Katie McCormick
Кандидат наук в области квантовой физики, внештатный журналист Quanta Magazine
В своём доказательстве того, что мир контекстуален, учёные создали сеть возможных значений спина частицы, измеренных в разных направлениях. Есть мнение, что в будущем эти эксперименты могут применяться для исследования возможностей квантовых вычислительных устройств. Подробности — к старту нашего флагманского курса по Data Science.
Пожалуй, самая примечательная странность квантовой механики — нелокальность. Измерьте одну частицу в запутанной паре, и это измерение, как бы разорвав немалое пространство между частицами, мгновенно повлияет на вторую частицу; «жуткое действие на расстоянии» — так это явление назвал Альберт Эйнштейн — стало главным объектом исследований квантовой теории.
«Нелокальность захватывает. Она подобна магии», — делится ощущениями физик из Севильского университета в Испании Адáн Кабельо.
Но Кабельо и его коллеги интересуются не менее впечатляющей, но малоизученной стороной квантовой механики — её контекстуальностью. Она подразумевает существование таких свойств частиц, как положение или поляризация, лишь в контексте измерения. Здесь свойства частиц — это не фиксированные числа, а скорее «слова», значения которых могут меняться в зависимости от контекста. Сравните: Time flies like an arrow («Время летит как стрела») и Fruit flies like bananas («Плодовые мушки любят бананы»).
Более полувека контекстуальность находилась в тени нелокальности, но сегодня квантовые физики считают, что в квантовых системах контекстуальность важнее нелокальности. По словам физика из Университета Сан-Паулу в Бразилии Барбары Амарал, отдельная частица — это квантовая система, «в которой нельзя даже подумать о нелокальности», поскольку частица находится только в одном месте. «Таким образом, она (контекстуальность) в каком-то смысле более общая. Думаю, это важно для реального понимания мощи квантовых систем и квантовой теории, какая она есть», — рассказывает Б. Амарал.
Учёные также обнаружили интересную зависимость между контекстуальностью и задачами, которые могут эффективно решаться на квантовых компьютерах, а на обычных компьютерах не могут. Её изучение может помочь в разработке новых подходов и алгоритмов квантовых вычислений.
За интересом теоретиков последовала новая попытка экспериментально доказать контекстуальность мира. В феврале Кабельо вместе с Кихваном Кимом из Университета Цинхуа в Пекине опубликовали работу, где они написали о проведении ими первого экспериментального исследования контекстуальности без изъянов.
117-е направление
Доказательство нелокальности квантовых систем приписывают североирландскому физику Джону Стюарту Беллу. Сравнив результаты измерений двух запутанных частиц, с помощью опубликованной им в 1965 году теоремы, которая теперь носит его имя, Белл доказал, что высокую степень корреляции между частицами нельзя объяснить локальными «скрытыми переменными», которыми определяются отдельные свойства каждой из этих частиц. Информация, которая содержится в запутанной паре, должна разделяться между частицами нелокально.
Джон Белл, Саймон Кочен и Эрнст Спекер доказали теорему в конце 1960-х. Они показали, что квантовые системы, возможно, не могут иметь фиксированные значения для всех свойств во всех контекстах.
Фото учёных, сверху вниз по порядку в тексте
CERN PhotoLab, предоставлено Саймоном Коченом, Вильгельмом Плайером из ETH Library Collection
Белл доказал и аналогичную теорему о контекстуальности. Он и параллельно Саймон Кочен с Эрнстом Спекером показали, что в квантовой системе не может быть скрытых переменных, с помощью которых определяются значения всех их свойств во всех возможных контекстах.
В версии доказательства Кочена и Спекера рассматривалась единственная частица — спин с квантовым свойством, у которого есть величина и направление. Когда величина спина измеряется в любом направлении, всегда получается один из двух результатов: 1 или 0. Учёные задались вопросом: «Возможно ли, что частица втайне "знает" результат всякого измерения до измерений»? Иными словами, можно ли присвоить фиксированное значение — скрытую переменную — сразу всем результатам всех возможных измерений?
