На своих самых глубоких физических основах мир кажется нелокальным: частицы, разделённые в пространстве, ведут себя не как независимые квантовые системы, а как части единого целого. Польские физики показали, что такая нелокальность, возникающая из простого факта неразличимости всех частиц одного типа, может быть экспериментально наблюдаема практически для всех состояний тождественных частиц.
Все частицы одного типа — например, фотоны или электроны — запутаны друг с другом, включая те, что находятся на Земле, и те, что в самых далёких галактиках. Это удивительное утверждение следует из фундаментального постулата квантовой механики: частицы одного типа по своей природе идентичны. Означает ли это, что универсальный источник запутанности, лежащий в основе своеобразных, нелокальных особенностей квантового мира, находится у нас под рукой? И можем ли мы каким-то образом перехитрить квантовую теорию, которая так тщательно охраняет доступ к этому необыкновенному ресурсу?
Ответы на эти вопросы были даны двумя польскими теоретиками из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Института теоретической и прикладной информатики Польской академии наук (IITiS PAN) в Гливице. Их выводы, опубликованные в npj Quantum Information, показывают, как сама идентичность частиц порождает наблюдаемую квантовую нелокальность.
Теоретики из IFJ PAN и IITiS PAN проанализировали фундаментальную запутанность тождественных частиц, опираясь непосредственно на концепцию нелокальности Джона Белла. В то время как запутанность — это понятие, прочно укоренившееся в абстрактных рамках квантовой теории, локальность гораздо более интуитивна и универсальна. Она отражает здравый смысл, что события следуют цепи причин и следствий, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью — никогда не быстрее света.
Когда такого объяснения не существует, мы вступаем в область нелокальных явлений. В этом заключалась суть прорыва, сделанного североирландским физиком Джоном Стюартом Беллом, который указал на эксперимент, который невозможно объяснить в локальных рамках. Ключевым элементом этого эксперимента является квантовая запутанность между отдельными системами, над которыми исследователи — традиционно называемые Алисой и Бобом — могут выполнять произвольные и независимые измерения.
«На первый взгляд проблема кажется простой: запутанные системы нарушают неравенства Белла, поэтому всё, что нужно сделать, — это провести хорошо продуманный эксперимент. Однако это применимо только к различимым системам, которые можно пометить и отправить в две удалённые лаборатории. С тождественными частицами эта схема разрушается», — говорит доктор Павел Блазиак (IFJ PAN).
«Квантовая механика ясна: тождественные частицы неразличимы по своей природе. На практике мы измеряем не „эту конкретную“ частицу, а „какую-то“ частицу в данном месте. Квантовая физика последовательно сопротивляется любым попыткам присвоить им индивидуальные метки — и именно поэтому классический сценарий Белла здесь неприменим».
Доктор Марчин Маркевич (IITiS PAN), соавтор статьи, поясняет: «Это кажущееся тонким различие вводит новые основные правила описания мира: оно требует симметризации или антисимметризации волновой функции в системах с множеством частиц. Именно принцип тождественности частиц приводит к разделению на фермионы и бозоны — два мира, которые лежат в основе структуры атомов и их ядер и определяют природу взаимодействий».
«Неразличимость также размывает само понятие запутанности: в случае тождественных частиц оно больше не ведёт себя так, как мы привыкли, — и теряет часть своего практического значения. Именно здесь заключается настоящая проблема в решении вопроса нелокальности, возникающей из фундаментальной неразличимости частиц».
Современные эксперименты по запутанности обычно включают её искусственное создание посредством взаимодействий между частицами внутри квантовой системы. Однако квантовая механика также указывает на другой, более фундаментальный механизм: запутанность — и, возможно, сама нелокальность — может возникать непосредственно из тождественной природы частиц одного типа. С этой точки зрения нелокальность может даже проявляться между частицами, которые никогда раньше не взаимодействовали друг с другом.
Именно эта первобытная форма нелокальности привлекла интерес физиков из IFJ PAN и IITiS PAN. Они намеревались определить, может ли она быть продемонстрирована в экспериментах, состоящих исключительно из простых, пассивных линейных оптических элементов: зеркал, светоделителей и детекторов частиц.
Такие системы могут быть расположены так, что распространяющиеся частицы никогда не встречаются в какой-либо точке. Однако если бы неравенства Белла всё же могли быть нарушены в этих условиях, это означало бы, что наблюдаемая нелокальность не является побочным продуктом экспериментальных взаимодействий, а проявлением чего-то поистине фундаментального.
Исследователи поставили простой, но удивительно общий вопрос: для каких квантовых состояний тождественных частиц можно идентифицировать классическую оптическую систему, в которой проявляются нелокальные корреляции? Проблема заключается в том, что как число возможных оптических конфигураций, так и разнообразие состояний тождественных частиц кажутся практически безграничными.
Учёным удалось обуздать эту сложность, используя арсенал изощрённых инструментов: интерферометр Юрке-Столера, умный пост-отбор, концепция «квантового стирания», математическая индукция и обширный опыт в построении моделей скрытых переменных.
В своей статье польские теоретики представили критерий, который позволяет чётко идентифицировать нелокальность для любого состояния, содержащего фиксированное число тождественных частиц. Выводы удивительны: все фермионные состояния и почти все бозонные состояния оказываются нелокальными ресурсами (в последнем случае, за исключением узкого класса так называемых состояний, сводимых к одной моде). Примечательно, что доказательство является полностью конструктивным: оно шаг за шагом демонстрирует, как проектировать оптические эксперименты, которые выявляют нелокальность исследуемого состояния.
«Наше исследование показывает, что сама неразличимость частиц скрывает источник запутанности, к которому мы можем получить доступ. Может ли нелокальность тогда быть вплетена в ткань самой вселенной? Всё, кажется, указывает на то, что это действительно так, причём источник этого необыкновенного свойства лежит в кажущемся простом постулате тождественной природы частиц одного типа», — заключает доктор Блазиак.
Как всегда, многое остаётся непонятым, и вопросы о природе реальности и интерпретации квантовой механики приобретают новое звучание. Физики Чарльз В. Мизнер, Джон А. Уиллер и будущий лауреат Нобелевской премии Кип С. Торн красноречиво выразили это прозрение в своей книге 1973 года «Гравитация»: «Никогда не было предложено приемлемого объяснения чудесной идентичности частиц одного типа. Эту идентичность следует рассматривать не как тривиальность, а как центральную тайну физики».
Эта неразрешимая головоломка, вероятно, будет продолжать вдохновлять исследователей ещё многие десятилетия.
Читайте также: Если квантовые компьютеры отвечают на непостижимые для нас вопросы, то как мы узнаем, что они правы?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.