Прошлое и будущее могут не иметь строгой последовательности — подтверждает новый квантовый эксперимент

В основе классической физики и нашего повседневного восприятия мира лежит строгая концепция причинности. События всегда разворачиваются в определенной хронологической последовательности: причина неизбежно предшествует следствию, а прошлое влияет на будущее. В рамках классической механики невозможно представить ситуацию, при которой два события влияют друг на друга взаимоисключающим образом. Однако квантовая теория предлагает совершенно иную модель реальности, в которой строгий порядок действий перестает быть обязательным правилом.

Квантовая механика оперирует понятием суперпозиции — состояния, при котором физическая система может находиться в нескольких взаимоисключающих состояниях одновременно до момента измерения. Если применить этот принцип не к координатам частицы или ее энергии, а к самой последовательности событий, возникает явление, называемое неопределенным причинно-следственным порядком. В таком режиме физический процесс протекает так, что операция А выполняется перед операцией Б, и одновременно операция Б выполняется перед операцией А.

Долгие годы эта концепция оставалась предметом сложных математических расчетов. Но недавно группа исследователей из Венского университета опубликовала результаты эксперимента, в котором они сделали критически важный шаг к окончательному, аппаратно-независимому подтверждению этого феномена. Физики не просто создали систему с нарушенной причинностью, но и протестировали ее с помощью математического протокола, исключающего любые ошибки в настройке самого оборудования.

Квантовый переключатель и проблема доверия к оборудованию

Для лабораторного изучения неопределенного причинно-следственного порядка ученые используют устройство, получившее название «квантовый переключатель». В классической вычислительной системе сигнал проходит через логические вентили строго один за другим. В квантовом переключателе порядок прохождения базовой частицы через два физических затвора определяется не жестко заданной схемой, а состоянием другой, управляющей квантовой частицы.

Если управляющая частица находится в состоянии суперпозиции, базовая частица проходит через систему по обоим возможным маршрутам одновременно. В результате внутри устройства стирается грань между понятиями «сначала» и «потом».

Несмотря на то что подобные квантовые переключатели уже создавались в лабораториях ранее, все предыдущие эксперименты имели одно существенное ограничение. Они базировались на так называемом аппаратно-зависимом подходе. Это означает, что для подтверждения эффекта физикам приходилось полностью доверять своим измерительным приборам. Ученые делали математические допущения о том, как именно генерируются фотоны, как они проходят через оптические элементы и с какой вероятностью их фиксируют детекторы.

В строгой науке такой подход оставляет пространство для сомнений. Любая неточность в теоретическом описании лазера или детектора может привести к тому, что исследователи увидят аномалию там, где ее нет. Скептики могли утверждать, что кажущееся нарушение причинности — это лишь результат сложного и не до конца изученного поведения самого оборудования.

Чтобы исключить любые сомнения, физикам требовался аппаратно-независимый протокол. В таком протоколе измерительная установка рассматривается как «черный ящик». Исследователей не интересует, как работают внутренние механизмы приборов. Они анализируют исключительно статистику входящих команд и исходящих результатов. Если итоговая статистика нарушает строгие математические пределы, установленные для классических систем, это служит неоспоримым доказательством того, что внутри «черного ящика» действуют законы квантовой механики.

Математический протокол VBC и механика эксперимента

В качестве такого строгого критерия в новом исследовании было использовано математическое неравенство VBC (названное по начальным буквам фамилий его создателей: van der Lugt, Barret, Chiribella). Это уравнение устанавливает жесткую границу для корреляций в любой системе, где соблюдается классическая причинность.

В протоколе VBC участвуют четыре независимые измерительные станции, которые условно называют Алиса 1, Алиса 2, Боб и Чарли. В ходе эксперимента каждая станция получает квантовые частицы, применяет к ним определенные настройки измерений и фиксирует результаты.

Суть неравенства заключается в следующем: если Вселенная строго подчиняется законам последовательного времени (где Алиса 1 всегда действует до Алисы 2, или наоборот), статистическая связь между результатами всех четырех станций никогда не превысит математический предел, равный числу 1.75. Никакие скрытые переменные или неизвестные классические силы не способны заставить систему преодолеть этот барьер. Единственный способ получить значение выше 1.75 — создать систему, в которой порядок действий Алисы 1 и Алисы 2 действительно находится в квантовой суперпозиции.

Венские физики реализовали этот протокол на сложной оптической установке. В качестве носителей информации использовались одиночные фотоны инфракрасного диапазона.

