В середине XX века физик Джон Белл предложил один из самых значимых и строгих способов различия классической физики от квантовой — так называемое неравенство Белла. Этот тест основан на принципе локального реализма, который предполагает, что свойства частиц существуют независимо от нашего наблюдения, и что влияние между ними не может распространяться быстрее света. Согласно классической физике, нарушения этого неравенства невозможно — любые обнаруженные нарушения свидетельствуют о наличии явлений, которых классическая теория объяснить затруднительно. С практической точки зрения, такие нарушения свидетельствуют о существовании квантовых связей или корреляций.
Долгое время считалось, что такие эффекты возможны только в случае запутанности — уникальном состоянии, когда две частицы находятся в глубокой квантовой взаимосвязи, даже если они разделены километрами. Однако последние исследования показывают, что источник квантовой нелокальности может быть иным — не связанный с запутанностью вовсе. Новые эксперименты, проведённые учёными, раскрывают ещё одну сторону квантовых систем: роль «квантовой неразличимости по пути».
Этот термин описывает ситуацию, когда излучённые фотоны так проходят к детекторам, что невозможно определить, какой именно маршрут они выбрали. Другими словами, фотон, который достигает детектора, ничем не отличим по пути, по которому он прошёл, и принципиально невозможно сказать, через какую из возможных оптических траекторий он переместился. При этом, несмотря на такие условия, фотоны на момент регистрации не находятся в запутанном состоянии — корреляции появляются по иному механизму. Это открывает новые горизонты понимания нелокальных явлений в квантовой механике.
Для реализации подобной схемы физики использовали лазер, направлявший свой излучение на два кристалла. Каждый из них способен испустить пару фотонов. В отличие от классических методов, в системе были применены специальные оптические элементы, которые обеспечили «переплетение» траекторий — так, что источники фотонов становились неразличимыми. Такая сложная настройка создаёт условия, при которых возникает характерная для квантовых систем корреляция без необходимости запутанных состояний.
Проверка на неравенство Белла показала значительное его нарушение — уровень превышения порогового значения был более чем в четыре стандартных отклонения. Это стало первым подтверждённым случаем, когда было зафиксировано нарушение неравенства Белла у фотонов, не находящихся в запутанных состояниях. Такие результаты свидетельствуют о существовании нелокальных связей, не основанных на запутанности, и заставляют пересмотреть некоторые классические представления о природе квантовых взаимодействий.
Авторы исследования подчёркивают, что их результаты показывают важную связь не только с запутанностью, но и с концепцией «неразличимости по пути» — важным аспектом квантовой природы; это, в свою очередь, расширяет понимание источников корреляций в квантовой физике и делает теорию более универсальной.
Однако в работе есть и ограничения. Одним из них является использование постселекции — только те фотоны, которые удалось зарегистрировать при определённых условиях, входили в анализ. Это может влиять на статистическую достоверность результатов и их универсальность. Кроме того, сохраняется «лазейка локальности»: фазы детекторов останавливали неизменными, и не было проведено экспериментальных исследований с необходимыми пространственными разделениями для полного исключения локальных объяснений.
Тем не менее, учёные планируют усовершенствовать свои установки, устранить текущие ограничения и провести более масштабные эксперименты. В перспективе такие исследования могут расширить класс проверок неравенства Белла и показать, что нелокальность в квантовой механике возможна и без запутанных частиц. Это существенно меняет представление о границах между классической и квантовой физикой, подразумевая, что границы эти могут быть куда сложнее, чем ранее считалось. В итоге, подобные открытия могут привести к новому развитию квантовых технологий, включая безопасную коммуникацию и квантовые вычисления, где понимание источников нелокальных связей является ключевым.