Все электроны во Вселенной одинаковы. Физики доказали, что именно поэтому реальность нелокальна

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы. То же самое касается всех фотонов, всех протонов и любых других фундаментальных частиц одного типа. Это фундаментальный закон природы, принцип неразличимости, который лежит в основе квантовой механики.

Из-за своей тождественности системы из нескольких одинаковых частиц описываются волновыми функциями, которые математически выглядят запутанными. Это ставит тонкий вопрос — если мы не можем адресовать частицы по отдельности, как мы можем говорить об их общей запутанности? Является ли это свойство реальным физическим ресурсом или просто формальной особенностью теории?

Новое исследование предлагает ответ. Авторы обходят стороной философские споры об определениях и задают прямой, почти инженерный вопрос: можем ли мы взять систему одинаковых частиц и, используя только самые простые, «классические» оптические инструменты, наблюдать чисто квантовый эффект — нелокальность?

Как отличить квантовый ресурс от классической симуляции?

Чтобы понять суть работы, нужно определить правила игры. С одной стороны — квантовый объект: некоторое начальное состояние N одинаковых частиц, например, фотонов. С другой — инструментарий: пассивная линейная оптика. Это базовый набор любого оптического стола — зеркала, светоделители, фазовращатели. Эти элементы сами по себе не создают квантовых эффектов; они лишь направляют и смешивают потоки частиц.

Эксперимент выглядит так: мы подаем наше начальное состояние частиц в оптическую схему. На выходе из схемы, в разных, пространственно разделенных точках, стоят детекторы. Мы многократно повторяем эксперимент и анализируем статистику срабатывания этих детекторов.

Вопрос звучит так: могут ли корреляции между показаниями удаленных детекторов оказаться необъяснимыми с точки зрения классической физики? Могут ли они нарушить знаменитые неравенства Белла? Если да, то начальное состояние частиц является подлинным нелокальным ресурсом. Если нет, то все наблюдаемые корреляции можно списать на некие «скрытые инструкции», которые частицы несли с собой с самого начала. В таком случае состояние неотличимо от классического.

Этот подход позволяет провести четкую границу. Он не спрашивает «запутано ли состояние?». Он спрашивает: «Можно ли его использовать для демонстрации нелокальности в реальном эксперименте?».

Одна мода или несколько? Вот в чем вопрос

Оказывается, способность системы одинаковых частиц проявлять нелокальность зависит всего от одного критерия. Является ли это состояние одномодовым по своему происхождению?

Что такое мода? В данном контексте это, по сути, определенный путь или состояние, в котором может находиться частица. Одномодовый тип состояния — это такое состояние, которое могло бы быть получено, если бы все N частиц изначально находились в одной-единственной моде, а затем прошли через какую-то пассивную оптическую схему. Грубо говоря, это состояние, которое могло родиться из одного когерентного пучка.

Если же состояние частиц таково, что его невозможно создать из одной исходной моды — оно фундаментально требует нескольких независимых источников — то оно относится к не одномодовому типу.

Вывод исследователей можно сформулировать как теорему:

Состояние идентичных частиц является подлинным нелокальным ресурсом тогда и только тогда, когда оно НЕ относится к одномодовому типу.

Для любого одномодового состояния авторы строят универсальную локальную модель со скрытыми переменными. Это означает, что для любого такого состояния можно построить модель, где частицы ведут себя как классические объекты, несущие скрытые инструкции, которые полностью определяют исход эксперимента. Никакой нелокальности вы никогда не увидите.

И наоборот: для любого состояния, не являющегося одномодовым, авторы показывают, как можно сконструировать оптический эксперимент, который гарантированно продемонстрирует нелокальные корреляции.

Фермионы — бунтари, бозоны — коллективисты

Этот результат становится еще интереснее, если применить его к двум классам частиц, из которых состоит наш мир.

Фермионы (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются принципу запрета Паули. Этот принцип гласит, что два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Они — абсолютные индивидуалисты. Из этого следует прямой вывод: любое состояние, состоящее из двух или более фермионов, никогда не может быть одномодовым. Они просто физически не могут стартовать из одной моды. Следовательно, любое состояние из двух и более фермионов всегда является подлинным нелокальным ресурсом.

Бозоны (фотоны, атомы гелия-4) — полная противоположность. Они социальны и часто находятся в одном состоянии; на этом основан принцип работы лазера. Для бозонов оба сценария возможны. Существует целый класс многочастичных бозонных состояний (те самые, одномодового типа), которые ведут себя классически в рамках пассивной оптики. Но все остальные — а их подавляющее большинство — являются квантовым ресурсом.

Таким образом, фундаментальное свойство статистики частиц напрямую определяет их нелокальный потенциал. Принцип неразличимости — это источник одного из самых загадочных явлений в физике. Исследование показывает, что эта нелокальность — не математическая абстракция, а нечто, что можно наблюдать с помощью самого простого оборудования. Нужно лишь правильно выбрать начальное состояние частиц.

Источник: Nature