Квантовые голуби не любят делиться

В соответствии с математической концепцией, известной как принцип pigeonhole (голубиная дыра), голуби должны находиться вместе с другими голубями, если есть больше голубей, чем доступных мест для размещения. Но фотоны, или квантовые частицы света, могут нарушать это правило, согласно эксперименту, опубликованному в издании «Proceedings of the National Academy of Sciences».

Принцип pigeonhole гласит, что, если три голубя размещаются в двух отверстиях, одно отверстие должно содержать по крайней мере две птицы. Эта, казалось бы, очевидная, идея помогает определить основы того, что такое числа и что значит счет.

Но в квантовой области ученые предсказали, что три “голубя” — технически, квантовые частицы — могут находиться в двух отверстиях без какой-либо одной частицы, разделяющей отверстие с другой, в так называемом эффекте квантовой ямы.

«Квантовый эффект голубя бросает вызов нашему базовому пониманию…. Поэтому необходима четкая экспериментальная проверка », — написали соавторы исследования Чао-Ян Лу и Цзянь-Вэй Пан, физики из Университета науки и технологии Китая в Хэфэй. «У квантовой ямы может быть потенциальное применение для поиска более сложных и фундаментальных квантовых эффектов».

В исследовании три фотона заняли место голубей. Вместо того, чтобы помещать фотоны в отверстия, исследователи изучали поляризацию частиц или ориентацию колеблющихся электромагнитных волн, которые могут быть как горизонтальными, так и вертикальными.

Поскольку было три фотона и две поляризации, стандартная математика предполагает, что по крайней мере два должны иметь одинаковую поляризацию. Когда ученые сравнили поляризацию частиц, команда обнаружила, что нет двух совпадающих частиц, подтверждая, что эффект квантовой ямы является реальным.

Необычное поведение является результатом комбинации и без того странных квантовых эффектов. Фотоны начинают эксперимент в странной неопределенности, называемой суперпозицией, то есть они поляризованы как по горизонтали, так и по вертикали одновременно. Когда сравниваются поляризации двух фотонов, измерение вызывает эфирные связи между частицами, известные как квантовое запутывание. Эти противоречивые свойства позволяют частицам делать немыслимые вещи.

Хотя результат не является первым экспериментальным подтверждением идеи, он улучшает предыдущие усилия. «Я считаю, что эта работа — лучший эксперимент, выполненный до сих пор», — говорит Джефф Толлаксен из Университета Чепмена в Оранже, который входил в группу физиков-теоретиков, которые первоначально предположили этот эффект в 2014 году.

Исследование первым подтвердило, что квантовые частицы ведут себя так только при определенных условиях. Толлаксен и его коллеги предсказывали, что для достижения эффекта измерение поляризаций должно быть мягким, чтобы не возмущать квантовые частицы. Новая работа подтвердила, что измерение должно быть слабым для достижения эффекта.

Квантовая механика известна своими странными парадоксами на тему животных — как правило, с участием кошек. Кот Шредингера — это звезда знаменитой головоломки, в которой кот кажется одновременно живым и мертвым. И квантовые «чеширские коты» появляются, когда частицы отделяются от своих свойств, подобно тому, как улыбка кошки Алисы в Стране Чудес отделяется от ее лица. Как и весь квантовый зверинец, эффект квантовой ямы «демонстрирует нечто чрезвычайно удивительное, если не невозможное», — говорят исследователи.

M.-C. Chen et al. Experimental demonstration of quantum pigeonhole paradox. Proceedings of the National Academy of Sciences. Vol 116, January 29, 2019, p. 1549. doi:10.1073/pnas.1815462116.