Correlations and quantum circuits with dynamical causal order

Nel mondo fisico, gli eventi accadono solitamente in una sequenza. Una cosa ne causa un'altra, che ne causa una terza, creando una linea temporale chiara dal passato al futuro. Per secoli, questa idea di un ordine fisso è stata considerata una regola fondamentale della realtà. Tuttavia, le strane leggi della meccanica quantistica hanno recentemente sfidato questa certezza. Gli scienziati hanno scoperto che, in condizioni specifiche, l'ordine in cui avvengono gli eventi può essere sfumato, esistendo in uno stato in cui non è ancora deciso quale evento sia avvenuto per primo. Questo concetto, noto come ordine causale indefinito, suggerisce che la struttura stessa di causa ed effetto possa essere fluida. Sebbene ciò possa sembrare una curiosità teorica, comprendere come funzionano queste strutture fluide è cruciale per lo sviluppo di tecnologie future, come i computer quantistici che potrebbero risolvere problemi impossibili per le macchine odierne. La domanda che i ricercatori hanno cercato di rispondere è se questa fluidità sia un caos incontrollato o se esistano regole nascoste che governano il modo in cui l'ordine degli eventi può cambiare.

Un team di fisici ha ora scoperto un nuovo livello di complessità in questo enigma, rivelando che il modo in cui gli eventi si influenzano a vicenda è più sfumato di quanto precedentemente pensato. Per molto tempo, gli scienziati hanno assunto che se l'ordine degli eventi stava cambiando, era perché un'azione precedente decideva direttamente l'ordine degli eventi successivi. Immaginate un semaforo che cambia in base a quante auto sono in attesa; le auto nel passato influenzano il segnale per il futuro. Questo articolo dimostra che questo non è l'unico modo in cui le cose possono funzionare. I ricercatori hanno scoperto che, con quattro o più parti coinvolte, è possibile che l'ordine degli eventi sia dinamico — cambiando mentre il processo si svolge — senza che nessuno dei partecipanti precedenti abbia alcun controllo su tale cambiamento. L'ordine cambia, ma cambia da sé, completamente indipendente dalle scelte fatte dalle persone che agiscono prima.

Per comprendere questa scoperta, bisogna innanzitutto guardare a come gli scienziati descrivono le relazioni tra diverse persone o macchine, che chiamano "parti". In uno scenario standard, se la Parte A agisce prima della Parte B, la A può inviare un messaggio alla B, ma la B non può inviare un messaggio indietro alla A. Questo è un ordine causale fisso. Gli scienziati sanno da tempo che, se si aggiunge una terza parte, l'ordine non deve essere stabilito in anticipo. Può essere determinato "al volo". Ad esempio, la Parte A potrebbe scegliere un'azione che decide se la Parte B o la Parte C debba seguire. Questo è ciò che si conosce come ordine causale dinamico, dove la sequenza viene stabilita mentre il processo avviene. L'ipotesi prevalente era che questo dinamismo richiedesse sempre un'influenza: il passato doveva tirare le fila per determinare la sequenza futura.

Gli autori di questo studio, lavorando con un gruppo di collaboratori, hanno realizzato che questa ipotesi era incompleta. Si sono posti l'obiettivo di definire una nuova categoria di comportamento in cui la sequenza degli eventi è dinamica ma non influenzata dal passato. Hanno iniziato analizzando scenari semplici che coinvolgono informazioni classiche, dove le parti si scambiano input e output. Creando un particolare quadro matematico, hanno identificato una classe di correlazioni in cui l'ordine causale tra le parti cambia, eppure la probabilità di tale cambiamento rimane completamente unaffected dagli input scelti dalle parti precedenti. Nelle loro simulazioni, hanno dimostrato che per tre parti, questo nuovo tipo di comportamento è impossibile; l'ordine o rimane fisso o è influenzato dal passato. Tuttavia, non appena hanno introdotto una quarta parte, è emersa una nuova possibilità. Hanno scoperto che l'ordine poteva essere dinamico, oscillando tra diverse sequenze, ma la probabilità di ciascuna sequenza era fissata sin dall'inizio, immune alle azioni dei partecipanti.

Questa scoperta ha portato i ricercatori a proporre un nuovo sistema di classificazione per queste interazioni. Hanno definito un punto di mezzo tra processi che hanno un ordine completamente fisso e quelli che sono pienamente dinamici e influenzati dal passato. Hanno chiamato questo stato intermedio "ordine causale non influenzabile". Per dimostrare che si trattava di un fenomeno distinto e reale, hanno progettato un gioco specifico che coinvolgeva quattro parti. In questo gioco, i giocatori cercano di indovinare gli input degli altri in base alle regole del gioco. I ricercatori hanno calcolato il punteggio massimo possibile per diversi tipi di strutture causali. Hanno scoperto che il punteggio ottenibile con ordini non influenzabili era strettamente superiore a quello possibile con ordini fissi, ma strettamente inferiore a quello che si potrebbe raggiungere se il passato potesse influenzare il futuro. Questo divario di prestazioni ha dimostrato che la nuova classe di comportamento non è solo una variazione teorica, ma un modo fondamentalmente diverso in cui il mondo può operare.

