Квантовые компьютеры показывают, что волновая функция реальна

Неопределенность, присущая квантовой механике, давно заставляет физиков задаваться вопросом, отражают ли наблюдения, которые мы делаем на квантовом уровне, реальность. Новый тест показывает, что это так.

Действительно ли квантовая механика отражает природу в её истиннейшем виде, или это всего лишь наш неточный способ описания странных свойств очень малых величин? Известный тест, который может помочь ответить на этот вопрос, был опробован на квантовом компьютере и пришёл к удивительно чёткому выводу. Квантовая механика действительно полностью описывает реальность, по крайней мере, для крошечных квантовых устройств, и результаты могут помочь нам создавать более совершенные и надёжные квантовые машины.

С момента открытия квантовой механики более века назад её неопределённая и вероятностная природа беспокоила физиков. Возьмём, к примеру, суперпозицию: действительно ли частица находится во многих местах одновременно, или же расчёт её положения даёт нам диапазон вероятностей её фактического местонахождения? Если это последний вариант, то, возможно, существует некая особенность реальности, скрытая от квантовой механики и ограничивающая нашу уверенность. Такая особенность будет «скрытой переменной», поэтому теории, основанные на этой идее, называются теориями со скрытой переменной.

В 1960-х годах физик Джон Белл разработал эксперимент, чтобы опровергнуть подобные теории. Тест Белла исследует квантовость, измеряя степень связи, или запутанности, удалённых пар квантовых частиц. Если их квантовые свойства сохраняются выше определённого порога – если их запутанность является так называемой нелокальной, распространяющейся на любые расстояния – то мы можем опровергнуть теории со скрытыми параметрами. С тех пор тесты Белла были опробованы для многих квантовых систем, и единогласно подтвердили присущую квантовому миру нелокальность.

В 2012 году физики Мэтью Пьюзи, Джонатан Барретт и Терри Рудольф предложили ещё более проницательный тест (названный в их честь PBR), который позволит экспериментаторам различать различные интерпретации квантовой системы. К ним относится онтическая точка зрения, согласно которой наши измерения квантовой системы и её волновая функция – математическое описание её квантовых состояний – представляют собой реальность. Другая интерпретация, называемая эпистемической точкой зрения, утверждает, что эта волновая функция – мираж, и за ней скрывается более глубокая, богатая реальность.

Если вы верите, что квантовые системы не обладают какими-либо другими секретными свойствами, способными влиять на системы, выходящие за рамки волновой функции, то математика PBR показывает, что всегда следует придерживаться онтического взгляда на вещи: каким бы странным оно ни выглядело, квантовое поведение реально. Тест PBR работает путём сравнения различных квантовых элементов, таких как кубит внутри квантового компьютера, и измерения частоты считывания ими одного и того же значения для некоторого свойства, например, спина. Если бы эпистемическое представление было верным, количество считываний кубитами одного и того же значения было бы выше, чем предсказывает квантовая механика, что указывает на наличие чего-то ещё.

Сунцинхао Ян из Кембриджского университета и его коллеги разработали способ проведения теста PBR на работающем квантовом компьютере IBM Heron и обнаружили, что при небольшом числе кубитов мы действительно можем сказать, что квантовые системы являются онтическими. То есть, квантовая механика, по-видимому, работает так, как мы и предполагали, как неоднократно подтверждали тесты Белла.

Ян и его команда провели эту проверку, измерив общий выходной сигнал, создаваемый парами или группами из пяти кубитов, например, строками из 1 и 0, и подсчитали, насколько часто этот результат совпадал с их прогнозом о том, как должна вести себя квантовая система, с учетом естественных ошибок в системе.

«В настоящее время всё квантовое оборудование шумит, и во всех операциях возникают ошибки. Если мы добавим этот шум сверх порога PBR, что произойдёт с нашей интерпретацией [нашей системы]?» — говорит Ян. «Оказывается, если проводить эксперимент в небольшом масштабе, мы всё ещё можем пройти исходный тест PBR и исключить эпистемическую интерпретацию». Скрытые переменные, прочь!

Хотя им удалось продемонстрировать это для небольшого числа кубитов, им было сложно сделать то же самое для большего числа кубитов на 156-кубитной машине IBM. Шум, или ошибки, в системе стали слишком велики, чтобы исследователи могли различить два сценария в тесте PBR.

Это означает, что тест не может сказать нам, является ли мир квантовым насквозь. Возможно, на некоторых масштабах онтическая точка зрения побеждает, в то время как на более крупных масштабах мы не можем точно увидеть, как действуют квантовые эффекты.

Возможность проверки «квантовости» квантового компьютера с помощью этого теста может стать способом подтвердить, что эти устройства выполняют то, что мы предполагаем, а также повысить вероятность того, что они смогут продемонстрировать квантовое преимущество — способность выполнять задачу, которая классическому компьютеру потребовала бы неоправданно много времени. «Чтобы получить квантовое преимущество, вам нужно реализовать квантовость внутри ваших квантовых компьютеров, или же вы можете найти эквивалентный классический алгоритм», — говорит Хаому Юань, участник команды из Кембриджского университета.

«Идея использования PBR в качестве эталона производительности устройства интригует», — говорит Мэтью Пьюзи из Йоркского университета (Великобритания), один из авторов PBR. Но Пьюзи не уверен, что это говорит нам что-то о реальности. «Главная причина проводить эксперимент, а не полагаться на теорию, заключается в том, что вы считаете, что квантовая теория может быть ошибочна. Но если квантовая теория ошибочна, какой вопрос вы вообще задаёте? Вся система онтических и эпистемических состояний предполагает квантовую теорию».

Чтобы действительно найти способ провести PBR-тест, который бы дал нам информацию о реальности, необходимо найти способ сделать это, не предполагая, что квантовая теория верна. «Есть меньшинство людей, которые считают, что квантовая физика фундаментально перестанет работать на каком-то мезоскопическом масштабе», — говорит Терри Рудольф из Имперского колледжа Лондона, один из создателей PBR-теста. «Хотя этот эксперимент вряд ли имеет отношение к исключению какого-либо конкретного подобного предположения — уточню: я не знаю, как именно! — проверка фундаментальных особенностей квантовой теории на всё более крупных системах всегда помогает нам сузить пространство поиска альтернативных теорий».

Ссылка: arXiv, DOI: arxiv.org/abs/2510.11213

Источник: www.newscientist.com