Запутанность оказалась необходимой для всех физических теорий с классическим пределом

Квантовая запутанность — взаимосвязь квантовых состояний нескольких частиц вне зависимости от расстояния между ними — одно из наиболее контринтуитивных свойств квантовой физики, потому что находится в противоречии с некоторыми принципами классической физики. В своей новой работе физики из Великобритании математически доказали, что на самом деле запутанность является необходимым условием для существования у любой физической теории классического предела. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Если две квантовые частицы находятся в состоянии запутанности, то их квантовые состояния оказываются взаимозависимыми, причем эта связь распространяется на расстояния, превышающие длину всех известных взаимодействий. При изменении квантового состояния одной из двух квантово запутанных частиц, автоматически изменяется и состояние второй. Этот эффект нарушает принцип локальности и не может быть объяснен в рамках причинно-следственной схемы классической физики. Наиболее явно это было показано с помощью теоремы Белла.

В своей новой статье британские физики показывают, что запутанность — не особое свойство каких-то конкретных квантовых систем, а является неотъемлемой частью всех возможных физических теорий, у которых есть классический предел. Наличие классического предела у любой современной теории накладывает на нее некоторые ограничения. С одной стороны, классическая теория необходима для определения структуры и основных постулатов неклассической, а с другой — является при каких-то условиях для нее предельным случаем.

Основываясь на принципах обобщенной вероятностной теории, ученые рассмотрели все известные теории, которые правильно описывают известные экспериментальные данные и имеют при этом классический предел. Для этих теорий они составили карты декогеренции и рассмотрели квантовые системы, находящиеся в полуклассических состояниях — таких состояниях, когда из-за влияния внешних условий происходит разрыв квантовой когеренции и система начинает вести себя как классическая, а не квантовая.

Доказательство осуществлялось методом «от противного», в результате чего было показано, что если у неклассической теории с классическим пределом нет свойства запутанности состояний, то она сама будет являться классической теорией. Иными словами, если у неклассической теории есть нетривиальный механизм декогеренции, то в такой теории обязательно должна существовать запутанность.

Ученые предполагают, что существование и других свойств квантовых систем, которые сейчас кажутся контр-интуитивными, вероятно, может быть обосновано необходимостью наличия классического предела. В частности, в своих ближайших работах физики планируют исследовать, можно ли подобным образом доказать обязательность существования нелокальности Белла.

Квантовую запутанность, несмотря на всю ее противоречивость с точки зрения классической физики, можно увидеть даже невооруженным глазом, а для квантовых систем она является весьма полезным свойством и может использоваться, например, для квантовой телепортации или защиты квантовых данных.

Александр Дубов