Сначала источник генерировал пару квантово запутанных фотонов. Первый фотон сразу отправлялся на станцию Боба, где детекторы измеряли его поляризацию. Второй фотон направлялся в квантовый переключатель. На входе в переключатель поляризация второго фотона трансформировалась во временное кодирование — фотон переводился в состояние, при котором он существует в суперпозиции «раннего» и «позднего» времени прибытия.

Эта временная суперпозиция выступала в роли контроллера для станций Алиса 1 и Алиса 2, расположенных внутри переключателя. В зависимости от состояния контроллера, Алисы проводили измерения поляризации базового фотона в прямом или обратном порядке. После того как фотон покидал оптическую петлю переключателя, он попадал на станцию Чарли, где происходило финальное измерение его характеристик.

Результаты: преодоление предела причинности

Собрав массив данных о совпадениях сигналов со всех детекторов, исследователи вычислили значение неравенства VBC. Итоговый результат составил 1.8328 (с погрешностью +-0.0045).

Это значение превышает классический предел (1.75) на 18 стандартных отклонений. В физике частиц и квантовой механике такое отклонение считается абсолютным статистическим доказательством. Полученная цифра означает, что Алиса 1 и Алиса 2 успешно передавали друг другу информацию в обоих хронологических направлениях одновременно, в то время как фотоны Боба и Чарли сохраняли квантовую запутанность на расстоянии. Установка функционировала без фиксированного порядка событий.

Чтобы подтвердить, что высокий результат обусловлен исключительно квантовыми эффектами, физики провели дополнительную серию тестов. Они намеренно вносили в оптическую систему деполяризующий шум, который постепенно уничтожал квантовую когерентность фотонов. В ходе этого процесса исследователи наблюдали, как по мере нарастания помех итоговое значение корреляций плавно опускалось ниже предела в 1.75. Как только квантовая суперпозиция разрушалась шумом, система неизбежно возвращалась к классическому, строго последовательному причинно-следственному порядку.

Открытые уязвимости и требования к будущим тестам

Несмотря на чистоту математического результата, авторы исследования строго отмечают, что их работа является фундаментальной демонстрацией принципа, но пока не закрывает все экспериментальные уязвимости. В физике такие уязвимости называют «лазейками». До тех пор, пока они не устранены, остается теоретическая вероятность того, что результаты могут быть объяснены классическими эффектами, а не квантовой механикой.

В данном эксперименте присутствуют две основные лазейки. Первая — лазейка справедливой выборки. Из-за того, что фотоны проходят через множество оптических элементов, делителей луча и фильтров, до финальных детекторов доходит лишь около 1% изначально сгенерированных частиц. Текущий протокол предполагает, что этот 1% фотонов точно отражает поведение всех остальных частиц. Однако для абсолютно безупречного доказательства необходимо повысить эффективность детектирования до уровня, исключающего статистические искажения.

Вторая проблема — лазейка локальности. Все измерительные станции (Боб, Чарли и квантовый переключатель с Алисами) располагались на одном оптическом столе на расстоянии менее одного метра друг от друга. При таких малых расстояниях сохраняется физическая возможность того, что один прибор мог передать скрытый световой сигнал другому прибору до завершения измерений. Чтобы полностью устранить лазейку локальности, в будущих экспериментах потребуется использовать сверхбыстрые генераторы случайных чисел и разнести станции на сотни метров, синхронизировав их работу с точностью до наносекунд.

Практическое и фундаментальное значение

Успешная проверка аппаратно-независимого протокола полезна не только для теоретической физики, но и для инженерных разработок. Концепция неопределенного причинно-следственного порядка рассматривается как один из ключевых ресурсов для вычислительных систем следующего поколения.

Математические модели показывают, что квантовые компьютеры, способные выполнять операции без фиксированной последовательности, могут решать определенные классы алгоритмических задач с экспоненциально меньшим числом шагов. Кроме того, системы, подобные квантовому переключателю, теоретически способны передавать информацию по каналам связи с таким высоким уровнем теплового шума, через которые классическая последовательная передача данных попросту невозможна.

С фундаментальной точки зрения подтверждение реальности ICO предоставляет физикам новый инструмент для понимания структуры мироздания. В общей теории относительности Эйнштейна время неразрывно связано с пространством и гравитацией, представляя собой жесткую геометрию. В квантовой механике, как доказывает данный эксперимент, время может находиться в суперпозиции. Дальнейшее изучение того, как именно квантовые частицы обходят строгую хронологию, является необходимым шагом к созданию единой теории квантовой гравитации, которая должна окончательно объединить два главных раздела современной физики.

Источник:PRX Quantum