Забудьте про кота Шредингера: в новом квантовом парадоксе замешаны голуби

В этом месяце в Трудах Национальной академии наук (PNAS) появилось исследование, в котором было представлено новое квантовое явление. Авторы назвали его «принципом квантовых голубей и ящиков». До этого открытия этот принцип был широко известен в традиционной науке как «принцип голубей и ящиков» (в английском языке), или как принцип Дирихле.

Согласно принципу, если вы поместите трех голубей в две ячейки, то как минимум два голубя должны оказаться в одной ячейке. Это очевидный и фундаментальный принцип природы, самые основы комбинаторики. Исследование, проведенное членами Института квантовых исследований (IQS) при Университете Чепмена, нарушает этот принцип. Оно демонстрирует, что можно поместить сколь угодно большое число частиц в две коробки, и никакие две частицы не будут в одной коробке.

«Это открытие указывает на очень интересную структуру квантовой механики, которая ранее была незамеченной, — говорит Якир Ааронов, доктор науки и содиректор IQS. — Оно вынуждает нас пересмотреть самые базовые понятия природы».

В работе под названием «Квантовое нарушение принципа голубей и ящиков и природы квантовых корреляций» обсуждает несколько возможных экспериментов, исследующих возможности природы взаимодействия частиц. Работа также вводит множество дополнительных новых данных, которые обнаружили ученые, исследующие сопряженные квантовые эффекты. В документе также ставятся под вопрос некоторые фундаментальные понятия, включая отделимость и корреляции.

«Пока слишком рано говорить обо всех последствиях этого исследования, — говорит Джефф Толлаксен, доктор наук, соавтор работы в PNAS и содиректор IQS. — Но мы чувствуем, что они должны быть ощутимы, ведь мы имеем дело с фундаментальными принципами». К слову, о возможных нарушениях в принципе голубей и ящиков ученые заговорили еще в 2014 году. С тех пор работа не прекращалась.

Какие могут быть последствия? Например: законы квантового мира подразумевают, что вещи могут быть в разных местах одновременно. Таким образом, одна частица может быть в обеих коробках одновременно, но только когда вы на нее не «смотрите». Как только вы посмотрите и станете наблюдателем частицы, она будет вынуждена оказаться в одной или другой коробке.

«Но если ваш единственный инструмент это молоток, вы склонны рассматривать все как гвоздь, — говорит Толлаксен. — Проблема в том, что такие молотоподобные измерения обычно не особо полезны в выяснении того, как квантовый мир связывает будущее с настоящим деликатным и важным образом».

Ааронов и его команда двадцать лет работали над новыми типами мягких «слабых измерений», которые могли бы увидеть эти связи, — «словно вы мягко трогаете пальцем, а не бьете по ящику молотком, вынуждая каждого голубя оказываться в своем ящике», говорит Толлаксен.

Все эти странные принципы очень и очень влияют на наше понимание самого, наверное, экзотического аспекта природы: нелокальности — теории о том, что частицы, разделенные огромными расстояниями, даже на противоположных концах Вселенной, связаны и могут влиять на поведение друг друга. «Нелокальность считается самым невероятным открытием науки и является ресурсом для будущих технологий», говорит Толлаксен.