Физики рассказали о новом квантовом парадоксе

Как минимум одно из трех фундаментальных предположений о нашем мире — неверно.



Принципы квантовой физики практически идеально подходят для предсказания и описания поведения атомов и субатомных частиц. Но применение квантовой теории к объектам куда большим, чем атомы к наблюдателям — например, к наблюдателям, производящим измерения, — вызывает много сложных концептуальных вопросов. В новой статье, опубликованной в Nature Physics, группа австралийских исследователей описывает парадокс, связанный с подобным масштабированием.
«Этот парадокс означает, что если квантовая теория работает для описания [поведения] наблюдателей, то ученым придется отказаться от одного из трех устоявшихся предположений», — объясняет один из авторов работы Эрик Кавальканти. Первое из этих предположений заключается в том, что наблюдаемый результат измерения является единственным реальным событием, и не существует никаких иных вариантов данного события в «альтернативных вселенных».
Второе предположение состоит в том, что экспериментальные установки могут быть выбраны свободно и без каких-либо ограничений, что позволяет ученым проводить рандомизированные испытания. А последнее предположение — в том, что, как только такой свободный выбор установки сделан, его влияние не может распространяться во Вселенную быстрее скорости света. «Каждое из этих фундаментальных предположений кажется вполне разумным <…>. Но мы показали, что как минимум одно из этих распространенных убеждений должно быть неправильным, — заключает Кавальканти. — Отказ от любого из них имеет далекоидущие последствия для нашего понимания мира».
Исследователи пришли к этому парадоксу, проанализировав сценарий со вполне разделенными квантово запутанными частицами в сочетании с «квантовым наблюдателем» — системой, которую можно модифицировать и измерять извне, но которая при этом сама может производить измерения квантовых частиц. Основываясь на трех фундаментальных предположениях, ученые математически определили пределы того, какие экспериментальные результаты возможны в этом сценарии. Но, будучи примененной к наблюдателям, квантовая теория предсказывает результаты, которые нарушают эти самые пределы.

Схема экспериментальной установки, использованной в ходе экспериментов / Wiseman, Cavalcanti, Tischler et al., Nature Physics, 2020
В дальнейшем ученые планируют модифицировать свой экспериментальный сценарий для окончательного подтверждения парадокса. «У нашего «наблюдателя» был, так сказать, очень маленький мозг. У него всего два состояния памяти, которые реализуются как два разных пути для фотона», — говорит соавтор работы Нора Тишлер.
«Эксперимент нашей мечты — это опыт, в котором квантовый наблюдатель представляет собой программу искусственного интеллекта уровня, сравнимого с человеком, работающую на мощном квантовом компьютере, — добавляет руководитель исследований Говард Вайзман. — Уже давно ясно, что квантовые компьютеры революционизируют нашу способность решать сложные вычислительные задачи. Чего мы не осознавали, пока не начали это исследование, так это того, что они могут помочь в решении сложных философских проблем: природы физического и ментального мира, а также их взаимодействий».
Ранее мы сообщали о том, что американские ученые нашли способ сделать квантовые состояния длительнее в десять тысяч раз, а один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков.