Физики нащупали «дно» реальности: 37-мерный свет ломает классическую логику всего за три шага

В физике существует понятие «реализм». Это философская и научная установка, согласно которой физические величины имеют определенные значения до того, как мы их измерим. Спидометр показывает скорость автомобиля не потому, что он ее создает, а потому, что автомобиль уже двигался с этой скоростью. Однако квантовая механика ставит этот принцип под сомнение с помощью феномена, называемого контекстуальностью.

Суть контекстуальности в том, что результат измерения зависит не только от состояния системы, но и от того, какие еще измерения проводятся одновременно с ним (то есть от контекста). Долгое время считалось, что для демонстрации полного, стопроцентного противоречия между классическим реализмом и квантовой механикой требуются сложные экспериментальные установки с минимум четырьмя различными наборами условий.

Группа исследователей из Китайского университета науки и технологий (USTC) в сотрудничестве с теоретиками из Германии и Испании переписала эти правила. В работе, опубликованной в журнале Science Advances, они теоретически доказали и экспериментально подтвердили, что этот порог ниже, чем считалось. Им удалось реализовать парадокс, ломающий классическую логику, используя всего три контекста. Это абсолютный математический минимум: построить подобное противоречие с двумя контекстами невозможно в принципе.

Проблема: детерминированный сбой системы

Сначала разделим два вида квантовых противоречий.

Первый вид — вероятностный. Самый известный пример здесь — нарушение неравенств Белла. В таких экспериментах физики накапливают статистику тысяч измерений и видят, что корреляция событий превышает предел, допустимый для классических объектов (например, 85% совпадений вместо классического максимума в 75%). Это убедительно, но оставляет лазейку для скептиков, указывающих на несовершенство детекторов или статистические погрешности.

Второй вид — логический, или детерминированный. Это так называемые парадоксы типа Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ). Здесь речь идет не о процентах, а о жестком правиле «да/нет». Для определенного набора измерений любая классическая теория со скрытыми параметрами предсказывает, что событие невозможно (вероятность 0). Квантовая механика для той же системы предсказывает, что событие произойдет обязательно (вероятность 1).

Именно парадокс GHZ считается лакмусом проверки квантовой теории, так как он демонстрирует конфликт в самой структуре логических утверждений. Физики десятилетиями искали самую компактную форму этого парадокса. Чем меньше контекстов (наборов совместимых измерений) требуется для выявления противоречия, тем фундаментальнее нарушение и тем ценнее такая система как ресурс для квантовых вычислений.

Предыдущий теоретический минимум составлял четыре контекста. Авторы новой работы использовали теорию графов, чтобы доказать: существует класс состояний и измерений, где достаточно всего трех шагов, чтобы завести классическую логику в тупик.

Теоретическое решение: граф эксклюзивности

Для поиска минимального парадокса исследователи применили метод графов эксклюзивности. В этой математической модели события (результаты измерений) представляются вершинами графа, а линии (ребра) соединяют те события, которые не могут произойти одновременно.

Задача сводилась к поиску такой геометрической структуры, которая удовлетворяла бы набору жестких критериев:

1. Граф должен быть трехцветным (что соответствует трем контекстам).
2. Его характеристики (число Ловаса и число независимости) должны создавать разрыв между классическим и квантовым предсказаниями.

Перебрав множество структур, ученые обнаружили, что искомым свойствам удовлетворяет граф Перкеля. Это сложная математическая конструкция, обладающая высокой симметрией. На ее основе была построена система уравнений, где квантовая теория дает решение, а классическая — нет.

Однако теоретическое доказательство требовало экспериментальной проверки. И здесь возникла инженерная сложность: структура парадокса на основе графа Перкеля требует работы в 37-мерном гильбертовом пространстве. Для сравнения: привычные кубиты живут в двумерном пространстве (0 и 1). Чтобы реализовать 37 измерений, стандартные методы создания многочастичных запутанных состояний не подходят — они слишком шумные и нестабильные.

