Эйнштейн всё же ошибался? Физики усомнились в природе реальности
Физики проверили на квантовом компьютере IBM теорему, которая ставит под сомнение привычное представление о реальности, отстаиваемое Альбертом Эйнштейном. Эксперимент подтвердил предсказания квантовой механики, которые трудно совместить с идеей, что частицы обладают скрытыми свойствами, а учёным просто не хватает информации для их описания. Результаты вновь заставили исследователей задуматься, существует ли объективная реальность в привычном нам понимании.
Вопрос звучит почти по-детски: остаётся ли предмет прежним, когда на него никто не смотрит? В повседневной жизни ответ очевиден. Красный шар не меняет цвет в тёмной комнате, а Луна никуда не исчезает, когда человек отворачивается. Эйнштейн считал, что законы природы должны работать по тому же принципу. У каждой частицы есть собственные физические свойства, независимо от наблюдений и измерений. Однако квантовая механика допускает совсем другую картину.
На уровне атомов и элементарных частиц физики не всегда могут заранее сказать, какой результат даст измерение. Вместо точного ответа теория предлагает набор вероятностей. Например, прибор с определённой вероятностью обнаружит частицу в одном месте, а с другой вероятностью в другом. Подобное поведение описывает волновая функция, математическое выражение, позволяющее рассчитать возможные результаты эксперимента. Но что происходит с самой частицей до измерения? Физики спорят об этом почти сто лет.
Эйнштейн предполагал, что неопределённость возникает из-за недостатка наших знаний. Представьте прогноз погоды: приложение показывает вероятность дождя 70%, но за окном уже может идти ливень. Пока человек не раздвинет шторы, он просто не знает, что происходит на улице. Эйнштейн надеялся, что квантовые вероятности работают похожим образом. Частица обладает реальными характеристиками, которые существующая теория пока не умеет полностью описывать.
В 2012 году Мэтью Пьюзи, Джонатан Барретт и Терри Рудольф опубликовали теорему PBR, названную по первым буквам их фамилий. Учёные математически показали, почему столь удобное объяснение сталкивается с серьёзной проблемой. Если считать, что частицы обладают собственными физическими состояниями, а системы, подготовленные независимо друг от друга, сохраняют независимость, волновую функцию нельзя объяснить одним лишь недостатком информации. Иначе возникнут противоречия с предсказаниями квантовой механики.
Понять идею помогает простая карточная игра. Представьте две стопки: в первой лежат все красные карты, во второй только тузы. Ведущий случайно вытягивает карты, а игрок пытается определить, откуда их взяли. С красным тузом возникает проблема: карта могла попасть на стол из любой стопки. По одной карте невозможно восстановить всю информацию о выборе ведущего.
Создатели PBR предложили квантовый вариант игры. Вместо карт физики берут частицы, которым заранее задают определённые квантовые состояния. Специальные измерения позволяют исключать варианты, которые обычная модель неполных знаний считала бы возможными. Если принять условия теоремы, квантовая система всегда позволяет исключить хотя бы один вариант подготовки. Следовательно, квантовое состояние несёт больше информации о физическом устройстве мира, чем обычное описание человеческой неосведомлённости.
Теперь исследователи смогли проверить идею на гораздо более сложной установке. Они использовали 156-кубитный процессор IBM Heron2 Marrakesh и проверили предсказания PBR для групп из двух и пяти кубитов. Кубит служит основным элементом квантового компьютера и, в отличие от обычного бита, допускает сочетание состояний нуля и единицы. Благодаря квантовым эффектам инженеры могут готовить кубиты к измерениям, результаты которых невозможно объяснить простым набором заранее записанных ответов.
В большинстве проверенных конфигураций соседних кубитов результаты противоречили ограничениям, которые накладывает модель неполных знаний. Однако по мере увеличения расстояния между кубитами успешных проверок становилось меньше. Исследователи объясняют ухудшение ошибками операций и декогеренцией, при которой квантовая система постепенно теряет свои особые свойства из-за взаимодействия с окружающей средой. Эксперимент помог проверить предсказания теоремы и одновременно показал, как физики могут оценивать качество квантовых процессоров.
Причём саму теорему учёные проверяют далеко не впервые. Ещё в 2012 году физики поставили эксперимент с двумя квантовыми системами, а последующие работы расширили возможности испытаний. Поэтому новый результат не стал неожиданным опровержением Эйнштейна. Исследователи изначально рассчитывали, что квантовая механика снова окажется права, и хотели выяснить, насколько хорошо современные компьютеры воспроизводят тонкие квантовые эффекты.
Спор начался ещё в 1935 году, когда Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном предложил знаменитый мысленный эксперимент. Учёные рассматривали две частицы, поведение которых зависело от общего квантового состояния. Измерив одну частицу, наблюдатель мог получить информацию о второй, даже если между ними находилось огромное расстояние. Эйнштейн считал, что физические характеристики второй частицы должны существовать независимо от измерения первой. Иначе приходилось допускать слишком странное устройство природы.
В 1964 году Джон Белл нашёл математический способ проверить предположения Эйнштейна. Позднее физики поставили реальные эксперименты и обнаружили, что квантовая запутанность приводит к результатам, которые нельзя объяснить одновременно заранее заданными свойствами частиц и отсутствием нелокальных влияний. При этом запутанность не позволяет передавать обычные сообщения быстрее света. Открытие заставило учёных пересмотреть представления о том, насколько независимы удалённые физические системы.
Теорема PBR добавила к спору ещё одно серьёзное ограничение. Сторонникам объективной реальности приходится допускать, что волновая функция отражает реальные особенности физического мира. Другой путь предлагает отказаться от части привычных представлений об объективных состояниях частиц. Но ни одна из возможностей пока не получила всеобщего признания.
Например, механика Бома допускает, что частицы всегда занимают определённые положения, однако их движение направляет особая волна, способная учитывать происходящее на больших расстояниях. Сторонники других трактовок рассматривают квантовую теорию прежде всего как способ описывать знания и опыт наблюдателя. Впрочем, отказ от привычного понимания объективности вовсе не означает, что предметы исчезают, когда люди перестают на них смотреть.
Сам Мэтью Пьюзи допускает, что физикам ещё предстоит найти более гибкое определение реальности. Возможно, привычное требование, согласно которому каждый объект обязан иметь одно объективное состояние в любой момент времени, слишком ограничивает наше понимание природы.
Квантовая механика уже сто лет успешно предсказывает результаты экспериментов, но физики до сих пор спорят о том, что происходит с частицей до измерения. Теорема PBR закрыла один из способов объяснить квантовые странности обычным недостатком знаний, а современные компьютеры позволили проверить её предсказания на более сложных системах. Главная загадка остаётся открытой: если привычные представления Эйнштейна не описывают квантовый мир во всей полноте, какую реальность скрывают от нас законы природы?