В своих самых глубоких физических основах мир, по-видимому, нелокален: частицы, разделённые в пространстве, ведут себя не как независимые квантовые системы, а как части единой. Польские физики показали, что такая нелокальность, вытекающая из простого факта неразличимости всех частиц одного типа, может наблюдаться экспериментально практически для всех состояний идентичных частиц.

Все частицы одного типа, например, фотоны или электроны, запутаны друг с другом, как на Земле, так и 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 специфических, нелокальных особенностей квантового мира, находится у нас под рукой? И можем ли мы каким-то образом перехитрить квантовую теорию, которая так бережно охраняет доступ к этому необычному ресурсу?

Ответы на эти вопросы дали два польских теоретика 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 журнале npj Quantum Information , показывают, как сама идентичность частиц порождает наблюдаемую квантовую нелокальность .

Теоретики из IFJ PAN и IITiS PAN проанализировали фундаментальную запутанность идентичных частиц, опираясь непосредственно на концепцию нелокальности Джона Белла. Хотя запутанность — это концепция, прочно укорененная в абстрактной структуре квантовой теории, локальность гораздо более интуитивна и универсальна. Она отражает общепринятую идею о том, что события следуют за цепочкой причин и следствий, распространяющихся в пространстве с конечной скоростью, которая никогда не превышает скорости света.

Когда такого объяснения не существует, мы вступаем в область нелокальных явлений. В этом заключалась суть прорыва, совершённого североирландским физиком Джоном Стюартом Беллом, который указал на эксперимент, который невозможно объяснить в рамках локальной модели. Ключевым элементом этого эксперимента является квантовая запутанность между раздельными системами, в отношении которых исследователи, традиционно называемые Алисой и Бобом, могут проводить произвольные и независимые измерения.

«На первый взгляд, проблема кажется простой: запутанные системы нарушают неравенства Белла, поэтому всё, что нужно сделать, — это провести хорошо спланированный эксперимент. Действительно, это применимо только к различимым системам, которые можно пометить и отправить в две удалённые лаборатории. В случае идентичных частиц эта схема не работает», — говорит доктор Павел Блазяк (IFJ PAN).

«Квантовая механика ясна: идентичные частицы неразличимы по самой своей природе. На практике мы измеряем не «эту конкретную» частицу, а «некоторую» частицу в заданном месте. Квантовая физика последовательно сопротивляется любым попыткам присвоить им индивидуальные метки — и именно поэтому классический сценарий Белла здесь неприменим».

Доктор Марцин Маркевич (IITiS PAN), соавтор статьи, поясняет: «Это, казалось бы, едва заметное различие вводит новые основные правила описания мира: оно требует симметризации или антисимметризации волновой функции в системах с несколькими частицами. Именно принцип тождественности частиц приводит к разделению на фермионы и бозоны — два мира, лежащие в основе структуры атомов и их ядер и определяющие характер взаимодействий».

«Неразличимость также размывает само понятие запутанности: в случае идентичных частиц она уже не ведёт себя так, как мы привыкли, и теряет часть своего практического смысла. Именно здесь настоящая проблема заключается в решении вопроса нелокальности, вытекающей из фундаментальной неразличимости частиц».

Современные эксперименты по запутанности обычно предполагают её искусственное создание посредством взаимодействий между частицами внутри квантовой системы. Однако квантовая механика указывает и на другой, более фундаментальный механизм: запутанность – и, возможно, сама нелокальность – может возникать непосредственно из идентичности природы частиц одного типа. С этой точки зрения, нелокальность может проявляться даже между частицами, которые никогда ранее не взаимодействовали друг с другом.

Именно эта изначальная форма нелокальности привлекла внимание физиков из IFJ PAN и IITiS PAN. Они задались целью определить, можно ли продемонстрировать её в экспериментах, состоящих исключительно из простых пассивных линейных оптических элементов: зеркал, светоделителей и детекторов частиц.

Такие системы можно организовать так, чтобы распространяющиеся частицы никогда не встречались ни в одной точке. Однако, если бы неравенства Белла всё же нарушались при таких условиях, это означало бы, что наблюдаемая нелокальность — не побочный продукт экспериментальных взаимодействий, а проявление чего-то поистине фундаментального.

Исследователи поставили простой, но удивительно общий вопрос: для каких квантовых состояний идентичных частиц можно определить классическую оптическую систему, в которой проявляются нелокальные корреляции? Проблема заключается в том, что как число возможных оптических конфигураций, так и разнообразие состояний идентичных частиц кажутся практически безграничными.

Ученым удалось справиться с этой сложностью, используя целый арсенал передовых инструментов: интерферометр Юрке-Столера, интеллектуальный пост-отбор, концепцию «квантового стирания», математическую индукцию и обширный опыт построения моделей со скрытыми переменными.

В своей статье польские теоретики представили критерий, позволяющий однозначно идентифицировать нелокальность любого состояния, содержащего фиксированное число тождественных частиц. Выводы неожиданны: все фермионные состояния и почти все бозонные состояния оказываются нелокальными ресурсами (в последнем случае, за исключением узкого класса так называемых состояний, сводящихся к одной моде). Примечательно, что доказательство полностью конструктивно: оно шаг за шагом демонстрирует, как строить оптические эксперименты, выявляющие нелокальность исследуемого состояния.

«Наше исследование показывает, что сама неразличимость частиц скрывает источник запутанности, к которому мы можем получить доступ. Может ли нелокальность быть вплетена в саму ткань Вселенной? Всё указывает на то, что это действительно так, и источник этого необычного свойства кроется в, казалось бы, простом постулате об одинаковой природе частиц одного типа», — заключает доктор Блазиак.

Как всегда, многое ещё предстоит понять, и вопросы о природе реальности и интерпретации квантовой механики обретают новый резонанс. Физики Чарльз В. Мизнер, Джон А. Уилер и будущий лауреат Нобелевской премии Кип С. Торн красноречиво выразили эту мысль 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 загадку физики». Эта неразрешимая загадка, вероятно, будет вдохновлять исследователей ещё многие десятилетия.