Фотоны подтвердили реальность парадокса квантовой голубятни

Три квантовых «птицы» могут занимать две клетки, при этом ни в одной из них не будет две частицы.

Согласно математической концепции, известной как «принцип голубей и ящиков», если в голубятне меньше мест, чем голубей, то некоторым птицам приходится делить место с другими. Однако фотоны — элементарные частицы света — могут нарушать это правило, согласно эксперименту, описанному в статье журнала National Academy of Sciences.

Принцип голубей и ящиков (или принцип Дирихле) гласит, что, если три голубя усаживаются в две клетки, в одной из них должно быть по крайней мере две птицы. Несмотря на всю очевидность, эта идея помогает определить, чем являются числа и что означает пересчет каких-либо предметов. Однако в случае квантовой реальности ученые предсказывали, что три «голубя» — квантовые частицы — могут поместиться в две клетки, при этом ни один из них не будет разделять клетку с другим. Это так называемый эффект квантовой голубятни.

Авторы исследования отметили, что эффект квантовой голубятни бросает вызов нашему пониманию основ, что требовало ясного экспериментального подтверждения. Они также упомянули, что квантовой голубятне можно найти потенциальное применение для поиска более сложных и фундаментальных квантовых эффектов.

Схема эксперимента / © University of Science and Technology of China in Hefe

В ходе исследования в качестве трех голубей были использованы три фотона. Вместо того чтобы «растолкать» фотоны по клеткам, исследователи изучили поляризацию частиц (направление колебания электромагнитных волн фотонов, которое может быть либо горизонтальным, либо вертикальным). Так как всего было три фотона и две поляризации, согласно стандартной математике, можно предположить, что как минимум у двух частиц поляризация была одинаковой. Когда ученые сравнили поляризации частиц, они обнаружили, что никакие из них не совпадали по этому параметру, подтвердив таким образом реальность эффекта квантовой голубятни.

Такое необычное поведение — результат совмещения и без того странных квантовых эффектов. Фотоны начинают эксперимент в довольно странном состоянии — суперпозиции, — то есть их поляризация одновременно и горизонтальна, и вертикальна. При сравнении поляризаций двух фотонов измерение производит незаметную связь между частицами — это явление известно как квантовая запутанность. Эти парадоксальные свойства позволяют частицам делать невообразимые вещи.
 
Тогда как такой результат — не первое экспериментальное подтверждение этой идеи, он упрочил все ранее полученные результаты.

«Я уверен, что это исследование — лучший из проведенных на сегодня экспериментов», — говорит Джефф Толлаксен из Чепменского университета, который был одним из физиков-теоретиков, предположивших этот эффект в 2014 году.

Исследование впервые подтвердило, что квантовые голуби «безобразничают» при всего лишь одном конкретном условии. Толлаксен и его коллеги предсказали, что для проявления этого эффекта необходимо крайне аккуратное воспроизведение измерения — так, чтобы не побеспокоить чувствительные квантовые частицы. Новая работа подтвердила, что измерение действительно должно быть слабым для появления эффекта.