Квантова механіка була створена на основі теорії комплексних чисел. Проте, у своєму знаменитому листі Хендріку Лоренцу Ервін Шредінгер стверджував, що використання комплексних чисел неприємне і має викликати заперечення. Хвильова функція, безумовно, є речовою функцією.
Останніми роками вчені виключили будь-яке локальне пояснення квантової теорії за допомогою тестів Белла, які були узагальнені кількома незалежними прихованими змінними.
У сформованій у такий спосіб квантовій мережі, що отримала назву "реальна квантова теорія", використовували тільки дійсні числа. При цьому виявилося, що вона дає кількісно різні передбачення порівняно зі стандартною моделлю. І хоча сумніви виникають щодо достовірності реальної квантової теорії, логічно перевірятися мають обидві версії математичного бачення мікросвіту.
Тестова адаптація фотонних систем
Дослідники з Південного університету науки і технології в Китаї, Австрійської академії наук та інших інститутів нещодавно адаптували один із цих тестів для сучасних фотонних систем. Їхня робота, опублікована в журналі Physical Review Letters, експериментально демонструє існування квантових кореляцій в оптичній мережі, які не можуть бути пояснені реальною квантовою теорією.
"З перших днів існування квантової теорії комплексні числа розглядалися скоріше як математична умовність, аніж фундаментальний будівельний блок", - каже Зіжу Ванг, один із дослідників, які проводили дослідження.
"Загальні дебати про роль комплексних чисел у квантовій теорії тривають досі".
У 1960-х роках швейцарський фізик Ернст Штюкельберг і його колеги успішно сформулювали квантову теорію в речовинах гільбертових просторах. Хоча це була важлива віха в цій галузі, їхня версія не використовувала "тензорний добуток" для композиції різних систем. По суті, це означає, що їхнє формулювання не відповідає "реальній квантовій теорії".
"Інтерес до цього питання відродився, коли ми почали розглядати квантову теорію з інформаційної точки зору, - пояснює Ванг. - Деякі узагальнені ймовірнісні теорії, сформульовані з використанням тільки дійсних чисел, виявилися настільки ж потужними, як і квантова теорія в деяких завданнях обробки інформації, і навіть перевершують її. Незважаючи на те, що ми знаємо, що ОВТ містять кореляції, які виходять за рамки квантової теорії, досі в нас не було інструментів, щоб остаточно виключити реальну квантову теорію як життєздатну альтернативу комплексній квантовій теорії".
Нещодавня стаття доктора Фань і його колег черпає натхнення в суперечці про існування локальних прихованих змінних у квантовій теорії. Хоча багато фізиків досліджували це питання в наступні роки, протягом десятиліть ніхто не міг розробити конкретний метод перевірки існування локальних прихованих змінних.
У 1964 році Джон Белл висунув революційну ідею використання кореляційних функцій ймовірностей, які можна перевірити й проаналізувати в лабораторії, для виведення глибинних властивостей фізичних систем. потім знадобилося ще 50 років, щоб остаточно розв'язати дебати й виключити локальні пояснення прихованих змінних із квантової теорії.
Прості та складні квантові теорії
Хоча теорема Белла успішно застосовувалася в багатьох дослідженнях, сама по собі вона недостатньо сильна, щоб точно передбачити відмінності між реальними і складними квантовими теоріями.
У своєму недавньому дослідженні Фань і його колеги змогли оцінити ці відмінності, розглянувши квантову мережу з кількома незалежними джерелами.
"Нещодавно група теоретиків зрозуміла, що природне узагальнення тесту Белла в мережі може відрізнити складну квантову теорію від реальної, - стверджує Фань. - У мережі, в якій сторони пов'язані кількома незалежними джерелами заплутування, реальна квантова теорія не узгоджується з усіма передбаченнями комплексної квантової теорії. Це відкриває шлях для експериментального розрізнення, заснованого на незалежних джерелах заплутування".
Щоб перевірити теорію, розроблену Наваскуесом і його колегами, вчені використовували сучасну оптичну квантову мережу. Ключовим припущенням теорії є незалежність джерел, що має на увазі: аналізована мережа повинна складатися з незалежних джерел, що створюють пари заплутаних станів.
"Ще одна експериментальна проблема полягає в тому, що експериментальна система має бути чистою з дуже низьким рівнем шуму, - пояснює Фань.
"Команда вчених, до якої увійшов я, подолала ці труднощі, - упевнений Фань. - Ми побудували квантовий мережевий експеримент із двома незалежними джерелами заплутування і трьома сторонами і спостерігали кореляції, що порушують обмеження реальної квантової теорії більш ніж на 4,5 стандартних відхилення".
На відміну від експериментального тесту, проведеного Фанем і його колегами, стандартні тести, засновані на теорії Белла, використовують тільки одне джерело заплутування і розглядають дві сторони. Таким чином, їхня експериментальна установка дає змогу подолати труднощі, пов'язані зі стандартними тестами на основі теореми Белла, і ефективно перевіряти відмінності між реальними і складними квантовими теоріями.
"Наш експеримент спростовує реальну квантову теорію як універсальну фізичну теорію, ясно показуючи, що не всі передбачення, засновані на стандартній квантовій теорії з комплексними числами, можуть бути змодельовані аналогом реальних чисел стандартної квантової теорії, - стверджує Фань. - Отже, комплексні числа є фундаментальними для квантової теорії".
У майбутньому нещодавнє дослідження, проведене цією групою вчених, може прокласти шлях для подальших досліджень з оцінки основ квантової фізики, зокрема, квантових мереж. Зрештою можливе розроблення нових інноваційних технологій і застосувань, оскільки теорема Белла широко використовується в квантовій інформаційній науці.
"Якщо нелокальність Белла у двочастинковій системі вже є контрінтуїтивною, то багаточастинкова нелокальність у нашому світі виявляється ще більш інтуїтивною: природні кореляції безмежно нелокальні, - додав Фань. - Цікаво, що ми щойно розробили тест типу Белла на справжню багаточастинкову нелокальність у мережі, щоб показати, що природа є безмежною багаточастинковою нелокальністю, і провели перший експеримент".
Джерело phys.org
