Чтобы понять важность полученного результата, вернемся почти на 60 лет назад, в 1964 год. Тогда ирландский физик-теоретик Джон Стюарт Белл предложил остроумный мысленный эксперимент, который позже превратился в реальный тест. Ученый хотел разрешить фундаментальный спор о природе реальности. 

С одной стороны, стояла классическая интуиция: мир локальный. События здесь и сейчас не могут мгновенно влиять на события далеко отсюда. Частицы обладают скрытыми параметрами — внутренними свойствами, определяющими результаты измерений заранее.

С другой стороны, квантовая механика утверждала нечто радикально иное. Она допускала нелокальность — мгновенные корреляции между частицами, даже разнесенными на огромные расстояния, словно они остаются единым целым. Ключевым инструментом для этой нелокальности стала квантовая запутанность — состояние, при котором свойства двух или более частиц становятся взаимозависимыми так, что измерение одной мгновенно определяет состояние другой, независимо от расстояния.

Белл математически доказал: если наша реальность локальна и описывается скрытыми параметрами, то результаты измерений частиц в определенных экспериментах должны подчиняться конкретному неравенству (теперь его называют неравенством Белла). Но квантовая механика предсказывала, что это неравенство может нарушаться. Нарушение неравенства Белла в эксперименте стало бы прямым доказательством нелокальности и торжеством квантовой механики над классическими представлениями.

Статья по теме: Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?

Первые экспериментальные проверки появились в 1970-х годах, но они имели методологические недостатки — «лазейки», которые теоретически позволяли объяснить результаты локальными причинами или ошибками. Потребовались десятилетия усовершенствований и технологического прогресса. 

Лишь в конце 1990-х — начале 2000-х несколько независимых команд провели эксперименты, которые надежно закрыли основные лазейки и однозначно подтвердили: неравенство Белла нарушается. Наша реальность действительно нелокальна. Квантовая запутанность стала не просто теоретической диковинкой, а экспериментально подтвержденным фактом и основой для квантовых технологий. Во всех успешных тестах Белла участвовали пары или группы запутанных частиц. До сих пор.

Теперь международная команда физиков под руководством Сяо-Сун Ма (Xiao-Song Ma) из Нанкинского университета в Кита решила провести тест Белла без использования запутанных частиц. Исследователи использовали четыре особых кристалла. Каждый из них при облучении лазером испускал по два фотона — частицы света. Фотоны обладали измеряемыми характеристиками: поляризацией и фазой (описывают колебания электромагнитной волны).

Затем фотоны отправлялись в путешествие через множество оптических устройств — линзы, поляризационные светоделители, другие кристаллы. В конце пути их ждали детекторы.

Статья по теме: Квантовая энтропия, вероятно, зависит от наблюдателя

В классической схеме теста Белла участвуют два условных наблюдателя — Алиса и Боб. Каждый получает по одной частице из запутанной пары и независимо измеряет ее свойства (например, поляризацию под разными углами). Результаты их измерений затем подставляют в формулу неравенства Белла. Если вычисленное значение превышает определенный порог — неравенство нарушено, и частицы демонстрируют нелокальную связь. В новом эксперименте роль Алисы и Боба играли два независимых набора оптических элементов и детекторов. Но частицы, попадающие к Алисе и Бобу, не были запутанными партнерами.

Каково же было удивление ученых, когда они проанализировали данные измерений Алисы и Боба. Подставив результаты в неравенство Белла, они получили значение, которое нарушало это неравенство. Это означало только одно: фотоны, которые по всем признакам не были запутаны, проявили сильную нелокальную корреляцию. Они прошли тест Белла, словно были запутаны.

Как объяснить этот парадокс? Профессор Марио Кренн (Mario Krenn) из Института науки о свете Макса Планка в Германии предположил, что здесь сработало другое квантовое свойство — неразличимость путей. 

Статья по теме: В IBM заявили, что к 2029 году компания создаст полноценный квантовый компьютер

Фотоны рождались в четырех кристаллах, но генерировались таким образом, что невозможно было определить, в каком именно кристалле появился конкретный фотон. Более того, пути, по которым фотоны путешествовали к детекторам Алисы и Боба, были устроены так, что их траектории становились принципиально неразличимыми. Раньше Кренн, Ма и их коллеги успешно использовали именно это свойство неразличимости для создания запутанных состояний фотонов. В данном же эксперименте они тщательно исключили саму запутанность, оставив только неразличимость.

