройство, способное сгенерировать два сцепленных фотона — А и Б. Ученые измерили А, и затем направили пару через ворота, которые либо передали фотон А, или переключили фотон А с фотоном Б и передали фотон Б.

Важно, что эти ворота могли менять два сценария, выбирая один или другой на основе результата генератора случайных чисел. С другой стороны ворот ученые провели другие измерения, в то время как они не видели, какой именно фотон измеряется. Как предсказали теоретики, они увидели два различных паттерна корреляции.

Это значит, что исследователи, измеряющие квантовые переменные, могут кое-что сделать, в то время как с классическими переменными не сделать ничего: найдите разницу между причиной-следствием и частой причиной в системе с двумя переменными без активного вмешательства в первую переменную.

Открытие имеет значение для квантовой информации и квантовых основ.

Работа устанавливает новый класс вещей, который квантовые системы могут производить, а классические не могут. Рано говорить, к чему это может привести, однако подобные квантовые преимущества доказывают перспективность квантовых технологий: квантовая сцепленность, к примеру, лежит в основе квантовой криптографии, а квантовая суперпозиция — в основе квантового вычисления.