Квантовый компьютер доказал, что волновая функция реальна: как физики протестировали сами основы мироздания

Когда физики используют волновую функцию для описания частицы, что именно они описывают? Это описание настоящей физической системы, такой же реальной, как, например, стол? Или это только наше неполное знание о какой-то более глубокой, скрытой действительности?

От ответа зависит, как мы понимаем устройство всего сущего. Недавно физики из Кембриджского университета выполнили опыт на квантовом процессоре IBM. Этот опыт дает один из самых весомых на сегодня доводов в споре.

Два мнения о волновой функции

И так, в чем разница между двумя идеями?

Первая точка зрения называется ψ-онтической. Она говорит, что волновая функция (ψ) — это прямое описание физической действительности. Если две квантовые системы имеют разные волновые функции, значит, они физически разные.

Вторая точка зрения — ψ-эпистемическая. Ее сторонники думают, что волновая функция — это только то, что мы знаем о системе. За ней скрывается какой-то более основной уровень, состоящий из скрытых переменных. С этой позиции, разные волновые функции могут указывать на одно и то же реальное физическое состояние. Мы просто не имеем полной информации.

Как это можно проверить?

Теорема PBR: логическая ловушка для скрытой действительности

В 2012 году физики Пьюси, Барретт и Рудольф (PBR) придумали мысленный эксперимент, показывающий, что эпистемическая точка зрения неверна

Вот его логика в упрощенном виде:

1. Сделаем допущение. Представим на минуту, что эпистемическая картина верна. Это означает, что области описания разных квантовых состояний могут перекрываться. То есть, одно и то же базовое состояние со скрытыми переменными может при подготовке эксперимента проявиться как одно из нескольких различных квантовых состояний.
2. Проведем специальное измерение. Теорема PBR предлагает подготовить несколько квантовых систем (например, кубитов) в определенных состояниях. Затем проводится совместное измерение, результат которого, согласно стандартной квантовой механике, для одной из комбинаций входных состояний строго запрещен. Вероятность такого исхода — ноль.
3. Ловушка работает. А теперь вернемся к нашему допущению. Если эпистемическая модель верна и состояния перекрываются, то существует ненулевая вероятность того, что все подготовленные системы на самом деле находятся в одном и том же базовом состоянии. И это перекрытие делает тот самый запрещенный исход уже не запрещенным, а просто маловероятным.

Если провести эксперимент и ни разу не увидеть запрещенного результата, значит, предположение о перекрытии неверно. А если неверно оно, то рушится и вся эпистемическая гипотеза.

Что бывает, когда теория сталкивается с шумным оборудованием?

Теория — это одно. Но как выполнить такой точный тест на реальном квантовом компьютере, который имеет погрешности? Любое устройство создает шум. Кубиты теряют свои свойства, делают ошибки, измерения бывают неточными. В этих условиях вероятность невозможного исхода никогда не будет нулевой. Она всегда будет чуть выше из-за сбоев аппаратуры.

Именно в этом суть новой работы. Ученые не только запустили протокол PBR на 156-кубитном процессоре IBM, но и рассчитали теоретический предел шума.

Этот предел — это линия, которая отделяет обычные ошибки аппаратуры от того эффекта, который они искали. Идея такая:

• Если наблюдаемая частота запрещенных событий ниже этой рассчитанной границы, значит, их можно списать на аппаратный шум. Эксперимент подтверждает предсказания квантовой механики и опровергает эпистемическую модель.
• Если же частота ошибок превышает границу, тест считается проваленным. Результаты неубедительны — мы не можем отличить фундаментальное явление от просто плохой работы процессора.

Итог: что показали кубиты?

Ученые провели тесты на группах из двух и пяти кубитов. Кубиты располагались как близко, так и далеко друг от друга на чипе.

Для соседних кубитов, где связь прямая и уровень шума низкий, опыт прошел удачно в большинстве попыток. Частота невозможных событий была намного ниже теоретического предела. Это сильный довод в пользу ψ-онтической картины. Данные показывают, что волновая функция — это физическая действительность.

Но что случилось, когда кубиты находились далеко друг от друга на чипе? Чтобы их связать, компьютер делает дополнительные операции, которые добавляют много шума. И здесь все изменилось. С увеличением расстояния частота ошибок росла. Для самых далеких пар она стала больше допустимого предела, и тест не был пройден.

Это показывает, что тест PBR оказался очень чувствительным показателем качества квантового железа. Кроме того, что он отвечает на философский вопрос, так еще и работает как хороший инструмент для проверки того, как хорошо процессор сохраняет квантовые состояния.

Какой же окончательный вывод? Опыт на настоящем оборудовании показал, что идея о квантовом состоянии как о какой-то скрытой действительности не подтвердилась. Данные очень точно показывают, что волновая функция — это прямое описание самой действительности, путь она и кажется нам странной.

Источник: arXiv