Estrutura causal na presença de restrições setoriais, com aplicação ao quantum switch

Estrutura causal na presença de restrições setoriais, com aplicação ao quantum switch

Carimbo de data / hora: 1 de junho de 2023 8h48
Nó Fonte: 2697095

Nick Ormrod1, Augustin Vanrietvelde1,2,3e Jonathan Barrett1

1Quantum Group, Departamento de Ciência da Computação, University of Oxford
2Departamento de Física, Imperial College London
3Laboratório Conjunto HKU-Oxford para Informação e Computação Quântica

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Sumário

Os trabalhos existentes sobre a estrutura causal quântica assumem que é possível realizar operações arbitrárias nos sistemas de interesse. Mas esta condição muitas vezes não é satisfeita. Aqui, estendemos a estrutura para modelagem causal quântica para situações onde um sistema pode sofrer $textit{restrições setoriais}$, ou seja, restrições nos subespaços ortogonais de seu espaço de Hilbert que podem ser mapeados entre si. Nossa estrutura (a) prova que diversas intuições diferentes sobre relações causais revelam-se equivalentes; (b) mostra que estruturas causais quânticas na presença de restrições setoriais podem ser representadas com um gráfico direcionado; e (c) define um detalhamento da estrutura causal na qual os setores individuais de um sistema mantêm relações causais. Como exemplo, aplicamos nossa estrutura a supostas implementações fotônicas da mudança quântica para mostrar que, embora sua estrutura causal de granulação grossa seja cíclica, sua estrutura causal de granulação fina é acíclica. Concluímos, portanto, que esses experimentos realizam uma ordem causal indefinida apenas num sentido fraco. Notavelmente, este é o primeiro argumento nesse sentido que não está enraizado na suposição de que os relatos causais devem ser localizados no espaço-tempo.

Resumo popular

Na ciência e na vida cotidiana, é muito comum explicarmos as coisas usando os conceitos de causa e efeito. Quando vemos muitas poças na rua, presumimos que são todas efeitos da mesma causa – a chuva. Quando encorajamos as pessoas a deixarem de fumar é porque acreditamos que causa cancro.

E, no entanto, a nossa teoria científica mais bem sucedida – a teoria quântica – sugere que as nossas ideias mais básicas sobre causalidade e raciocínio causal estão de alguma forma erradas. As famosas correlações não locais que violam as desigualdades de Bell resistem à explicação causal tal como é tradicionalmente entendida, e a possibilidade de colocar objectos em superposições parece permitir situações em que não existe um facto definido sobre a direcção da influência causal.

Como resultado, tem havido muito esforço nos últimos anos para modificar as nossas noções causais para um cenário quântico. Nosso artigo estende o estudo de estruturas causais intrinsecamente quânticas a uma nova gama de cenários. Uma das consequências é que experimentos recentes que visam criar uma direção indefinida de influência causal podem ser entendidos como "fracamente" indefinidos - direções de influência ainda mais fortemente indefinidas são concebíveis.

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https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.042414
arXiv: 2012.03989

[64] J. Wechs, C. Branciard e O. Oreshkov, ``Existência de processos que violam desigualdades causais em subsistemas deslocalizados no tempo,'' Nature Communications 14 no. 1, (2023) 1471, arXiv:2201.11832 [quant-ph].
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-023-36893-3
arXiv: 2201.11832

[65] V. Vilasini, ``Uma introdução à causalidade na teoria quântica (e além) (dissertação de mestrado)'' (2017). https://​/​foundations.ethz.ch/​wp-content/​uploads/​2019/​07/​vilasini_master_thesis-v2.pdf.
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[66] V. Vilasini, ``Causalidade em espaços-tempos definidos e indefinidos (resumo estendido para qpl 2020),'' (2020) . https://​/​wdi.centralesupelec.fr/​users/​valiron/​qplmfps/​papers/​qs01t3.pdf.
https://​/​wdi.centralesupelec.fr/​users/​valiron/​qplmfps/​papers/​qs01t3.pdf

[67] C. Portmann, C. Matt, U. Maurer, R. Renner e B. Tackmann, ``Caixas causais: sistemas quânticos de processamento de informação fechados sob composição,'' IEEE Transactions on Information Theory 63 no. 5, (2017) 3277–3305. https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2017.2676805.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2017.2676805

[68] B. d'Espagnat, ``Uma nota elementar sobre `misturas'', Preludes in Theoretical Physics em homenagem a VF Weisskopf (1966) 185.

[69] B. d'Espagnat, Fundamentos conceituais da mecânica quântica. Imprensa CRC, 2018.
https: / / doi.org/ 10.1201 / 9780429501449

[70] SD Bartlett, T. Rudolph e RW Spekkens, ``Quadros de referência, regras de superseleção e informações quânticas,'' Review of Modern Physics 79 (abril de 2007) 555–609, arXiv:quant-ph/​0610030.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555
arXiv: quant-ph / 0610030

[71] V. Vilasini e R. Renner, ``Incorporando estruturas causais cíclicas em espaços-tempos acíclicos: resultados proibidos para matrizes de processo,'' (2022), arXiv:2203.11245 [quant-ph].
arXiv: 2203.11245

[72] B. Schumacher e MD Westmoreland, ``Localidade e transferência de informações em operações quânticas,'' Quantum Information Processing 4 no. 1, (2005) 13–34, arXiv:quant-ph/​0406223.
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Citado por

[1] Nikola Paunković e Marko Vojinović, "Princípio de Equivalência em Gravidade Clássica e Quântica", Universo 8 11, 598 (2022).

[2] Julian Wechs, Cyril Branciard e Ognyan Oreshkov, "Existência de processos que violam desigualdades causais em subsistemas deslocados no tempo", Comunicações da Natureza 14, 1471 (2023).

[3] Huan Cao, Jessica Bavaresco, Ning-Ning Wang, Lee A. Rozema, Chao Zhang, Yun-Feng Huang, Bi-Heng Liu, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo e Philip Walther, "Semi-dispositivo -certificação independente de ordem causal indefinida em uma chave quântica fotônica", Ótica 10 5, 561 (2023).

[4] Augustin Vanrietvelde, Nick Ormrod, Hlér Kristjánsson e Jonathan Barrett, "Circuitos consistentes para ordem causal indefinida", arXiv: 2206.10042, (2022).

[5] Pedro R. Dieguez, Vinicius F. Lisboa e Roberto M. Serra, "Dispositivos térmicos alimentados por medições generalizadas com ordem causal indefinida", Revisão Física A 107 1, 012423 (2023).

[6] Matt Wilson, Giulio Chiribella e Aleks Kissinger, "Supermapas quânticos são caracterizados por localidade", arXiv: 2205.09844, (2022).

[7] Marco Fellous-Asiani, Raphaël Mothe, Léa Bresque, Hippolyte Dourdent, Patrice A. Camati, Alastair A. Abbott, Alexia Auffèves e Cyril Branciard, "Comparando a chave quântica e suas simulações com operações energeticamente restritas", Pesquisa de Revisão Física 5 2, 023111 (2023).

[8] Nick Ormrod, V. Vilasini e Jonathan Barrett, "Quais teorias têm um problema de medição?", arXiv: 2303.03353, (2023).

[9] Tein van der Lugt, Jonathan Barrett e Giulio Chiribella, "Certificação independente de dispositivo de ordem causal indefinida na troca quântica", arXiv: 2208.00719, (2022).

[10] Robin Lorenz e Sean Tull, "Modelos causais em diagramas de cordas", arXiv: 2304.07638, (2023).

[11] Michael Antesberger, Marco Túlio Quintino, Philip Walther e Lee A. Rozema, "Tomografia de matriz de processo de ordem superior de um SWITCH quântico passivamente estável", arXiv: 2305.19386, (2023).

[12] Martin Sandfuchs, Marcus Haberland, V. Vilasini e Ramona Wolf, "Segurança da mudança de fase diferencial QKD de princípios relativísticos", arXiv: 2301.11340, (2023).

[13] Ricardo Faleiro, Nikola Paunkovic e Marko Vojinovic, "Interpretação operacional do vácuo e matrizes de processo para partículas idênticas", arXiv: 2010.16042, (2020).

[14] Eleftherios-Ermis Tselentis e Ämin Baumeler, "Estruturas Causais Admissíveis e Correlações", arXiv: 2210.12796, (2022).

[15] Ricardo Faleiro, Nikola Paunkovic e Marko Vojinovic, "Interpretação operacional do vácuo e matrizes de processo para partículas idênticas", Quântico 7, 986 (2023).

As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-06-03 12:58:29). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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