Il team ha poi esteso queste scoperte nel regno della fisica quantistica, dove le regole sono ancora più flessibili. Hanno esaminato i circuiti quantistici, che sono i mattoni dei computer quantistici, specificamente quelli in cui l'ordine delle operazioni è controllato da un sistema quantistico. In questi circuiti, un sistema di controllo può esistere in una sovrapposizione, ponendo efficacemente l'ordine delle operazioni in uno stato in cui avvengono più sequenze contemporaneamente. I ricercatori hanno applicato le loro nuove definizioni a questi circuiti quantistici. Hanno identificato una classe di processi quantistici in cui il sistema di controllo è dinamico ma non influenzabile. In questi processi, il sistema di controllo quantistico evolve in un modo che determina l'ordine delle operazioni, ma questa evoluzione non è alterata dalle specifiche operazioni eseguite dalle parti.

Uno degli esempi più sorprendenti che hanno costruito coinvolge quattro parti. Nel loro setup, due parti agiscono per prime, e le loro azioni fanno parte di un complesso processo quantistico che è causalmente non separabile, il che significa che il loro ordine non è fisso. Tuttavia, l'esito di una misurazione effettuata su queste due parti, che poi decide l'ordine in cui agiscono le restanti due parti, è statisticamente indipendente da ciò che le prime due parti hanno effettivamente fatto. Il risultato della misurazione è casuale, ma non è influenzato dalle scelte delle parti precedenti. Ciò crea uno scenario in cui l'ordine causale tra le ultime due parti è determinato dinamicamente dalla misurazione, ma la probabilità di quell'ordine è fissa e non può essere manipolata dal passato. Questo contrasta con altri processi quantistici noti, come il famoso "quantum switch", dove l'ordine è fisso in una sovrapposizione fin dall'inizio e non cambia dinamicamente, e altri processi in cui il passato controlla attivamente l'ordine futuro.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche computazionali avanzate per testare i limiti di queste nuove classi. Hanno calcolato i punteggi massimi possibili per il loro gioco a quattro parti utilizzando questi circuiti quantistici non influenzabili. I risultati hanno mostrato che, sebbene questi circuiti potessero superare le prestazioni di quelli con ordini fissi, non potevano raggiungere il limite teorico massimo consentito dalle generali correlazioni causali. Ciò indica che, sebbene l'ordine dinamico non influenzabile sia una risorsa potente, è comunque più limitato rispetto all'intera gamma di possibilità consentite dalla meccanità quantistica. Lo studio conferma che l'universo permette una forma sottile di dinamismo in cui la sequenza degli eventi può essere fluida senza essere controllata dal passato.

Questo lavoro ridisegna la nostra comprensione di come la causa e l'effetto possano operare nel regno quantistico. Dimostra che la relazione tra tempo, ordine e influenza non è una semplice scelta binaria tra fisso e caotico. Esiste invece un punto di equilibrio strutturato dove il futuro può essere incerto e mutevole, pur rimanendo completamente indipendente dalle scelte del passato. Questa distinzione è vitale per il futuro della scienza dell'informazione quantistica. Mentre i ricercatori sviluppano reti e computer quantistici più complessi, sapere esattamente quali tipi di strutture causali sono possibili — e quali sono impossibili — aiuterà a progettare sistemi più efficienti. La capacità di distinguere tra processi che sono dinamici a causa dell'influenza del passato e quelli che cambiano da soli fornisce un nuovo strumento per ingegneri e fisici. Suggerisce che esistono nuove risorse, ancora inesplorate, nel modo in cui i sistemi quantistici possono essere organizzati, risorse che non dipendono dal fatto che il passato controlli il futuro, ma piuttosto da un'evoluzione più sottile e autonoma dell'ordine.

L'articolo conclude sottolineando che questa è solo l'inizio della comprensione di queste strutture. I ricercatori osservano che, sebbene abbiano definito queste classi e dimostrato la loro esistenza, rimangono molte domande aperte. Ad esempio, non è ancora chiaro se esistano altre forme più complesse di ordine non influenzabile che non sono ancora state scoperte, o se queste nuove classi possano fornire un vantaggio pratico in compiti computazionali specifici. Evidenziano inoltre che le loro definizioni si basano su un quadro specifico di circuiti quantistici, e resta da vedere come queste idee si applichino alle teorie più ampie e astratte della gravità quantistica. Tuttavia, l'identificazione di questa nuova classe di ordine causale segna un passo avanti significativo. Sposta il campo oltre la semplice domanda se l'ordine sia fisso o meno, e verso un'esplorazione più profonda di come quell'ordine venga determinato, rivelando uno strato nascosto di indipendenza nel tessuto di causa ed effetto.