Квантовый парадокс: физики нашли лазейку в законах природы, позволяющую «брать в долг» у реальности

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Представьте себе волшебный кошелёк. Вы можете взять из него деньги, чтобы провернуть выгодную сделку, но после этого сумма в кошельке останется прежней. Фантастика? В нашем мире — безусловно. А вот в квантовом мире, где законы интуиции перестают работать, подобные «фокусы» оказались не просто возможными, а, как выяснилось, встроенными в саму ткань реальности.

Недавнее исследование физиков из Ганноверского университета имени Лейбница, опубликованное в престижном журнале Nature Physics, проливает свет на одно из самых экзотических явлений квантовой информатики — так называемое «расхищение запутанности». И что самое поразительное, они обнаружили его там, где никто не ожидал — в хорошо известных физических системах, находящихся в критическом состоянии.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Так что же такое «расхищение»?

Чтобы понять суть открытия, нужно сперва разобраться с двумя ключевыми идеями. Первая — это квантовая запутанность. Если упростить, это невидимая связь между двумя или более частицами. Их судьбы становятся единым целым: измерив состояние одной, мы мгновенно узнаём состояние другой, даже если их разделяют световые годы. Эта «жуткая дальнодействующая связь», как называл её Эйнштейн, — ключевой ресурс для квантовых вычислений и защищённой связи.

Вторая идея — это само расхищение (embezzlement). Звучит криминально, но на деле это элегантный процесс. Представьте, что вам нужно провести некую квантовую операцию, но для неё не хватает «топлива» — той самой запутанности. Расхищение позволяет «одолжить» эту запутанность у сторонней, ресурсной системы. Эта система, словно катализатор в химической реакции, помогает процессу состояться, но сама при этом практически не изменяется и не расходуется.

До недавнего времени считалось, что для такого трюка нужна невероятно сложная и экзотическая ресурсная система. А идея об «универсальном расхитителе» — системе, где любое состояние годится для роли такого катализатора — и вовсе казалась уделом чистой теории. Ну не может же в природе существовать настолько «щедрый» источник! Или всё-таки может?

От теории к реальности: где прячутся «расхитители»?

Именно здесь начинается самое интересное. Команда под руководством Александра Штоттмайстера и Хенрика Вильминга решила проверить смелую гипотезу. Ранее они теоретически показали, что расхищение может происходить в релятивистских квантовых полях — очень сложных и абстрактных моделях. Но скептики возражали: может, это просто артефакт теории, а не реальное свойство физического мира?

Тогда учёные обратили свой взор на нечто более приземлённое: одномерные фермионные цепочки. Что это такое?

  • Фермионы — это «кирпичики», из которых состоит вся материя: электроны, протоны, нейтроны.
  • Цепочка — это модель, в которой эти частицы выстроены в один ряд, как бусины на нитке.
  • А самое главное — критическое состояние. Это особое, пограничное состояние системы, точка квантового фазового перехода. Представьте воду при температуре ровно 0 °C: она вот-вот готова стать либо льдом, либо остаться жидкостью. Именно в таких «нерешительных» состояниях материя проявляет самые удивительные свойства.

Исследователи доказали: любая такая фермионная цепочка в критическом состоянии естественным образом становится тем самым «универсальным расхитителем». Ей не нужны особые условия. Эта способность словно встроена в её физическую природу.

«Это охватывает большой набор хорошо известных моделей и показывает, что они обладают гораздо более сильными свойствами запутанности, чем считалось ранее», — подчёркивает Хенрик Вильминг.

Не просто фокус для бесконечности

Один из тонких моментов работы заключался в том, что первоначальные расчёты проводились в так называемом «термодинамическом пределе». Это математический приём, когда система считается бесконечно большой. Удобно для теории, но бесконечных цепочек в реальности не бывает.

Однако физики пошли дальше. Как объясняет соавтор исследования Лауриц ван Лёйк, им удалось показать, что эффект сохраняется, пусть и в приближённой форме, в больших, но конечных системах.

Этот вывод кардинально меняет дело. Он переносит «расхищение запутанности» из мира идеализированных моделей в мир реальных, хоть и микроскопических, объектов, которые потенциально можно создать и изучить в лаборатории. Более того, команда уже работает над конкретными протоколами, описывающими, как именно можно было бы осуществить это расхищение на практике, используя стандартные для квантовой физики операции.

