Квантов парадокс: вратичка в законите на природата, която позволява „заемане“ от реалността

Представете си вълшебен портфейл. Можете да извадите пари от него, за да сключите добра сделка, но след това сумата в портфейла остава същата. Фантастично? В нашия свят – абсолютно. Но в квантовия свят, където законите на интуицията престават да действат, подобни „трикове“ се оказват не просто възможни, а, както се оказа, вградени в самата тъкан на реалността.

Скорошно изследване на физици от университета „Лайбниц“ в Хановер, публикувано в престижното списание Nature Physics, хвърля светлина върху едно от най-екзотичните явления на квантовата информатика – така нареченото „разхищение на заплитането“. И най-поразителното е, че те го откриват там, където никой не го е очаквал – в добре познати физически системи, намиращи се в критично състояние.

И така, какво е това „разхищение“?

За да разберем същността на откритието, първо трябва да се справим с две ключови идеи. Първата е квантовото заплитане. Казано опростено, това е невидима връзка между две или повече частици. Техните съдби стават единни: като измерим състоянието на едната, веднага узнаваме състоянието на другата, дори ако те са на светлинни години една от друга. Това „призрачно заплитане на големи разстояния“, както го нарича Айнщайн, е ключовият ресурс за квантовите изчисления и сигурната комуникация.

Втората идея е самото разхищение (embezzlement). Звучи криминално, но всъщност на практика това е един елегантен процес. Представете си, че трябва да извършите някаква квантова операция, но ви липсва „горивото“ за нея – същото това заплитане. Разхищението ви дава възможност да „заемете“ това заплитане от трета страна, от ресурсна система. Тази система, подобно на катализатор в химическа реакция, помага за осъществяването на процеса, но самата тя остава практически непроменена и неизползвана.

Доскоро се смяташе, че подобен трик изисква невероятно сложна и екзотична ресурсна система. А идеята за „универсален разхитител“ – система, в която всяко състояние е подходящо за ролята на такъв катализатор – изглеждаше чиста теория. Е, такъв „щедър“ източник не може да съществува в природата! Или пък може?

От теорията към реалността: къде се крият „разхитителите“?

Тук започва интересното. Екипът, ръководен от Александър Стотмайстер и Хенрик Вилминг, решава да провери една смела хипотеза. Преди това те бяха изказали теорията, че „разхищението“ (на някои места присвояването) може да възникне в релативистките квантови полета – много сложни и абстрактни модели. Но скептиците възразиха: дали това не е просто артефакт на теорията и изобщо не е реално свойство на физическия свят?

Тогава учените насочиха погледа си към нещо по-земно: едномерните фермионни вериги. Какво представляват те?

• Фермионите са „градивните елементи“, от които се състои цялата материя: електрони, протони, неутрони.
• Веригата е модел, в който тези частици са подредени като мъниста на конец.
• И най-важното нещо е критичното състояние. Това е специално, гранично състояние на системата, точка на квантовия фазов преход. Представете си вода с температура точно 0 °C: тя е на път да се превърне или в лед, или да остане течност. Именно в такива „нерешителни“ състояния материята показва най-изненадващите си свойства.

Изследователите доказаха: всяка подобна фермионна верига в критично състояние естествено се превръща в „универсален разхитител“. Тя не се нуждае от никакви специални условия. Сякаш тази способност е вградена във физическата ѝ природа.

„Това обхваща голям набор от добре познати модели и показва, че те имат много по-силни свойства на заплитане, отколкото се смяташе досега“, подчертава Хенрик Вилминг.

Не само трик за безкрайността

Един от тънките аспекти на тази научна работа е, че първоначалните изчисления са извършени в така наречената „термодинамична граница“. Това е математически трик, при който се приема, че дадена система е безкрайно голяма. Той е удобен за теорията, но в реалността няма безкрайни вериги.

Въпреки това физиците са отишли още по-далеч. Както обяснява съавторът на изследването Лауриц ван Лейк, те са успели да покажат, че ефектът се запазва, макар и в приблизителна форма, в големи, но крайни системи.

Това откритие драматично променя нещата. То премества „разхищението на заплитането“ от света на идеализираните модели в света на реалните, макар и микроскопични обекти, които потенциално могат да бъдат създадени и изследвани в лабораторни условия. Нещо повече, екипът вече работи по конкретни протоколи, описващи как точно може да се осъществи това заплитане на практика, като се използват стандартните операции на квантовата физика.

Какво следва? Нови хоризонти за квантовия свят

Това откритие не е просто решение на поредната академична загадка. То променя начина, по който мислим за фундаменталните свойства на материята. Оказва се, че светът на квантово ниво има много по-сложни и мощни вътрешни ресурси, отколкото сме предполагали.

Това открива пред учените изцяло ново поле за изследване. Дали този ефект ще се запази, ако частиците във веригата започнат активно да взаимодействат помежду си? Какво ще се случи, ако се добави елемент на случайност в системата? И най-интригуващият въпрос: възможно ли е да се организира „колективен грабеж“, в който да участват не две, а три или повече страни?

„Показахме, че последното е възможно по принцип – казва Вилминг, – но все още не сме открили естествен физически модел, който да го позволява.

Все още е рано да се говори за практически приложения в квантовите компютри на утрешния ден. Но работата на немските физици е нагледен пример за това как фундаменталната наука, водена от чисто любопитство, открива напълно нови, неочаквани свойства на Вселената. И кой знае, може би тези квантови „катализатори“ един ден ще бъдат ключът към технологии, които днес дори не можем да си представим.