Квантов парадокс: вратичка в законите на природата, която позволява „заемане“ от реалността
Представете си магически портфейл. Можете да извадите пари от него, с цел да сключите добра договорка, само че по-късно сумата в портфейла остава същата. Фантастично? В нашия свят – безусловно. Но в квантовия свят, където законите на интуицията престават да работят, сходни „ трикове “ се оказват не просто вероятни, а, както се оказа, вградени в самата тъкан на действителността.
Скорошно проучване на физици от университета „ Лайбниц “ в Хановер, оповестено в влиятелното списание Nature Physics, хвърля светлина върху едно от най-екзотичните феномени на квантовата информатика – по този начин нареченото „ разхищаване 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 сериозно положение.
И по този начин, какво е това „ разхищаване “?
За да разберем същността на откритието, първо би трябвало да се оправим с две основни хрумвания. Първата е квантовото усложнение. Казано опростено, това е невидима връзка сред две или повече частици. Техните ориси стават единни: като измерим положението на едната, незабавно узнаваме положението на другата, даже в случай че те са на светлинни години една от друга. Това „ призрачно усложнение на огромни дистанции “, както го назовава Айнщайн, е основният запас за квантовите калкулации и сигурната връзка.
Втората концепция е самото разхищаване (embezzlement). Звучи престъпно, само че в действителност на процедура това е един грациозен развой. Представете си, че би трябвало да извършите някаква квантова интервенция, само че ви липсва „ горивото “ за нея – същото това усложнение. Разхищението ви дава опция да „ заемете “ това усложнение от трета страна, от ресурсна система. Тази система, сходно на катализатор в химическа реакция, оказва помощ за реализирането на процеса, само че самата тя остава на практика непроменена и неизползвана.
Доскоро се смяташе, че сходен трик изисква необикновено комплицирана и екзотична ресурсна система. А концепцията за „ повсеместен разхитител “ – система, в която всяко положение е уместно за ролята на подобен катализатор – изглеждаше чиста доктрина. Е, подобен „ великодушен “ източник не може да съществува в природата! Или пък може?
От теорията към действителността: къде се крият „ разхитителите “?
Тук стартира забавното. Екипът, управителен от Александър Стотмайстер и Хенрик Вилминг, взема решение да ревизира една смела догадка. Преди това те бяха изказали теорията, че „ разхищението “ (на някои места присвояването) може да възникне в релативистките квантови полета – доста комплицирани и нереални модели. Но скептиците възразиха: дали това не е просто артефакт на теорията и въобще не е действително свойство на физическия свят?
Тогава учените насочиха погледа си към нещо по-земно: едномерните фермионни вериги. Какво съставляват те?
Фермионите са „ градивните детайли “, 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 сериозното положение. Това е особено, гранично положение на системата, точка на квантовия фазов преход. Представете си вода с температура тъкмо 0 °C: тя е на път да се трансформира или в лед, или да остане течност. Именно в такива „ нерешителни “ положения материята демонстрира най-изненадващите си свойства.Изследователите потвърдиха: всяка сходна фермионна верига в сериозно положение естествено се трансформира в „ повсеместен разхитител “. Тя не се нуждае от никакви специфични условия. Сякаш тази дарба е вградена във физическата ѝ природа.
„ Това обгръща огромен набор от добре познати модели и демонстрира, че те имат доста по-силни свойства на усложнение, в сравнение с се смяташе до момента “, акцентира Хенрик Вилминг.
Не единствено трик за безкрайността
Един от тънките аспекти на тази научна работа е, че първичните калкулации са осъществени в по този начин наречената „ термодинамична граница “. Това е математически трик, при който се приема, че дадена система е безпределно огромна. Той е комфортен за теорията, само че в действителността няма безкрайни вериги.
Въпреки това физиците са отишли още по-далеч. Както изяснява съавторът на проучването Лауриц ван Лейк, те са съумели да покажат, че резултатът се резервира, въпреки и в приблизителна форма, в огромни, само че крайни системи.
Това изобретение трагично трансформира нещата. То реалокира „ разхищението на заплитането “ от света на идеализираните модели в света на действителните, въпреки и микроскопични обекти, които евентуално могат да бъдат основани и изследвани в лабораторни условия. Нещо повече, екипът към този момент работи по съответни протоколи, описващи по какъв начин тъкмо може да се реализира това усложнение на процедура, като се употребяват общоприетите интервенции на квантовата физика.
Инвариантни модели на свободни фермиони върху едномерна решетка, където енергийните ленти εj(k) са отчасти непрекъснати функционалности на вълновите цифри k и най-малко една от енергийните ленти е сериозна, т.е. има нетривиална повърхнина на Ферми. Какво следва? Нови хоризонти за квантовия свят
Това изобретение не е просто решение на следващата академична мистерия. То трансформира метода, по който мислим за фундаменталните свойства на материята. Оказва се, че светът на квантово равнище има доста по-сложни и мощни вътрешни запаси, в сравнение с сме предполагали.
Това открива пред учените напълно ново поле за проучване. Дали този резултат ще се резервира, в случай че частиците във веригата стартират интензивно да взаимодействат между тях? Какво ще се случи, в случай че се добави детайл на случайност в системата? И най-интригуващият въпрос: допустимо ли е да се провежда „ групов обир “, в който да вземат участие не две, а три или повече страни?
„ Показахме, че последното е допустимо по принцип – споделя Вилминг, – само че към момента не сме разкрили натурален физически модел, който да го разрешава.
Все още е рано да се приказва за на практика приложения в квантовите компютри на утрешния ден. Но работата на немските физици е прегледен образец за това по какъв начин фундаменталната просвета, водена от чисто любознание, открива изцяло нови, непредвидени свойства на Вселената. И кой знае, може би тези квантови „ катализатори “ един ден ще бъдат ключът към технологии, които през днешния ден даже не можем да си представим.