Мы рассматриваем инвариантные по отношению к переносу модели свободных фермионов на одномерной решетке, где энергетические полосы εj(k) являются кусочно-непрерывными функциями волновых чисел k, и по крайней мере одна из энергетических полос является критической, то есть имеет нетривиальную поверхность Ферми, здесь изображенную сплошной зеленой линией. Энергетические полосы, изображенные пунктирной линией пурпурного цвета, не считаются критическими в нашем понимании, поскольку подмножества волновых чисел k, для которых они не являются строго положительными или строго отрицательными, соответственно, состоят только из конечного числа точек: полосы не пересекают энергию Ферми при 0. Цитирование: van Luijk, L., Stottmeister, A. & Wilming, H. Critical fermions are universal embezzlers. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02921-w
Автор: van Luijk, L., Stottmeister, A. & Wilming, H. Источник: www.nature.com
Что дальше? Новые горизонты для квантового мира

Это открытие — не просто решение ещё одной академической загадки. Оно меняет наше представление о фундаментальных свойствах материи. Оказывается, мир на квантовом уровне обладает куда более сложными и мощными внутренними ресурсами, чем мы думали.

Теперь перед учёными открывается целое поле для новых исследований. Сохранится ли этот эффект, если частицы в цепочке начнут активно взаимодействовать друг с другом? Что произойдёт, если в систему добавить элемент случайности, беспорядка? И самый интригующий вопрос: а можно ли организовать «коллективное расхищение», в котором участвуют не две, а три или более стороны?

«Мы показали, что последнее в принципе возможно, — говорит Вильминг, — но пока не нашли естественную физическую модель, которая бы это допускала».

Пока рано говорить о практическом применении в квантовых компьютерах завтрашнего дня. Но работа немецких физиков — это яркий пример того, как фундаментальная наука, движимая чистым любопытством, открывает совершенно новые, неожиданные свойства Вселенной. И кто знает, возможно, эти квантовые «катализаторы» однажды станут ключом к технологиям, которые мы сегодня даже не можем себе представить.

1 комментарий

112657446964720493423@google
«Мы показали, что последнее, в принципе, возможно — говорит Вильминг — но пока не нашли естественную физическую модель, которая бы это допускала» — так можно и о магии сказать ) Правда, не ограничивая «в принципе» запятыми, можно получить утверждение. А утверждать может только батюшка, он сомнений не ведает, в отличии от учёного…

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Парадокс бегемотов: живут в воде, но не умеют плавать

Бегемоты (гиппопотамы) одни из самых внушительных травоядных обитателей африканских водоёмов, находящихся к югу от Сахары. Бегемоты большую часть дня проводят в воде. Несмотря, на распространённое...

Tesla B93 Stereo: бренд с именем, которое вы знаете, но история, о которой мало кто слышал

Слышим «Tesla» — и перед глазами тут же встает угловатый Cybertruck или стремительная Model S Илона Маска. Обычное дело. Но задолго до того, как первый калифорнийский электромобиль...

$1049 за Linux-коробку без эксклюзивов: разбираем, что не так со Steam Machine 2

Кажется, в офисах Valve витает головокружение от успехов. Оглушительный триумф Steam Deck, который в одиночку создал рынок игровых «портативок», убедил компанию, что звёзды наконец-то сошлись. Что...

Главная причина съездить в Петербург этим летом: колоссальный проект Музея Фаберже с картинами Маковских

Маковские - одна из самых известных художественных династий России. Но, хотя занимались творчеством буквально все представители семьи, наиболее известными Маковскими стали все же...

Как люди запоминают тысячи слов, не перегружая мозг: скрытый закон всех языков мира

Каждый день мы произносим тысячи слов, не задумываясь о том, как они устроены. Мы просто извлекаем их из памяти по мере необходимости. Однако если посмотреть на язык как на систему, мы обнаружим...

Тихий океан начал физически расширяться: спутниковый мониторинг зафиксировал начало Эль-Ниньо 2026

Тихий океан занимает треть площади нашей планеты. Процессы, которые происходят в его экваториальной зоне, определяют погоду и климат на огромных территориях — от Австралии до Северной...