Физики впервые зафиксировали квантовое «дальнодействие» без запутанных частиц

В середине XX века физик Джон Белл предложил строгий тест, позволяющий отделить квантовую механику от классической физики. Неравенство Белла опирается на принцип локального реализма — идею о том, что объекты имеют определённые свойства независимо от наблюдения, а влияние между ними не может распространяться быстрее скорости света. Если в эксперименте оно нарушается, то это значит, что между частицами возникает корреляция, которую невозможно объяснить классическими законами.

Долгое время считалось, что такие нарушения возможны только при квантовой запутанности — особом состоянии, когда состояния двух частиц связаны, даже если они разделены километрами. Но в новой работе физики показали, что источник нелокальности может быть иным.

Вместо запутанности ключевую роль сыграла «квантовая неразличимость по пути» (path identity). Это ситуация, когда фотоны приходят к детекторам так, что принципиально невозможно определить, через какой из двух возможных маршрутов прошёл каждый из них (quantum indistinguishability by path identity). При этом сами фотоны на момент регистрации не находятся в запутанном состоянии.

Чтобы реализовать такую схему, команда использовала лазер, излучение которого направлялось на два кристалла. Каждый кристалл мог испустить пару фотонов, но система оптических элементов была выстроена так, что траектории «переплетались» и источники становились неразличимыми. Это создавало условия для квантовых корреляций без запутанности.

Проверка на неравенство Белла показала уверенное нарушение локального реализма — превышение порогового значения более чем на четыре стандартных отклонения. Авторы подчёркивают, что это первый зафиксированный случай, когда такое нарушение наблюдается у незапутанных фотонов.

По их словам, результаты демонстрируют прямую связь между квантовыми корреляциями и неразличимостью, а не только с запутанностью. Это даёт новый взгляд на фундаментальные источники нелокальности в квантовой механике.

Тем не менее, в работе есть ограничения. Во-первых, применялась постселекция — в анализ попадали только фотоны, зарегистрированные при определённых условиях, что теоретически может влиять на статистику. Во-вторых, сохраняется «лазейка локальности» — фазы детекторов не были изменены с необходимым пространственным разделением.

Учёные планируют усовершенствовать установку и устранить эти недостатки. В будущем такие эксперименты могут расширить класс тестов Белла, показав, что «дальнодействие» в квантовой физике возможно и без запутанности, а значит, границы между классической и квантовой физикой могут быть устроены сложнее, чем считалось.

 Источник: Science Advances