I vanliga fall, kausal påverkan antas gå bara en väg - från orsak till verkan - och aldrig tillbaka från verkan till orsaken - ringningen av en klocka orsakar inte nedtryckningen av knappen som utlöste den. Nu, forskare från University of Oxford och Université libre de Bruxelles har utvecklat en teori om kausalitet inom kvantteori, enligt vilka orsak-verkan-relationer ibland kan bilda cykler. Denna teori erbjuder en ny förståelse av exotiska processer där händelser inte har en bestämd kausal ordning. Studien har publicerats i Naturkommunikation .

Ett av sätten som kvantteorin trotsar klassiska intuitioner är genom att utmana våra idéer om kausalitet. Kvantintrassling kan användas för att producera korrelationer mellan avlägsna experiment som är kända för att undvika tillfredsställande orsaksförklaringar inom ramen för klassiska kausala modeller. Vidare, en förening av kvantteori och tyngdkraft förväntas möjliggöra situationer där rymdtidens kausala struktur är föremål för kvantobestämdhet, antyder att händelser inte alls behöver vara orsaksordnade.

Nyligen, ett team av forskare från Oxford och Bryssel har utvecklat en teori om kausalitet inom kvantteorin, där kausalbegrepp definieras i inneboende kvanttermer snarare än avseende en framväxande klassisk nivå av mätresultat. Detta har erbjudit en kausal förståelse av de korrelationer som produceras av intrasslade tillstånd. Nu, de har generaliserat teorin för att tillåta kausalt inflytande att gå i cykler, ge en kausal förståelse av processer med händelser i obestämd kausal ordning.

"Nyckeltanken bakom vårt förslag är att kausala samband i kvantteorin motsvarar inflytande genom så kallade enhetstransformationer - det här är de typer av transformationer som beskriver utvecklingen av isolerade kvantsystem. Detta är nära analogt med ett förhållningssätt till klassiska kausalmodeller som antar underliggande determinism och placerar orsakssamband i funktionella beroenden mellan variabler, "säger Jonathan Barrett från University of Oxford. Huvudtanken med den nya studien är att tillämpa samma princip för processer där operationsordningen kan vara dynamisk eller till och med obestämd, eftersom en stor klass av dessa processer kan förstås som härrörande från enhetliga transformationer, för, bara inte sådana som utspelar sig i en vanlig sekvens.

"Tidigare, processer med obestämd kausal ordning ansågs vanligtvis vara helt oförenliga med någon orsakssammanställning. Vårt arbete visar att en stor klass av dem – de som kan förstås som härrörande från enhetliga processer och som tros vara de som skulle kunna ha en fysisk förverkligande i naturen – skulle kunna, faktiskt, ses ha en bestämd kausal struktur, om än en som inbegriper cykler, säger Robin Lorenz, motsvarande författare till studien. "Idén om cykliska kausala strukturer kan verka kontraintuitiv, men kvantprocessramen inom vilken den är formulerad garanterar att den är fri från logiska paradoxer, som möjligheten att gå tillbaka i tiden och döda ditt yngre jag, "förklarar Ognyan Oreshkov från Université libre de Bruxelles.

"Exotiska som de ser ut, några av dessa scenarier är faktiskt kända för att ha experimentella realiseringar där variablerna av intresse delokaliseras i tid."

Innebär detta att rymdtiden inte har den acykliska kausalstrukturen som den normalt antas ha? Inte exakt, eftersom i de nämnda experimenten händelserna som är kausalt relaterade på ett cykliskt sätt inte är lokala i rumtiden. Dock, forskarna tror att den kausala strukturen av rumtiden i sig kan bli cyklisk på detta kvantsätt i skärningspunkten mellan kvantteorin och den allmänna relativitetsteorin, där analoga processer som kan realiseras i labbet förväntas, men med händelserna som är lokala i sina respektive rumtidsreferensramar.