論文の概要: Higher-order quantum processes respecting closed labs in a spacetime have quantum controlled causal order
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.08351v1
- Date: Fri, 08 May 2026 18:01:12 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-05-12 23:28:49.584311
- Title: Higher-order quantum processes respecting closed labs in a spacetime have quantum controlled causal order
- Title（参考訳）: 時空における閉じた実験室を尊重する高次量子過程は、量子制御因果順序を持つ
- Authors: Matthias Salzger, V. Vilasini,
- Abstract要約: 長いあいだのオープンな疑問は、ポストセレクションなしで物理的な実現を認める最も大きな抽象プロセスのクラスである。
相対論的因果原理に基づくトップダウンアプローチを用いた厳密な回答を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: In quantum causality and quantum information, there is a vast landscape of abstract quantum protocols permitting cyclic or non-acyclic causal structures between operations, including frameworks for indefinite causal order and higher-order quantum processes such as process matrices. A longstanding open question is what is the largest class of abstract processes that admit physical realisations without post-selection. In this work, we provide a rigorous answer using a top-down approach grounded in relativistic causality principles. Building on the framework of causal boxes, which characterise the most general quantum information-processing protocols compatible with fixed background spacetimes, we formalise additional constraints (Acting Once + Local Order) capturing the closed-laboratory assumptions of the process matrix framework at a fine-grained spacetime level. We prove that any protocol in a classical acyclic spacetime satisfying these conditions is behaviourally equivalent to a quantum circuit with quantum control of causal order (QC-QC), providing a top-down derivation of QC-QCs from physical principles. Our results show that QC-QCs constitute precisely the class of higher-order quantum processes, including those with indefinite order, that can be physically realised within classical spacetime, ruling out more general non-causal processes under the closed-labs assumption. This clarifies the relationship between abstract higher-order process matrix frameworks and experimentally accessible quantum protocols, as well as the interplay between coarse-grained cyclic and fine-grained acyclic operational causal structures. We also develop characterisation techniques for process box protocols that lead to new causality-based open questions concerning spacetime quantum protocols and relativistic quantum experiments.
- Abstract（参考訳）: 量子因果性(quantum causality)や量子情報(quantum information)では、プロセス行列のような不確定因果順序と高次量子過程のフレームワークを含む、操作間の循環的または非循環的因果構造を許容する抽象量子プロトコルの広大な風景が存在する。
長いあいだのオープンな疑問は、ポストセレクションなしで物理的な実現を認める最も大きな抽象プロセスのクラスである。
本研究では,相対論的因果原理に基づくトップダウンアプローチを用いて,厳密な回答を提供する。
固定された背景時空と互換性のある最も一般的な量子情報処理プロトコルを特徴付ける因果箱の枠組みに基づいて、プロセスマトリックスフレームワークのクローズド・コラボレーティブな仮定をきめ細かな時空レベルで捉えた追加の制約(Acting Once + Local Order)を定式化する。
これらの条件を満たす古典的非巡回時空における任意のプロトコルは、因果次数(QC-QC)の量子制御を持つ量子回路と振る舞い的に等価であり、QC-QCの物理原理からトップダウンの導出を提供する。
以上の結果から,QC-QCは古典的時空において物理的に実現可能な不定順序を含む高次量子過程のクラスを構成することが示唆された。
このことは、抽象的な高次プロセス行列フレームワークと実験的にアクセス可能な量子プロトコルとの関係と、粗粒状循環と細粒状非循環的因果構造の間の相互作用を明らかにする。
我々はまた、時空量子プロトコルと相対論的量子実験に関する新しい因果関係に基づくオープンな疑問をもたらすプロセスボックスプロトコルのキャラクタリゼーション技術を開発した。
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