Говоря проще, из-за того, что пути фотонов слились и стали идентичными, квантовая волновая функция (описание состояния) фотонов перемешалась. Это квантовое «перемешивание» и привело к тому, что результаты измерений Алисы и Боба скоррелировали так сильно, что тест Белла показал «нелокальность», как если бы фотоны были запутаны. То есть на самом деле они квантово коррелировали (были связаны) не друг с другом напрямую, а через свои общие пути и происхождение.

Именно свойство неразличимости путей привело к тому, что незапутанные фотоны продемонстрировали нарушение неравенства Белла так, будто бы они были запутаны. Это другая форма квантовой  «странности», способная имитировать нелокальность в данном эксперименте.

Физики пока не могут объяснить, почему тест Белла сработал без запутанности. Ма отметил важный момент: неразличимость — общий фундаментальный ингредиент для многих квантовых явлений, включая саму запутанность. Возможно, именно неразличимость, а не запутанность как таковая, выступает глубинным источником нелокальных корреляций, которые фиксирует тест Белла. Запутанность может быть лишь одним из способов проявления этой более фундаментальной квантовой особенности.

Статья по теме: Квантовые датчики помогли самолетам не сбиться с курса при отключении GPS

Результат вызвал оживленную дискуссию среди физиков. Многие указали на возможные «лазейки» в эксперименте, которые могли исказить результат. Стефано Паезани (Stefano Paesani) из Копенгагенского университета в Дании обратил внимание на технику «пост-селекции». Команда Ма анализировала не все зарегистрированные фотонные события, а только определенную их подгруппу. Паезани считает, что это не позволяет однозначно утверждать, что не запутанные фотоны действительно показали нелокальность в чистом виде. По его мнению, без пост-селекции результат мог бы соответствовать обычной запутанности.

Джефф Ландин (Jeff Lundeen) из Оттавского университета в Канаде отметил, что иногда тест Белла можно «обмануть» даже светом, который формально не проявляет квантовых свойств. Это происходит, если условные Алиса и Боб — не полностью независимые наблюдатели — например, если у них есть возможность «общаться» через скрытые каналы внутри установки или если они по сути представляют одного наблюдателя. 

Ландин утверждает, что в эксперименте Ма не исключена возможность такого «сговора» между Алисой и Бобом. Поэтому, по его мнению, работа не имеет глубоких научных последствий для понимания реальности.

Канадский физик Эфраим Штейнберг (Aephraim Steinberg) из Университета Торонто высоко оценил техническую сложность и изящество эксперимента, назвав его «красивым продолжением классических исследований девяностых годов по запутанным фотонам». Однако он предположил, что некоторая форма запутанности все же присутствовала — не на уровне отдельных фотонов, а на уровне квантовых полей, из которых эти фотоны возникли.

Статья по теме: Физики превратили свет в квантовую «сверхтвердую» материю

Итак, чем же так важна работа команда Ма? До сих пор считалось, что нарушение неравенства Белла невозможно без квантовой запутанности. Эксперимент показал, что эффект, похожий на нелокальную связь, можно получить без запутанных частиц. Это подталкивает физиков переосмысливать базовые механизмы квантовой корреляции.

Если гипотеза о роли неразличимости фотонов подтвердится, придется дополнить наше понимание того, какие свойства частиц создают нелокальные эффекты. Это может привести к формированию новых теоретических моделей, которые уточнят картину микромира.

Запутанность — ключ к квантовой криптографии, вычислениям и сенсорам. Если схожие эффекты удастся получать без запутанных частиц, можно будет разрабатывать более простые и стабильные устройства. Например, квантовые системы передачи данных станут менее зависимыми от сложных схем генерации запутанных фотонов.

Работа команды Ма уже вызвала дискуссии среди ученых. Некоторые сомневаются в однозначности результатов из-за «пост-селекции» и других особенностей методики. Теперь другие группы начнут повторять и улучшать эксперимент, чтобы подтвердить или опровергнуть эффект. Такая проверка может привести к новым открытиям и уточнению фундаментальных законов.

Команда Ма планирует доработать установку. Если кристаллы начнут испускать больше фотонов, ученые смогут отказаться от пост-селекции и закрыть основные экспериментальные «лазейки». Они уже наметили, какие усовершенствования помогут проверить гипотезу более строго.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.