Инженерное решение: оптический процессор во временной области

Вместо того чтобы пытаться запутать 37 отдельных фотонов, группа под руководством Гуан-Цан Го (Guang-Can Guo) пошла по пути временнóго мультиплексирования. Они закодировали сложное 37-мерное состояние в одном-единственном луче света, используя время прихода импульсов.

Механика эксперимента выглядит следующим образом:

1. Кодирование высокой размерности. Лазер генерирует последовательность световых импульсов. Информация содержится не в поляризации или цвете, а в том, в каком именно временном слоте находится фотон и какая у него фаза. Набор из нескольких последовательных импульсов образует единый «кудит» — квантовый объект с множеством состояний. В данном случае их было достаточно, чтобы покрыть требуемую размерность 37.

2. Операция свертки. Чтобы провести измерение, необходимо заставить разные временные компоненты состояния взаимодействовать друг с другом. Для этого инженеры создали волоконно-оптическую петлю определенной длины. Импульс света заходит в петлю, делает круг и возвращается в основной канал ровно в тот момент, когда туда подходит следующий импульс. Происходит интерференция: прошлое состояние накладывается на настоящее. С математической точки зрения это реализует операцию свертки — сложного преобразования, смешивающего амплитуды вероятностей разных компонентов квантового состояния.

3. Гомодинное детектирование. Финальный этап — считывание результата. Ученые использовали балансный гомодинный детектор. Это устройство смешивает входящий слабый сигнал с мощным опорным лазерным лучом (локальным осциллятором). Метод позволяет измерить не просто наличие фотона, а квадратуры электромагнитного поля (аналоги положения и импульса), извлекая полную информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала.

Эта установка фактически представляет собой специализированный фотонный процессор, способный выполнять матричные операции высокой размерности с исключительной точностью.

Результаты: классика опровергнута

Экспериментальные данные полностью подтвердили теоретическую модель. Физики провели серию измерений, соответствующих трем контекстам, предсказанным на основе графа Перкеля.

Результат был однозначным:

• Согласно любой неконтекстуальной теории скрытых параметров (классический реализм), вероятность наблюдаемой комбинации событий должна быть равна нулю.
• Квантовая теория предсказывала вероятность, близкую к единице.
• Реальные измерения показали практически полное совпадение с квантовым прогнозом. Статистическая значимость нарушения классического предела превысила 8 стандартных отклонений, что в физике частиц считается гарантированным открытием (стандартом является 5 отклонений).

Также эксперимент показал, что созданная система обладает высокой точностью управления: ошибки фазы при обработке 37-мерного состояния не превышали нескольких градусов, что критически важно для надежности результата.

Значение для науки и технологий

Публикация в Science Advances фиксирует новый стандарт в понимании квантовых основ реальности.

1. Фундаментальный предел. Работа ставит точку в споре о минимальной сложности парадокса GHZ. Мы теперь знаем, что «число три» является константой для этого типа квантовых корреляций. Это углубляет понимание того, как именно квантовая механика расходится с классической интуицией. Сложнее структуру делать можно, проще — запрещено законами математики.

2. Ресурс для квантовых вычислений. Контекстуальность в современной квантовой информатике рассматривается не просто как вычислительный ресурс. Именно она позволяет квантовым компьютерам решать задачи быстрее классических. Нахождение минимальной формы парадокса GHZ означает, что мы нашли наиболее концентрированную форму этого ресурса. Это может привести к созданию более эффективных алгоритмов коррекции ошибок и протоколов квантовой криптографии.

3. Новая архитектура процессоров. Экспериментальная часть работы не менее важна, чем теоретическая. Ученые показали, что сложные многомерные вычисления можно проводить без создания громоздких чипов с тысячами элементов. Использование временнóго кодирования и волоконных петель позволяет обрабатывать огромные массивы квантовых данных, используя стандартное телекоммуникационное оборудование. Это открывает путь к созданию масштабируемых фотонных квантовых симуляторов, работающих при комнатной температуре.

В сухом остатке исследование USTC демонстрирует: наш мир не просто странный, он странный максимально эффективным способом. Реальность отказывается подчиняться правилам классической логики, и для доказательства этого ей требуется всего три шага.

Источник:Science Advances