Една от най-фундаменталните характеристики на квантовата физика е нелокалността на Бел: фактът, че предсказанията на квантовата механика не могат да бъдат обяснени с никоя локална (класическа) теория. Това има забележителни концептуални последици и широкообхватни приложения в квантовата информация.
Въпреки това, в нашия ежедневен опит макроскопичните обекти изглежда се държат според правилата на класическата физика, а корелациите, които виждаме, са локални. Наистина ли е така или можем да оспорим тази гледна точка?
В неотдавнашна статия във Physical Review Letters учени от Виенския университет и Института по квантова оптика и квантова информация (IQOQI) на Австрийската академия на науките показаха, че е възможно напълно да се запази математическата структура на квантовата теория по макроскопската граница. Това може да доведе до наблюдения на квантовата нелокалност в макроскопския мащаб .
Всекидневният ни опит ни казва, че макроскопичните системи се подчиняват на класическата физика. Следователно е естествено да се очаква, че квантовата механика трябва да възпроизведе класическата механика в макроскопската граница. Това е известно като принцип на съответствие, установен от Бор през 1920 г. Прост аргумент за обяснение на този преход от квантовата механика към класическата механика е едрозърнестият механизъм: ако измерванията, извършени върху макроскопични системи, имат ограничена разделителна способност и не могат да се "видят" отделни микроскопични частици, тогава резултатите се държат класически.
Такъв аргумент, приложен към (нелокални) корелации на Бел, води до принципа на макроскопска локалност. По подобен начин времевите квантови корелации се свеждат до класически корелации (макроскопичен реализъм), а квантовата контекстуалност се свежда до макроскопична неконтекстуалност. Силно се вярваше, че преходът от квантова към класическа механика е универсален, въпреки че липсва общо доказателство. За да илюстрираме точката, нека вземем примера на квантовата нелокалност.
Да предположим, че имаме двама отдалечени наблюдатели, Алис и Боб, които искат да измерват силата на корелацията между техните локални системи. Можем да си представим типична ситуация, в която Алиса измерва малката си квантова частица, а Боб прави същото с неговата и те комбинират своите наблюдателни резултати, за да изчислят съответната корелация. Тъй като техните резултати са по своята същност случайни (както винаги е в квантовите експерименти), те трябва да повторят експеримента голям брой пъти, за да намерят средната стойност на корелациите. Ключовото предположение в този контекст е, че всеки цикъл на експеримента трябва да се повтаря при абсолютно същите условия и независимо от други цикли, което е известно като IID (independent and identically distributed - независимо и идентично разпределено) предположение.
Например, когато извършваме произволни хвърляния на монети, трябва да гарантираме, че всяко хвърляне е честно и безпристрастно, което води до измерена вероятност от (приблизително) 50% за ези/тура след много повторения. Подобно предположение играе централна роля в съществуващите доказателства за редукцията до класичност в макроскопичната граница. Но макроскопските експерименти разглеждат клъстери от квантови частици, които са опаковани заедно и измерени заедно с ограничена разделителна способност (едрозърнеста). Тези частици взаимодействат помежду си, така че не е естествено да се приема, че корелациите на микроскопично ниво са разпределени в единици от независими и идентични двойки. Ако е така, какво ще стане, ако се откажем от предположението за IID? Постигаме ли все още редукция до класическата физика в границите на голям брой частици?
В скорошната си работа Мигел Галего (Miguel Gallego) от Виенския университет и Боривой Дакич (Borivoje Dakić) също от Виенския университет и IQOQI, показаха, че изненадващо квантовите корелации оцеляват в макроскопичната граница, ако корелациите не са IID разпределени на нивото на микроскопичните съставки.
"Предположението на IID не е естествено, когато се работи с голям брой микроскопични системи. Малките квантови частици си взаимодействат силно и квантовите корелации и вплитане се разпределят навсякъде. Имайки предвид такъв сценарий, ние ревизирахме съществуващите изчисления и успяхме да намерим изцяло квантово поведение в макроскопски мащаб. Това е напълно в противоречие с принципа на съответствие и преходът към класическата физика не се осъществява“, обяснява Боривой Дакич.
Разглеждайки наблюдаваните флуктуации (отклонения от стойностите на очакванията) и определен клас вплетени състояния на много тела (състояния, които не са IID), авторите показват, че цялата математическа структура на квантовата теория (напр. Правилото на Борн и принципът на суперпозицията) се запазва в границата. Това свойство, което те наричат макроскопично квантово поведение, им позволява директно да покажат, че нелокалността на Бел е видима в макроскопичната граница.
"Удивително е да има квантови правила в макроскопски мащаб. Просто трябва да измерваме колебания, отклонения от очакваните стойности и ще видим квантови явления в макроскопичните системи. Вярвам, че това отваря вратата към нови експерименти и приложения", коментира Мигел Галего.
Справка: Miguel Gallego et al, Macroscopically Nonlocal Quantum Correlations, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.120401
Източник: Can we see quantum correlations at the macroscopic scale?
Borivoje Dakic & Miguel Gallego, University of Vienna
