На квантовом уровне
нет порядка,
там царит безвременье
суперпозиции.
С раннего детства жизнь приучает нас к жёсткому порядку: прошлое нельзя изменить, а кофе не может остыть раньше, чем его налили. Иными словами, сначала причина — затем следствие. Тем возмутительней для нашей интуиции выглядит предположение, что в субатомном царстве квантовой физики столь фундаментальный принцип развития событий вполне может быть нарушен... и это в порядке вещей. Дабы развеять этот когнитивный диссонанс, учёные Венского университета попытались экспериментально подтвердить или опровергнуть эту идею. В самом деле: явление, называемое неопределённым причинным порядком (indefinite causal order, ICO) уже давно ждёт, чтобы с ним разобрались.
Представьте себе не обычный квантовый компьютер, а такой, в котором операции могут выполняться одновременно в обоих порядках — не просто назад и вперёд во времени, а словно бы независимо от взаимного влияния. Это способность называется «квантовый переключатель» (quantum switch). В нем последовательность действий зависит от состояния управляющего кубита. Если он в состоянии «0», сначала срабатывает операция A, потом B. Если в состоянии «1» — наоборот: сначала B, потом A. Но главное — если управляющий кубит находится в суперпозиции (то есть в один и тот же момент имеет значения и «0», и «1»), то и порядок действий становится неопределённым. Другими словами, теоретически, экзотическая суперпозиция позволила бы происходить событиям в двух последовательностях сразу. А штука в том, что она-то как раз уже давно не является экзотикой.
Однако проверить такую игру реальности на практике оказалось очень сложно. Раньше учёным приходилось полагаться на косвенные признаки, сравнивая работу переключателя с обычными причинно-упорядоченными процессами. Это всё равно что доказывать, что монета находится в суперпозиции «орла» и «решки», просто наблюдая за её падением. Теперь же команда исследователей под руководством Карлы Рихтер и Ли Роземы пошла дальше, применив специальное неравенство, предложенное ван дер Лугтом, Барретом и Чирибеллой (VBC), которое позволяет провести полностью независимую от устройства проверку.
Учёные разработали эксперимент с использованием квантового переключателя, в котором порядок операций связан с поляризацией. Они создали установку, где взаимодействуют четыре участника (Алиса 1, Алиса 2, Боб и Чарли) условной квантовой игры. В центре схемы — фотонный квантовый переключатель с временной степенью свободы управляющего кубита. Внутри переключателя находятся обе Алисы, которые могут действовать в неопределённом причинно-следственном порядке (та самая суперпозиция последовательности действий). Находясь в «световом конусе» Алис, Чарли анализирует итоговый сигнал их взаимодействия, выраженный в состоянии управляющего кубита после того, как фотон прошёл через переключатель. При этом поляризация целевого кубита, отслеживаемого Бобом, запутана с временной степенью свободы управляющего переключателем кубита (с Алисами).
Таким образом, один фотон из пары направляется непосредственно Бобу, который будет проводить измерения произвольной поляризации, а другой — отправится к квантовому коммутатору. Эксперимент проходит в двух режимах: с одной стороны Боб пытается угадать, в каком порядке действовали Алисы, а с другой — Боб и Чарли пытаются сопоставить свои показания. Штука в том, что если бы порядок событий был строго определён (сначала одна Алиса, потом другая), оба они вступали бы в противоречие, и выигрыш в одном режиме приводил бы к проигрышу в другом. Однако одновременный успех в обоих режимах доказал бы наличие неопределённого причинного порядка.
Результат превзошёл ожидания, превысив теоретический предел для классического причинного порядка. Это означает, что опыт сработал «на отлично», став первой экспериментальной демонстрацией независимого от устройства подтверждения неопределённого причинного порядка. Хотя в текущей версии эксперимента остаются «лазейки» (недостаточная защита от помех и условности эксперимента), сам подход открывает путь к созданию принципиально новых технологий.
Квантовый переключатель уже доказал свою эффективность: он способен улучшать распознавание каналов связи, повышать точность измерений и даже охлаждать квантовые системы. Убедительное подтверждение реальности неопределённого причинно-следственного порядка превращает его из фундаментального курьёза в полноценный квантовый ресурс, такой же, как запутанность или суперпозиция.
В перспективе это может привести к созданию нового класса квантовых компьютеров и протоколов связи, где информация будет обрабатываться в «петлях времени», а эффективность вычислений станет недостижимой для современных машин. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, — это важный шаг к тому, чтобы сделать неопределённость причинно-следственных связей не просто абстрактной теорией, а инженерной реальностью.
АРМК, по материалам APS Journals.