Есть ли физика «после» квантов? Расчеты физиков намекает на миры за квантовой гранью

26 мар 2025, 22:54

Квантовая механика — штука поразительная, согласитесь? Чего стоит одна только запутанность: две частицы, связанные невидимой нитью, чувствуют друг друга на любом расстоянии. Мгновенно! Звучит почти как магия. Но вот что интересно: похоже, даже у этой квантовой «магии» есть свои пределы. Исследователи недавно нащупали некую границу, за которой привычные нам квантовые законы могут перестать работать. А что там, за этой чертой? Может быть, что-то ещё более странное?

Представьте, что вы пытаетесь понять правила очень необычной игры, наблюдая за ней со стороны. Физики делают нечто похожее с квантовым миром. Чтобы проверить, действительно ли две частицы «запутаны», они проводят так называемые тесты Белла. Это серия измерений, позволяющих увидеть, в каких состояниях система бывает и как часто. Результат — это своего рода «карта вероятностей». Она показывает, насколько вероятно застать систему в том или ином виде. Похоже на прогноз погоды: 70% вероятности дождя, 30% - солнца. Только тут речь о квантовых состояниях, вроде «0» или «1» у кубита — строительного блока квантового компьютера.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Долгое время ученые пытались очертить весь набор таких «карт», которые в принципе возможны в рамках квантовой теории. Это как понять все допустимые ходы в нашей загадочной игре. Но задачка оказалась не из легких, особенно для сложных систем.

Играя с правилами: новый взгляд на квантовые вероятности?

И вот тут Жан-Даниэль Банкаль и Виктор Баризьен из Университета Париж-Сакле придумали довольно изящный ход. Обычно физики смотрят на устройство и пытаются рассчитать, какими будут вероятности его состояний. А эти двое пошли с другого конца: они задались вопросом, какие вообще «карты вероятностей» могут соответствовать какой-либо физической квантовой системе, состоящей из двух простых элементов (вроде кубитов).

Им удалось найти математическую связь между случаями, когда частицы запутаны лишь частично, и когда они запутаны максимально сильно. Это позволило использовать уже имеющиеся расчеты для самого «сильного» случая и расширить их на все остальные. Сами исследователи говорят, что это было похоже на сборку сложной мозаики из идей коллег, математических теорем и собственных догадок. И, честно говоря, у них получилось! Они смогли точно описать границу допустимого для квантовых систем.

Квантовые измерения двухчастной системы приводят к исходам, которые подчиняются набору распределений вероятностей, зависящих от квантового состояния ρ_AB и от операторов измерения A_x, B_y, согласно правилу Борна. Здесь мы рассматриваем множество Q всех распределений вероятностей, которые могут быть получены в рамках квантовой теории в известном сценарии Клаузера-Хорна-Шимони-Хольта (CHSH), где обе стороны могут выбирать между двумя возможными настройками измерения, т. е. x, y = 0, 1, и где исходы измерений a, b = +-1 являются бинарными. Это включает все измерения для всех возможных квантовых состояний. Определяя все экстремальные квантовые поведения, мы получаем описание квантовой теории в данных условиях. arXiv:2406.09350 [quant-ph]
Автор: Victor Barizien, Jean-Daniel Bancal Источник: arxiv.org

Зачем нам знать границы? Практическая сторона медали

«Ну, описали и описали, что с того?» — спросите вы. А дело вот в чем. Понимание этих границ может быть очень кстати для развития квантовых технологий. Например, для квантовой связи или квантовых вычислений.

Представьте, у вас есть некое квантовое устройство. Как убедиться, что оно работает правильно, именно так, как задумано, и не делает чего-то лишнего? Особенно если производитель не раскрывает всех деталей «начинки»? Новое исследование дает инструменты для проверки. Измеряя свойства устройства и анализируя, как они связаны (те самые корреляции), можно понять, укладывается ли его поведение в рамки квантовой теории. Если да — хорошо. Если нет — это повод задуматься. Как говорит Мартин Плеш из Словацкой академии наук, такие результаты делают тесты устройств более строгими. Нам не обязательно слепо верить производителю, мы можем сами проверить, «что оно делает».

Геометрическое представление реализаций, приводящих к экстремальным точкам квантового множества в сценарии CHSH. С точностью до локальных изометрий и переобозначений, эти реализации соответствуют измерениям над частично запутанным двухкубитным состоянием |ϕ_θ⟩, происходящим в плоскости (σ_z, σ_x) и удовлетворяющим условию полного чередования. Если начальные углы измерения чередуются, т. е. удовлетворяют 0 ≤ a₀ ≤ b₀ ≤ a₁ ≤ b₁ < π, то соответствующие точки являются экстремальными для всех параметров запутанности θ в [θ_min, π/4], где пороговое значение запутанности задается как θ_min = max{θ ≤ π/4 т.ч. ã_x = b_y}. Таким образом, для θ = π/4, точка является экстремальной. Для θ_min < θ < π/4, оранжевые области и черные стрелки все еще чередуются, поэтому точка является экстремальной. Для θ = θ_min, точка все еще экстремальна, но не является обнаженной (non-exposed) в Q. Наконец, для θ < θ_min, черная стрелка B₀ находится внутри оранжевой области: свойство полного чередования нарушается, и точка допускает разложение. arXiv:2406.09350 [quant-ph]
Автор: Victor Barizien, Jean-Daniel Bancal Источник: arxiv.org

Заглядывая за занавес: наш мир строго квантовый?

Но есть и более глубокий, почти философский вопрос. Математики нашли «карты вероятностей», которые лежат за пределами того, что допускает стандартная квантовая механика. Некоторые из них явно невозможны в нашей Вселенной, так как нарушают фундаментальные принципы, например, причинность (следствие не может быть раньше причины). Но другие… другие вроде бы ничему не противоречат.

И вот тут возникает главная интрига: а вдруг наш мир не полностью квантовый? Что, если существуют явления, которые выходят за очерченную границу, но при этом не ломают базовых законов физики? Пока что у нас нет ни строгой теории «постквантового» мира, ни экспериментов, которые бы его обнаружили. Мы все еще находимся по эту сторону рубежа.

Но теперь у нас есть своего рода математическая карта, показывающая, где этот рубеж проходит. Если когда-нибудь какой-то эксперимент выдаст результаты, лежащие «по ту сторону», именно работа Банкаля и Баризьена поможет нам понять: мы только что заглянули за пределы известной нам квантовой физики.

Пока этот вопрос остается открытым. Захватывающе, не правда ли? Наука ведь тем и интересна, что постоянно исследует границы известного и задает вопросы о том, что может лежать за ними. И кто знает, какие еще сюрпризы готовит нам этот странный и удивительный квантовый мир… или то, что находится за его чертой.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник