Реальности не существует? Необычный квантовый эксперимент показал альтернативный взгляд на Вселенную

Простой пример, который покажет разницу между классической и квантовой физикой мы можем увидеть в небе. Например, Солнце. Классическая физика утверждает, что оно находится там, где мы его видим — и нигде больше. Квантовая механика, в свою очередь, утверждает, что сначала мы должны измерит вероятности, что Солнце не находится в каком-то другом месте, после чего мы сможем сделать вывод — да, Солнце разместилось именно там, потому что вероятность его нахождения в другом месте нулевая.

Пример с нашим светилом может показаться неуместным, однако Солнце здесь используется лишь в качестве объекта, который понятен не только ученым, но и нам. Если говорить не об огромном объекте, который мы можем увидеть, а об элементарной частице, то все становится намного запутаннее.

Идея о том, что физические объекты могут существовать в нескольких состояниях одновременно, известна как корпускулярно-волновой дуализм. Лучшей его демонстрацией является интерференционный эксперимент Юнга: через барьер с двумя щелями ученые пропускают частицы света. На экране, который расположен за барьером образовывается интерференционный узор — изображение, характерное для волн. То есть, частицы света распространяются в пространстве как волны, однако стоит их измерить — то есть пронаблюдать за ними — как эти волны «схлопываются» в одну точку.

Интерференция волн

Получается, что свет в одних условиях проявляет свойства классических волн, а в — свойства классических частиц.

Квантовое преимущество

Этот термин обычно используется в квантовых вычислениях. Мы часто о нем упоминали, когда рассказывали о создании квантового компьютера. В идеальном мире эта технология достигнет того самого квантового превосходства — то есть возможности решать задачи, с которыми не справится классический компьютер. Однако перед этим существует также квантовое преимущество — то есть возможность решать проблему, которую может решить классический компютер, быстрее при помощи квантовых технологий.

Если же говорить не о квантовых компьютерах, то квантовое преимущество можно использовать для описания ситуации, когда использование квантовой механики позволяет системе или человеку получить превосходство над системой или человеком, которая использует классический эквивалент.

Недавнее исследование китайских физиков из Нанкинского университета, которое будет опубликовано в научном журнале Physical Review Letter, демонстрирует, как работает квантовое преимущество в нашем мире.

Квантовое преимущество могут давать различные «квантовые ресурсы», как их назвали ученые: запутанность, нелокальность, неразличимость и так далее. Чтобы это доказать, обычно используются так называемые квантовые игры, в которых игроки, «в распоряжении которых есть определенный квантовый ресурс, могут добиться большей производительности, чем другие игроки».

Фактически, это игра, в которой обычные игроки имеют два варианта ответа, каждый из который будет абсолютно случайным с их стороны: вероятность ответить правильно составляет 50%. Однако так называемая квантовая псевдотелепатия даст этим игрокам дополнительное преимущество и повысит вероятность правильного ответа.

Сложное объяснение квантовой псевдотелепатии от ученых

Для демонстрации этого превосходства, ученые выбрали достаточно простую игру Мермина-Переса. В ней существует два поля по девять квадратов, расположенных в сетке 3×3. Два игрока заполняют каждый свое поле цифрами +1 и -1. Чтобы не дать игрокам возможность обмануть правила и договориться, они не могут общаться; кроме того, умножение чисел в каждой из строк первого игрока должно давать 1; умножение чисел в каждом из столмцов второго игрока должны давать -1.

Затем судья случайным образом выбирает один ряд у первого игрока и один столбец у второго игрока — если у обоих игроков в перекрывающемся квадрате получается одинаковое число, они выигрывают.

В реальном мире игроки никогда не наберут девять баллов за каждую клетку, поскольку разместить одинаковые цифры так, чтобы не нарушить правила во всех клетках невозможно. И даже уже возможные 8 баллов набрать практически нереально — нужно, чтобы восемь раз подряд вероятность в 50% склонялась в сторону игроков. Однако в квантовом мире игроки могут выигрывать практически постоянно.

Дело в том, что законы квантовой механики не требуют, чтобы каждый квадрат содержал фиксированное значение до начала игры. Таким образом, цифры могут появляться уже после того, как судья выбирает квадрат. Здесь и срабатывает тот самый интерференционный эксперимент Юнга, поскольку сетка полностью изменчива, пока за ней не наблюдают. Одновременно с этим, квантовая запутанность гарантирует, что числа двух игроков будут совпадать: как только судья выбирает квадрат на одном поле, число из этого квадрата «появляется» и другом.

В своем эксперименте ученые использовали вместо чисел фотоны света, а квантовая запутанность касалась не +1 и -1, а поляризации и орбитального углового момента (показатель, который определяет сторону, в которую скручивается волнообразный фотон). В результате эксперимента, игроки выиграли 1 009 610 из 1 075 930 сыгранных раундов (93,84%).

В реальном мире игроки могли бы выиграть лишь 88,89% от такого количества раундов — однако вероятность, что они бы «выбили» такой показатель практически нулевая: легче выиграть в лотерею несколько раз подряд.

Упрощенное объяснение сложного объяснения квантовой псевдотелепатии

Вы подбрасываете две монетки. Вероятность выпадение «орла» и «решки» на каждой монетке в классическом мире — 50%.

Однако законы квантовой механики — мы сейчас говорим о той самой квантовой запутанности — позволяют вам не только узнать, на какую сторону упадет первая монетка, но и подстроить все так, чтобы вторая монетка выпала той же стороной, что и первая.

Исследование ученых, хоть и косвенно, но показывает, как квантовая запутанность может манипулировать физической реальностью: как-никак, физикам удалось переплюнуть максимально возможную вероятность, которую предлагала классическая статистика.

Однако намного важнее то, что эту игру можно будет использовать также в будущих проверках корректности работы квантовых компьютеров, главной проблемой которых прямо сейчас является подверженность ошибкам.