Квантовая теория, которая была сформулирована в первые три десятилетия двадцатого века, описывает широкий спектр явлений на молекулярном, атомном и субатомном уровнях. Среди его многочисленных технологических применений три стали повсеместными в повседневной жизни: лазерные сканеры штрих-кода, светодиоды (LED) и глобальная система позиционирования (GPS).
Тем не менее, квантовая физика все еще не до конца понята, и некоторые из рассматриваемых явлений, кажется, противоречат здравому смыслу или повседневному эмпирическому опыту, удивляя не только обычного обывателя, но также физиков и философов науки. Некоторые контринтуитивные аспекты квантовой теории обусловлены ее вероятностной природой. Он предлагает набор правил для расчета вероятностей возможных результатов измерения физических систем и, как правило, не может предсказать фактический результат одного измерения.
Одной из сложных идей, представленных квантовой физикой, является нелокальность, аспект реальности, проявляющийся, когда две или более системы генерируются или взаимодействуют таким образом, что квантовые состояния любой системы не могут быть описаны независимо от квантовых состояний других. . С технической точки зрения ученые называют такие системы запутанными, поскольку они сильно коррелированы даже на расстоянии и их квантовое состояние не определяется квантовыми состояниями их составных частей.
Еще одна сложная идея, которая, кажется, указывает на противоположное, — это контекстуальность, согласно которой результат измерения квантового объекта зависит от контекста, то есть других совместимых измерений, выполняемых в то же время.
Нелокальность и контекстуальность родились вместе с квантовой теорией, но в течение нескольких десятилетий шли разными путями. В 2014 году ученые провели исследование с участием частного случая, в котором показали, что в квантовой системе можно наблюдать только один из них. Это открытие стало известно как моногамия. Авторы предположили, что нелокальность и контекстуальность были разными аспектами одного и того же общего поведения, наблюдаемого тем или иным образом.
Однако теперь исследование бразильских и китайских ученых показало и теоретически, и экспериментально, что это не так. Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters и выделена как предложение редакции.
Исследование возглавил Рафаэль Рабело, последний автор статьи и профессор Института физики им. Глеба Ватагина Государственного университета Кампинаса (IFGW-UNICAMP) в Бразилии.
Первыми авторами являются Пэн Сюэ и Лэй Сяо из Пекинского исследовательского центра вычислительной науки в Китае. Другими соавторами, связанными с бразильскими учреждениями, являются Габриэль Руффоло и Андре Маццари, также исследователи IFGW-UNICAMP; Марсело Терра Кунья из Института математики, статистики и научных вычислений того же университета (IMECC-UNICAMP); и Тассиус Темистокл из Федерального института Алагоаса.
«Мы доказали, что оба явления действительно можно наблюдать одновременно в квантовых системах. Теоретический подход был разработан здесь, в Бразилии, и подтвержден в эксперименте по квантовой оптике нашими китайскими коллегами», — сказал Рабело Agência FAPESP.
Новое исследование окончательно показывает, что два фундаментальных отличия квантовой физики от классической физики можно наблюдать одновременно в одной и той же системе, вопреки обычному мнению. «Нелокальность и контекстуальность, таким образом, явно не являются взаимодополняющими проявлениями одного и того же явления», — сказал Рабело.
С практической точки зрения, нелокальность является важным ресурсом для квантового шифрования, тогда как контекстуальность является основой для конкретной модели квантовых вычислений, среди других приложений. «Возможность их одновременного использования в одной системе может проложить путь к разработке новых протоколов квантовой обработки информации и квантовых коммуникаций», — сказал он.
Теорема Белла
Идея нелокальности была своего рода ответом на возражение, выдвинутое Альбертом Эйнштейном (1879–1955) против вероятностной природы квантовой физики. В основополагающей статье, опубликованной в 1935 году, Эйнштейн, Борис Подольский (1896–1966) и Натан Розен (1909–1995), или ЭПР, поставили под сомнение полноту квантовой теории.
Они предложили мысленный эксперимент , известный как парадокс ЭПР: чтобы оправдать определенные неклассические корреляции, вытекающие из запутанности, удаленные квантовые системы должны мгновенно обмениваться информацией, что невозможно согласно специальной теории относительности. Они пришли к выводу, что этот парадокс связан с неполнотой квантовой теории . Неполноту, утверждал ЭПР, можно исправить, включив локальные скрытые переменные, которые сделают квантовую физику такой же детерминированной, как и классическая физика.
«В 1964 году британский физик Дж. С. Белл (1928–1990) пересмотрел аргумент ЭПР, представив элегантный формализм, охватывающий все теории локальных скрытых переменных, независимо от конкретных свойств, которыми может обладать каждая переменная. Белл доказал, что ни одна из этих теорий не может воспроизвести теорию ЭПР. корреляции между измерениями, выполненными в двух системах, предсказанными квантовой физикой. На мой взгляд, этот результат, позже известный как теорема Белла, является одним из наиболее важных столпов квантовой физики. Свойство иметь сильные корреляции, которые не могут быть воспроизведены никакими локальная теория теперь известна как нелокальность Белла. Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер были удостоены Нобелевской премии по физике 2022 года за экспериментальное наблюдение нелокальности Белла, среди прочих достижений», — сказал Рабело.
Другой важный результат, вытекающий из обсуждения скрытых переменных, был представлен в статье Саймона Кохена (1934-) и Эрнста Шпеккера (1920-2011), опубликованной в 1967 г. Авторы показали, что благодаря структуре и математическим свойствам квантовых измерений , любая теория скрытых переменных, которая воспроизводит предсказания квантовой физики, должна демонстрировать аспект контекстуальности.
«Несмотря на общую мотивацию, исследования нелокальности Белла и контекстуальности Кохена-Шпекера в течение довольно долгого времени шли независимыми путями. Лишь в последнее время возрос интерес к выяснению того, могут ли оба явления проявляться одновременно в одной и той же физической системе. в статье, опубликованной в 2014 году, Павел Курзинский, Адан Кабельо и Дагомир Кашликовски сказали «нет». Они показали, почему на конкретном, но, тем не менее, интересном случае. Теперь мы опровергли это «нет» в нашем исследовании», — сказал Рабело.
