Almost-Quantum Correlations Violate Information Causality

In het vreemde landschap van de kwantumfysica kunnen deeltjes op manieren met elkaar verbonden raken die onze alledaagse intuïtie tarten. Wanneer twee dergelijke deeltjes op grote afstand van elkaar worden gemeten, lijkt het resultaat van de ene meting de andere onmiddellijk te beïnvloeden, een fenomeen dat bekend staat als nonlokaliteit. Decennialang hebben natuurkundigen geprobeerd de grenzen van deze verbinding te begrijpen. Ze weten dat de natuur niet toestaat dat informatie sneller dan het licht reist, een regel die bekend staat als het no-signaling principe. Toch is er binnen die regel een enorme ruimte aan mogelijkheden. Sommige theoretische modellen suggereren correlaties die zo sterk zijn dat ze onmogelijke prestaties zouden mogelijk maken, zoals het met perfecte nauwkeurigheid raden van een geheime code met slechts een klein beetje hint. Om te begrijpen waarom ons universum de specifieke regels van de kwantummechanica volgt en niet deze wildere mogelijkheden, hebben wetenschappers een leidend principe voorgesteld genaamd informatiecausaliteit. Dit idee suggereert een eenvoudige limiet: als je iemand een bericht van een bepaalde omvang stuurt, zeg één bit, dan kan diegene niet meer informatie verkrijgen over jouw geheime gegevens dan diezelfde hoeveelheid, ongeacht hoe slim hij probeert de code te kraken. Dit principe houdt stand in onze bekende kwantumwereld en helpt verklaren waarom de natuur net niet de meest extreme theoretische mogelijkheden bereikt.

Een groep onderzoekers aan het S. N. Bose National Centre for Basic Sciences in Kolkata heeft dit principe nu getest tegenover een specifieke, zeer geavanceerde set theoretische correlaties die bekend staat als "bijna-kwantum" (almost-quantum). Deze correlaties zijn een wiskundige versoepeling van de kwantumregels; ze zijn iets minder strikt dan wat de kwantummechanica toestaat, maar voldoen nog steeds aan veel andere bekende fysieke beperkingen. Jarenlang suggereerden computersimulaties dat deze bijna-kwantumcorrelaties informatiecausaliteit zouden respecteren, waardoor ze comfortabel binnen de grenzen van een zinvolle fysieke wereld pasten. De nieuwe studie zet deze verwachting echter op zijn grondvesten. Door een specifiek, complex communicatiespel te ontwerpen, hebben de onderzoekers aangetoond dat bijna-kwantumcorrelaties het principe van informatiecausaliteit zonder enig limiet kunnen schenden. In hun scenario stelt één bit aan communicatie de ontvanger in staat om een enorme hoeveelheid informatie over de gegevens van de verzender te verkrijgen, een prestatie die strikt verboden is in ons universum.

Het experiment rust op een slim spel waarbij twee partijen, Alice en Bob, een mysterieuze verbinding delen. Alice houdt een lange reeks willekeurige bits vast, die zij in vele blokken verdeelt. Bob krijgt de opdracht om de inhoud van een specifiek, willekeurig gekozen blok te identificeren. In een standaardspel, als Alice Bob slechts één bit aan informatie stuurt, zou hij slechts één bit van haar gegevens kunnen leren. De onderzoekers construeerden een protocol waarbij Alice en Bob een speciaal type verbinding gebruiken, een "bijna-kwantumdoos", om dit spel te spelen. Deze doos heeft een unieke eigenschap: hij kan incidenteel een specifieke uitkomst produceren die fungeert als een perfect certificaat. Als dit certificaat verschijnt, bewijst het met absolute zekerheid dat een specifiek blok van de gegevens van Alice volledig uit enen bestaat. Cruciaal is dat het certificaat nooit liegt; als het verschijnt, zijn de gegevens exact zoals beweerd. Het certificaat is echter zeldzaam.

