Реальності немає? Незвичайний квантовий експеримент показав альтернативний погляд на Всесвіт

Простий приклад, який покаже відмінності між класичною та квантовою фізикою, ми можемо побачити в небі. Наприклад, Сонце. Класична фізика стверджує, що воно знаходиться там, де ми його бачимо, і ніде більше. Квантова механіка, своєю чергою, запевняє, що спочатку ми маємо виміряти ймовірності, що Сонце не знаходиться в якомусь іншому місці, відтак ми зможемо зробити висновок — так, Сонце розмістилося саме там, тому що ймовірність його перебування в іншому місці нульова.

Приклад із нашим світилом може видатися недоречним, проте Сонце тут використовується лише як об'єкт, який зрозумілий не лише вченим, а й нам. Якщо говорити не про величезний об'єкт, який ми можемо побачити, а про елементарну частинку, то все виявляється набагато заплутанішим.

Ідея про те, що фізичні об'єкти можуть існувати в кількох станах водночас, відома як корпускулярно-хвильовий дуалізм. Найкращою його демонстрацією є інтерференційний експеримент Юнга: через бар'єр із двома щілинами вчені пропускають частинки світла. На екрані, що розташований за бар'єром, утворюється інтерференційний візерунок — зображення, характерне для хвиль. Тобто частки світла поширюються у просторі як хвилі, проте варто їх виміряти, тобто поспостерігати за ними, як ці хвилі «звужуються» в одну точку.

Інтерференція хвиль

Виходить, що світло в одних умовах виявляє властивості класичних хвиль, а в інших — властивості класичних частинок.

Квантова перевага

Цей термін зазвичай використовується у квантових обчисленнях. Ми часто згадували про нього, коли розповідали про створення квантового комп’ютера. В ідеальному світі ця технологія досягне тієї самої квантової домінації (quantum supremacy) — тобто можливості вирішувати завдання, з якими не впорається класичний комп’ютер. Однак перед цим існує також квантова перевага (quantum advantage) — тобто можливість вирішувати проблему, яку може вирішити класичний комп’ютер, швидше за допомогою квантових технологій.

Якщо ж говорити не про квантові комп’ютери, то квантову перевагу можна використовувати для опису ситуації, коли використання квантової механіки дозволяє системі або людині отримати перевагу над системою або людиною, яка використовує класичний еквівалент.

Нещодавнє дослідження китайських фізиків з Нанкінського університету, яке буде опубліковано у науковому журналі Physical Review Letter, демонструє, як працює квантова перевага у нашому світі.

Квантову перевага можуть давати різні «квантові ресурси», як їх назвали вчені: заплутаність, нелокальність, невиразність тощо Щоб це довести, зазвичай використовуються так звані квантові ігри, в яких гравці, «у розпорядженні яких є певний квантовий ресурс, можуть досягти більшої продуктивності, ніж інші гравці».

Фактично це гра, в якій пересічні гравці мають два варіанти відповідей, кожна з яких буде абсолютно випадковою з їхнього боку: ймовірність відповісти правильно становить 50%. Однак так звана квантова псевдотелепатія надасть цим гравцям додаткову перевагу та підвищить вірогідність правильної відповіді.

Складне пояснення квантової псевдотелепатії від науковців

Для демонстрації цієї переваги вчені обрали досить просту гру Мерміна-Переса. У ній є два поля по дев’ять квадратів, розташованих у сітці 3×3. Два гравці заповнюють кожен своє поле цифрами +1 та -1. Щоб не дати гравцям можливість ошукати правила та домовитись, вони не можуть спілкуватися; крім того, множення чисел у кожному з рядків першого гравця має давати 1; множення чисел у кожному зі стовпчиків другого гравця повинні давати -1.

Потім суддя випадковим чином вибирає один ряд у першого гравця і один стовпець у другого гравця — якщо в обох гравців у квадраті, що перекривається, виходить однакове число, вони виграють.

У реальному світі гравці ніколи не наберуть дев’яти балів за кожну клітинку, оскільки розмістити однакові цифри так, щоб не порушити правила у всіх клітинках, неможливо. І навіть уже можливі 8 балів набрати практично нереально — потрібно, щоб вісім разів поспіль ймовірність 50% схилялася у бік гравців. Однак у квантовому світі гравці можуть вигравати майже завжди.

Річ у тім, що закони квантової механіки не вимагають, щоб кожен квадрат містив фіксоване значення до початку гри. Таким чином цифри можуть з’являтися вже після того, як суддя обирає квадрат. Тут і спрацьовує цей інтерференційний експеримент Юнга, оскільки сітка повністю мінлива, доки за нею не спостерігають. Водночас квантова заплутаність гарантує, що числа двох гравців збігатимуться: щойно суддя обирає квадрат на одному полі, число з цього квадрата «з’являється» і в другому.

У своєму експерименті вчені використовували замість чисел фотони світла, а квантова заплутаність стосувалася не +1 і -1, а поляризації та орбітального кутового моменту (показник, який визначає напрям, куди скручується хвилеподібний фотон). В результаті експерименту гравці виграли 1 009 610 із 1 075 930 зіграних раундів ( 93,84%).

У реальному світі гравці могли б виграти лише 88,89% від такої кількості раундів — проте ймовірність, що вони «вибили б» такий показник, практично нульова: легше виграти в лотерею кілька разів поспіль.

Спрощене пояснення складного пояснення квантової псевдотелепатії

Ви підкидаєте дві монетки. Ймовірність випадання «орла» і «решки» кожної монетки в класичному світі — 50%.

Однак закони квантової механіки — ми зараз говоримо про ту саму квантову заплутаність — дозволяють вам не тільки дізнатися, на який бік випаде перша монета, а й підлаштувати все так, щоб друга монета випала тією ж стороною, що й перша.

Дослідження науковців хоч побічно, але показуютть, як квантова заплутаність може маніпулювати фізичною реальністю: хай там як, проете фізикам вдалося перевершити максимально можливу ймовірність, яку пропонувала класична статистика.

Однак набагато важливіше те, що цю гру можна буде використовувати також у майбутніх перевірках коректності роботи квантових комп’ютерів, головною проблемою яких прямо зараз є схильність до помилок.