Физики обнаружили фотоны, существующие в 37 измерениях, в ходе разрешения давнего парадокса
Международная команда физиков продемонстрировала удивительный квантовый парадокс, который позволил им наблюдать условия, при которых частицы света, фотоны, как будто существуют одновременно в 37 различных измерениях. Это открытие, описанное в исследовании, опубликованном в прошлом году в журнале Science Advances, дает новое глубокое понимание одного из самых экзотических аспектов квантовой механики и может найти применение в области квантовых вычислений.
Суть открытия связана с фундаментальным отличием квантового мира от классического. В привычном нам мире объект обладает определенными свойствами самими по себе. В квантовой же сфере свойства частицы могут не существовать заранее, а определяться в самом процессе измерения. Более того, то, какое именно свойство мы измеряем (например, спин или поляризацию), может влиять на результат других измерений этой же частицы. Эта взаимозависимость результатов от выбора измеряемых параметров и является ключевой идеей, лежащей в основе продемонстрированного парадокса.
Ярким примером подобной «странности» является квантовая запутанность, при которой измерение одной частицы мгновенно влияет на состояние удаленной от нее запутанной пары, что Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии».
Особый класс подобных квантовых доказательств связан с парадоксами Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), которые описывают запутанность в системах как минимум из трех частиц. Предсказания для таких GHZ-состояний радикально противоречат всем классическим теориям. Однако на протяжении почти тридцати лет перед учеными стояла задача найти наиболее «сильный» и элегантный вариант такого парадокса, который требовал бы минимального числа комбинаций измерений для своего проявления, что стало бы максимально убедительным свидетельством неклассической физики.
Чтобы достичь этой цели, исследователи разработали новый метод построения GHZ-парадоксов с помощью математических схем — графов. Эти графы особым образом описывают, какие квантовые события не могут происходить одновременно. Такой подход, основанный на теории графов, уже доказал свою эффективность для анализа квантовых взаимосвязей. Используя его, команде удалось сконструировать GHZ-парадокс всего с тремя базовыми сценариями измерений, для реализации которого требуется набор измерений в 37 измерениях. Затем этот парадокс был экспериментально воспроизведен с помощью специализированного фотонного процессора, работающего во временной области, который позволил получить все необходимые вероятности многомерных измерений.
Полученные не только демонстрируют работу нового мощного инструмента для изучения фундаментальных основ квантовой механики, но и открывают путь к практическим применениям. Авторы работы указывают, что обнаруженные экзотические квантовые корреляции могут лечь в основу новых протоколов для квантовых вычислений. Они выражают надежду, что их открытие, раскрывающее связь между самыми необычными квантовыми корреляциями и высокосимметричными графами, поможет в будущем создать еще более мощные формы квантового превосходства в высокоразмерных системах.