Согласно квантовой теории, величины спинов в трёх перпендикулярных направлениях должны соответствовать «правилу 101»: результаты двух измерений должны быть равны 1, а третьего — 0. Кочен и Спекер воспользовались этим правилом и пришли к противоречию. Сначала они предположили, что у каждой частицы есть фиксированное, внутренне присущее ей значение для каждого направления спина. Затем проводили гипотетическое измерение спина в направлении, отличающемся от других, и присваивали результату 0 или 1 — и повторно сдвигали направление гипотетического измерения, проводили измерение снова, каждый раз либо произвольно присваивая значение результату, либо подгоняя его под правило 101 вместе с уже рассмотренными направлениями.
На 117-м направлении возникло противоречие: ранее спину в этом направлении присвоили значение 0, а теперь по правилу 101 должно быть 1. В результате измерения не могут возвращаться и 0, и 1. Поэтому физики пришли к выводу, что у частицы не может быть фиксированных скрытых переменных, неизменных в любом контексте.
Хотя в доказательстве указывалось, что квантовой теории нужна контекстуальность, продемонстрировать это на 117 одновременных измерениях одной частицы было невозможно. С тех пор физики сформулировали более практичные, экспериментально реализуемые версии оригинальной теоремы Белла, Кочена и Спекера (с несколькими запутанными частицами), где конкретным измерением одной частицы определяется «контекст» для других измерений.
Вопрос за вопросом
В 2009 году контекстуальности — кажется, эзотерическому аспекту внутренней структуры ткани реальности — нашли прямое применение: учёные доказали, что одна из упрощённых версий оригинальной теоремы Белла, Кочена и Спекера эквивалентна базовым квантовым вычислениям.
В доказательстве, названном в честь его автора Дэвида Мермина «звездой Мермина», рассматривались разные комбинации контекстуальных измерений, которые могли выполняться в трёх запутанных кубитах. Логика формирования последующих результатов предыдущими измерениями стала базовой для квантовых вычислений на основе измерений. Данное открытие означало, что контекстуальность, вероятно, и есть ключ к пониманию причины, по которой на квантовых компьютерах определённые задачи могут решаться быстрее, чем на классических. Это вопрос, над которым учёные бились изо всех сил.
Физик из Университета Британской Колумбии и пионер квантовых вычислений на основе измерений Роберт Рауссендорф доказал: чтобы квантовый компьютер в некоторых задачах превзошёл классический, необходима контекстуальность. Но Рауссендорф полагает, что дело не только в ней. Помогает ли здесь квантовым компьютерам контекстуальность? Это вопрос, по его словам, «вероятно, не совсем правильный». «Но нужно двигаться от вопроса к вопросу: задаём вопрос с пониманием того, как спрашивать; получаем ответ и задаём следующий».
Исследование без изъянов
Некоторые учёные указали на изъяны вывода Белла, Кочена и Спекера о контекстуальности мира. Они утверждают, что контекстно-независимые скрытые переменные не исключены достоверно.
В феврале Кабельо и Ким объявили, что они исключили все возможные изъяны, провели эксперимент Белла, Кочена и Спекера «без изъянов».
Этот эксперимент заключался в измерении спинов двух запутанных захваченных ионов в разных направлениях, где выбором измерения одного иона определялся контекст для другого. Физики показали: хотя измерение одного иона происходит без физического влияния на другой, меняются контекст и, следовательно, результат измерения второго иона.
Скептики спросят: «Как можно быть уверенным, что результат второго измерения изменён контекстом, созданным при первом измерении, а не другими условиями, которые от эксперимента к эксперименту могут варьироваться?» Кабельо и Ким исключили этот «изъян определённости», выполнив тысячи измерений и показав, что если не меняется контекст, то результаты не меняются. Исключив этот и другие изъяны, они пришли к выводу, что единственное разумное объяснение их результатов — это контекстуальность.
Кабельо с коллегами считают, что в будущем эти эксперименты могут применяться для исследования уровня контекстуальности, а значит, и мощности квантовых вычислительных устройств.
«Чтобы по-настоящему понять, как устроен мир, нужно досконально разобраться в квантовой контекстуальности», — считает Кабельо
А пока учёные бьются над новыми вопросами, мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:
Выбрать другую востребованную профессию.
