Causal indefiniteness and dynamicality in quantum mechanics

Indétermination causale et dynamicité en mécanique quantique La mécanique quantique permet la superposition des processus, entraînant une véritable absence de structure causale classique. Cette thèse étudie l'indétermination causale via le formalisme des matrices de processus, modélisant des processus où différentes parties respectent localement les lois quantiques sans supposer une structure causale globale bien définie, ce qui conduit à un ordre causal indéfini. Un exemple est le "quantum switch" (QS), où les opérations de deux parties A et B sont appliquées en superposition quantique des deux ordres causaux possibles. L'objectif principal de ce travail est de mieux comprendre les processus avec ordre causal indéfini ayant une interprétation physique claire, tant pratiquement, en explorant comment les réaliser et quels avantages en traitement de l'information ils offrent, que fondamentalement, en découvrant de nouvelles propriétés des processus avec trois parties ou plus.Nous commençons par rappeler que certaines implémentations expérimentales du QS ont été contestées car les opérations A et B étaient utilisées plusieurs fois, simulant ainsi un ordre causal indéfini plutôt que le réalisant vraiment. Bien que les deux processus soient indiscernables dans un régime d'énergie infinie, limiter l'énergie disponible introduit des imperfections permettant de distinguer les processus utilisant un nombre différent d'opérations. En comparant le QS à une de ses simulations naturelles dans un scénario contraint en énergie, nous trouvons que le QS est plus performant pour réaliser une tâche donnée, ce qui soulève de nouvelles questions sur les avantages énergétiques potentiels de l'indétermination causale.Nous abordons ensuite la métrologie quantique et affirmons que certaines revendications attribuant des avantages au QS par rapport à des processus à ordres causaux définis ne tiennent pas si une comparaison plus équitable est faite. En examinant les ''quantum circuits with quantum control"(QC-QC), nous trouvons divers exemples où des processus à ordre causal indéfini peuvent offrir (ou non) un avantage. Malgré l'avantage observé des QC-QC sur des circuits quantiques avec superposition causale, nous soulignons que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour affirmer que l'ordre causal dynamique, caractéristique des QC-QC, est une ressource valable en métrologie quantique.Motivés par cette observation, nous formalisons la notion d'ordre causal dynamique, qui consiste en un ordre causal établi en cours de route plutôt que fixé a priori. Nous identifions une nouvelle manière pour l'ordre causal d'être dynamique : avec au moins quatre parties, il peut y avoir un ordre dynamique non influençable par le choix des parties passées. Cela nous conduit à introduire la notion d'ordre causal dynamique mais non influençable, pour les corrélations causales et les processus dans le formalisme des QC-QC. Cela permet de formaliser comment certains processus quantiques peuvent avoir des ordres causaux à la fois indéfinis et dynamiques, et de montrer que l'avantage des QC-QC en métrologie quantique ne peut être attribué à cette caractéristique.Enfin, nous réfléchissons à l'impact de la recherche scientifique sur la société. Après avoir analysé les implications politiques de la recherche scientifique, nous nous concentrons sur les technologies quantiques. Nous montrons qu'au-delà de quelques particularités quantiques, les enjeux éthiques associés aux technologies quantiques sont en fait plus généraux et déjà connus. Nous observons que, plus généralement, c'est le fonctionnement global de la recherche scientifique qui pourrait nécessiter une remise en question, notamment vis-à-vis des enjeux sociaux et environnementaux, ce qui nous pousse à proposer de nouvelles façons de pratiquer la recherche scientifique.