Исследование доказывает обобщение теоремы Белла - квантовые корреляции действительно трехчастны и нелокальны
Джон Клаузер, Ален Аспект и Антон Цайлингер, чья работа была недавно признана Нобелевским комитетом, экспериментально доказали теорему Белла, показав, что никакая локальная альтернатива квантовой теории со скрытыми переменными не может воспроизвести такое поведение. Другими словами, они показали, что квантовые корреляции нелокальны.
Кредит: Мария Кудерска
Квантовая теория предсказывает существование так называемых трехчастно запутанных состояний, в которых три квантовые частицы связаны таким образом, что не имеет аналога в классической физике. Физики-теоретики хотели бы понять, насколько хорошо новые теории, альтернативные квантовой теории, смогут воспроизвести поведение этих состояний.
Джон Клаузер, Ален Аспект и Антон Цайлингер, чья работа была недавно признана Нобелевским комитетом, экспериментально доказали теорему Белла, показав, что никакая локальная альтернатива квантовой теории со скрытыми переменными не может воспроизвести такое поведение. Другими словами, они показали, что квантовые корреляции нелокальны.
Исследователи из Университета науки и технологий Китая, Института фотонных наук, Итальянского университета Швейцарии и Института теоретической физики периметра недавно провели экспериментальное исследование, обобщающее эти выводы, путем рассмотрения новых потенциальных теорий. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, предполагают, что корреляции, достигнутые трехчастным запутанным состоянием, используемым в их эксперименте, не могут быть объяснены гипотетической теорией, включающей обобщение двудольной запутанности, называемое «экзотические источники двух частиц», в дополнение к теории скрытых локальных переменных.
«Главная цель нашего исследования состояла в том, чтобы доказать, что поведение трехчастичного квантового источника (например, источника трех фотонов) не может быть воспроизведено какой-либо новой гипотетической теорией (заменяющей квантовую теорию, которую еще предстоит открыть), что включает только экзотические пары двух частиц, описываемые новыми физическими законами и локальной моделью скрытых переменных», — сказал Phys.org Марк-Оливье Рену, один из авторов статьи.
Гаэль Массе, второй автор, объясняет: «Для этого мы использовали идею, содержащуюся в «методе инфляции», изобретенном Эли Вулфом, одним из наших соавторов. Если мы представим себе пару двух частиц, описываемых новыми физическими законами, то, даже если мы понятия не имеем, как их описать, мы все равно можем создать копию этой пары и заставить все частицы взаимодействовать друг с другом по-новому. Хотя этот метод кажется элементарным, он часто оказывается очень мощным инструментом для решения теоретические абстрактные понятия».
Кредит: Мария Кудерска
В своей статье исследователи впервые получили новый независимый от устройства свидетель, который мог фальсифицировать причинно-следственные теории с помощью двудольных неклассических ресурсов. Затем с помощью лабораторного эксперимента, проведенного Хуань Цао и Чао Чжаном, они показали, что некоторое состояние с тройной запутанностью (называемое «состоянием GHZ») может на практике получать корреляции, которые нарушают этот свидетель.
«Используя высокопроизводительное фотонное состояние GHZ 3 с точностью 0,9741 ± 0,002, мы обеспечиваем явное экспериментальное нарушение этого свидетеля более чем на 26,3 стандартных отклонения при условии локальности и справедливой выборки», — объяснила команда в своей статье. «Мы обобщаем наше Письмо на состояние |GHZ4⟩, получая корреляции, которые не могут быть объяснены никакой причинно-следственной теорией, ограниченной трехчастными неклассическими общими причинами, которым помогает неограниченная общая случайность».
Недавняя работа является обобщением теоремы Белла. Его самое замечательное достижение заключается в том, что он выходит за рамки того, что физики ранее считали возможным, в ограничении потенциальных альтернативных теорий квантовой теории.
Кредит: Мария Кудерска
«Белл исключил возможность объяснения квантовых корреляций локальной моделью скрытых переменных (то есть общей случайностью)», — объясняет соавтор исследования Ксавье Куате-Рой. «Мы пошли немного дальше, доказав, что даже если вы добавите в свою теорию «двусторонние экзотические источники», это все еще не работает. Вам действительно нужно задействовать N-частичные экзотические источники для любого N, каким бы высоким оно ни было, как это делается в квантовой теории». Он заключает: «Обратите внимание, что у эксперимента есть недостатки, называемые лазейками. Проведение эксперимента без этих лазеек, в частности лазейки после отбора, станет большой проблемой для экспериментаторов в ближайшие годы».
Основываясь на своих выводах, команда пришла к выводу, что корреляции в природе действительно многочастны и нелокальны. Эксперименты, которые они провели до сих пор, позволили им окончательно исключить теории двудольных и трехчастных экзотических источников, но теперь они думают об оценке других альтернатив квантовой теории.
«Сейчас мы пытаемся понять, как далеко может зайти эта идея и насколько далеко мы можем исключить потенциальные альтернативы квантовой теории, просто глядя на конкретные экспериментальные результаты, не предполагая, что они объясняются квантовой теорией», — добавил Рену. «В конечном итоге это может позволить нам исключить все потенциальные альтернативы квантовой теории».
