Присуща ли нелокальность всем идентичным частицам во Вселенной?

Что такое взаимодействие и когда оно происходит? Интуиция предполагает, что необходимым условием взаимодействия независимо созданных частиц является их прямое касание или контакт через носители физических сил.

В квантовой механике результатом взаимодействия является запутывание — появление неклассических корреляций в системе. Кажется, что квантовая теория допускает запутывание независимых частиц без какого-либо контакта. Фундаментальная идентичность частиц того же вида ответственна за это явление.

Квантовая механика в настоящее время является лучшей и наиболее точной теорией, используемой физиками для описания окружающего нас мира. Однако ее характерной чертой является абстрактный математический язык, который, как известно, ведет к серьезным проблемам интерпретации.

Взгляд на реальность, предложенный этой теорией, все еще является предметом научного спора, который со временем становится только горячее и интереснее. Новые исследовательские мотивы и интригующие вопросы рождаются с новой точки зрения, вытекающей из позиции квантовой информации и огромного прогресса экспериментальных методов.

Это позволяет проверить выводы, сделанные из тонких мысленных экспериментов, непосредственно связанных с проблемой интерпретации. Более того, исследователи в настоящее время добиваются огромных успехов в области квантовой связи и квантовых компьютерных технологий, которые в значительной степени опираются на неклассические ресурсы, предлагаемые квантовой механикой.

Павел Блазяк из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове и Марцин Маркевич из Гданьского университета сосредоточены на анализе широко принятых парадигм и теоретических концепций, касающихся основ и интерпретации квантовой механики.

Исследователи пытаются определить, в какой степени интуиция, используемая для описания квантово-механических процессов, оправдана в реалистическом представлении о мире. Для этого они пытаются прояснить конкретные теоретические идеи, часто функционирующие в виде смутных интуиций, используя язык математики. Такой подход часто приводит к появлению вдохновляющих парадоксов. Конечно, чем более базовой будет концепция, к которой относится данный парадокс, тем лучше, поскольку она открывает новые двери для более глубокого понимания данной проблемы.

В этом духе оба учёных рассмотрели фундаментальный вопрос: что такое взаимодействие и когда оно происходит?

В квантовой механике результатом взаимодействия является запутанность, которая является появлением неклассических корреляций в системе. Представьте себе две частицы, созданные независимо в далеких галактиках. Казалось бы, необходимым условием возникновения запутанности является требование, чтобы в какой-то момент их эволюции частицы коснулись друг друга или, по крайней мере, чтобы косвенный контакт происходил через другую частицу или физическое поле для передачи взаимодействия.

Как еще они могут установить таинственную связь квантовой запутанности? Как это ни парадоксально, однако оказывается, что это возможно. Квантовая механика позволяет запутыванию происходить без какого-либо контакта, даже косвенного.

Для обоснования такого удивительного вывода требуется схема, в которой частицы демонстрируют нелокальные корреляции на расстоянии. Тонкость этого подхода заключается в том, чтобы исключить возможность взаимодействия, понимаемого как некоторая форма контакта на этом пути.

Такая схема также должна быть простой, поэтому она должна исключать присутствие носителей силы, которые могут опосредовать это взаимодействие, включая физическое поле или промежуточные частицы.

Блазяк и Маркевич показали, как это можно сделать, исходя из первоначальных соображений Юрка и Стелера, которые они интерпретировали как перестановку путей, пройденных частицами из разных источников. Эта новая перспектива позволяет генерировать любые запутанные состояния двух и трех частиц, избегая любого контакта. Предлагаемый подход может быть легко распространен на большее количество частиц.

Как можно запутать независимые частицы на расстоянии без их взаимодействия? Один намек подсказывает сама квантовая механика, в которой тождество — фундаментальная неразличимость всех частиц одного вида — постулируется. Это означает, например, что все фотоны (а также другие семейства элементарных частиц) во всей вселенной одинаковы, независимо от расстояния между ними. С формальной точки зрения это сводится к симметризации волновой функции для бозонов или ее антисимметризации для фермионов.

Эффекты идентичности частиц обычно связаны с их статистикой, имеющей последствия для описания взаимодействующих многочастичных систем (таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна). В случае более простых систем прямым результатом идентичности частиц является принцип исключения Паули для фермионов или группирование в квантовой оптике для бозонов.

Общей чертой всех этих эффектов является контакт частиц в одной точке пространства, что следует простой интуиции взаимодействия (например, в теории частиц это сводится к вершинам взаимодействия). Отсюда и убеждение, что последствия симметризации можно наблюдать только таким образом. Однако взаимодействие по самой своей природе вызывает запутывание. Следовательно, неясно, что вызывает наблюдаемые эффекты и неклассические корреляции: это взаимодействие само по себе или это неотъемлемая неразличимость частиц?

Схема, предложенная учеными, обходит эту трудность, устраняя взаимодействие, которое может происходить при любом контакте. Отсюда вывод о том, что неклассические корреляции являются прямым следствием постулата идентичности частиц. Отсюда следует, что существует способ активировать запутывание из их фундаментальной неразличимости.

Этот тип представления, начиная с вопросов об основах квантовой механики, может быть практически применен для генерации запутанных состояний для квантовых технологий. В статье показано, как создать любое запутанное состояние двух и трех кубитов, и эти идеи уже реализованы экспериментально.

Представляется, что рассмотренные схемы могут быть успешно расширены для создания любых запутанных многочастичных состояний. В рамках дальнейших исследований ученые намерены подробно проанализировать постулат об идентичных частицах, как с точки зрения теоретической интерпретации, так и практического применения.

Удивительно, но постулат о неразличимости частиц является не только формальной математической процедурой, но и в чистом виде приводит к последствиям, наблюдаемым в лабораториях. Присуща ли нелокальность всем идентичным частицам во Вселенной? Фотон, испускаемый экраном монитора, и фотон из далекой галактики в глубинах вселенной, похоже, запутаны только своей одинаковой природой. Это великая тайна, с которой скоро столкнется наука.

Pawel Blasiak et al, Entangling three qubits without ever touching, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-55137-3