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

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.

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.

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.