De kracht van deze opzet ligt in de manier waarop de zeldzaamheid wordt overwonnen. De onderzoekers toonden aan dat door een doos te gebruiken met een zeer groot aantal mogelijke instellingen — specifiek meer dan 750.000 verschillende opties voor elke partij — het zeldzame certificaat effectief genoeg wordt om de regels te breken. Wanneer het certificaat verschijnt, onthult het het volledige blok aan gegevens, en niet slechts één enkele bit. Omdat de doos zo veelzijdig is, kan hij elk van de vele blokken certificeren. De onderzoekers berekenden dat met een specifiek aantal instellingen en een specifieke lengte van de gegevensblokken, de totale informatie die Bob verkrijgt, de enkele bit die Alice stuurde, ver overstijgt. In één specifiek geval, waarbij een reeks van meer dan 13 miljoen bits werd gebruikt, was de verkregen informatie iets meer dan één bit, net genoeg om de schending aan te tonen. Door de parameters aan te passen, toonden ze aan dat deze schending willekeurig groot gemaakt kon worden, wat betekent dat de ontvanger een onbeperkte hoeveelheid informatie kan verkrijgen uit een enkele bit aan communicatie.

Deze bevinding creëert een scherpe scheiding in ons begrip van fysieke theorieën. Het bewijst dat bijna-kwantumcorrelaties, ondanks dat ze veel andere fysieke principes respecteren, fundamenteel onverenigbaar zijn met het idee dat informatie beperkt wordt door de omvang van het verzonden bericht. De onderzoekers betogen dat als een theorie deze correlaties toestaat, zij een standaardregel over hoe informatie zich combineert, de zogenaamde ketenregel (chain rule), moet opgeven. Deze regel stelt in essentie dat de totale informatie die je over een systeem hebt, kan worden afgebroken naar de informatie die je over de onderdelen ervan hebt. De studie suggereert dat in een wereld met bijna-kwantumcorrelaties deze decompositie zou falen, en dat de manier waarop informatie wordt opgeslagen en verwerkt radicaal anders zou zijn dan wat wij observeren.

Het werk beweert niet dat ons universum op deze manier werkt; het gebruikt deze theoretische schending eerder om ons begrip van waarom de kwantummechanica de manier is waarop zij is, te verscherpen. De onderzoekers merken op dat hun protocol een zeer groot aantal instellingen vereist om te werken, wat verklaart waarom eerdere computerzoektochten de schending misten. De enorme schaal van de benodigde instellingen verklaart waarom de bijna-kwantumset in eerdere, kleinschaligere simulaties veilig leek. De studie benadrukt ook een belangrijk verschil tussen hoe de kwantummechanica en deze bijna-kwantumcorrelaties met zekerheid omgaan. In de kwantumwereld is de perfecte zekerheid over een relatie tussen verre gebeurtenissen extreem beperkt. In de bijna-kwantumwereld is deze limiet versoepeld, wat de zeldzame maar perfecte certificaten mogelijk maakt die de schending aandrijven.

Uiteindelijk stelt het artikel vast dat bijna-kwantumcorrelaties geen levensvatbare beschrijving van onze fysieke realiteit zijn als we de wens behouden om het principe van informatiecausaliteit aan te houden. Het dwingt natuurkundigen om te kiezen tussen het accepteren van deze correlaties en het opgeven van een fundamentele regel over hoe informatie werkt, of het verwerpen van de correlaties als onfysisch. De onderzoekers suggereren dat dat laatste de meest waarschijnlijke weg is, wat impliceert dat de specifieke beperkingen van de kwantummechanica noodzakelijk zijn om een consistente informatiestroom te waarborgen. Dit resultaat voegt een belangrijk stuk toe aan de langlopende puzzel van waarom de natuur de regels volgt die zij volgt, en sluit een klasse van theorieën uit die voorheen als een veelbelovende kandidaat voor een dieper begrip van de kwantumwereld werden beschouwd.