Модификация, наречена "почти-квантова теория", предвижда, че частиците могат да имат по-силни взаимни връзки, отколкото са наблюдавани досега. Ако тестовете покажат, че това е вярно, това ще предизвика силно сътресение във физиката.

"Айнщайн атакува квантовата теория". С това заглавие излиза "Ню Йорк Таймс" на 4 май 1935 г. Най-известният учен в света и двама негови сътрудници са открили нещо, което според тях е фатален недостатък на най-великата днес теория за природата. Те са установили, че частици, разделени на километри, изглежда могат да си взаимодействат мигновено помежду си. Алберт Айнщайн нарича това "призрачно действие на разстояние".

Въпреки че е помогнал да се положат основите на квантовата теория, Айнщайн е смятал, че в нея определено липсва нещо. Това призрачно действие просто не му се е струвало правилно - трябва да има нещо, което не виждаме и което може да го обясни. Не може да е вярна идея, която е толкова странна, нали?

Сега знаем, че е вярна. Това е изводът на физиката от миналия век, тъй като квантовата теория, включително призрачното действие на разстояние, преминава всички експериментални тестове, на които е подложена. В най-малките мащаби реалността наистина е толкова странна, колкото предполага най-добрата ни теория за субатомния свят.

Но не се разбра, защо квантовата теория е толкова странна. Физиците отдавна изследват нейните основи в търсене на отговори. Неотдавна тези усилия довеждат до нова хипотеза, наречена "почти-квантова теория" (almost quantum theory), която е още по-странна от оригинала. Физиците се вълнуват, защото усещат, че може би скоро ще могат да я изпробват. Ако тази нова теория бъде приета, ще бъде научното събитие на века.

Квантовата теория се занимава със субатомния свят на частиците и описва поведението им с изключителна точност. За нея често се говори като за най-надеждната научна теория. Но това не прави идеите ѝ по-лесни за възприемане. Сред нейните странни аспекти е, че субатомните частици могат да съществуват в облак от възможни състояния, наречен суперпозиция, преди да бъдат измерени - контраинтуитивната природа на това е най-известна като "котката на Шрьодингер", мисловен експеримент за котка, която е едновременно мъртва и жива, докато не проверим това. Друга странност е, че светлината може да се държи едновременно като частица и вълна.

Но най-много ни обърква това "призрачно действие на разстояние", по-известно като нелокалност. Ако вземем две частици, подготвени чрез специална процедура, наречена квантово заплитане, и ги изпратим на голямо разстояние една от друга. Ако се вгледаме в едната, веднага ще можем да разпознаем някои от квантовите свойства на другата. Изглежда, че те си влияят мигновено на големи разстояния, въпреки че не се осъществява никакво влияние. Наистина това изглежда "свръхестествено", "призрачно".

ТЕСТЪТ НА БЕЛ

За по-пълното разбиране на нелокалността е полезно да разгледаме един анекдот за странни чорапи, разказан за първи път от ирландския физик Джон Бел, който е допринесъл много за разбирането ни за квантовия свят. Той е вдъхновен от Райнхолд Бертман, който работи с Бел в края на 70-те години на миналия век. Бел вижда, че колегата му имал навика да носи различен цвят чорап на всеки крак. Това означавало, че щом единият чорап на Бертман е розов например, е ясно, че другият няма да е розов.

Бел си помислил, че това звучи подозрително подобно на квантово заплитане. Това го кара да се замисли дали заплитането е толкова странно, колкото изглежда. Анекдотът за чорапите може да се обясни достатъчно лесно с избора на Бертман, когато се облича. Възможно ли е съответствието между вплетените частици да е по подобен начин предопределено - и така да се обясни с обикновената, неквантова физика?

Гениалността на Бел се състои в отговорът му на този въпрос с помощта на т. нар. "тест на Бел". Той включва вплитане на две частици и изпращането им далеч една от друга в лаборатории, където те могат да бъдат измерени по два различни начина. Всяка лаборатория извършва едно измерване, без да знае какво е избрала другата лаборатория, и го използва, за да предскаже резултатите от измерването на другата лаборатория. Представете си го като квантов вариант на това да погледнете розовия чорап и да предскажете, че другият чорап не е розов. Те правят това много пъти и броят правилните прогнози. Бел демонстрира, че ако вплитането може да бъде обяснено чрез обикновената, неквантова физика, то в теста на Бел ще се получава правилен отговор в не повече от 75 % от случаите. Когато обаче тестът се провежда върху квантово вплетени частици, верният отговор ще се появява в 85 % от случаите.

Следователно тестът на Бел е начин да се определи количествено колко странни са корелациите между квантовите частици - и той показва, че те наистина надхвърлят всичко, което можем да се обясни с помощта на класическата физика. Ето това всъщност се има предвид, когато се говори за "нелокалност".

Сега тестът на Бел играе ключова роля в развитието на поредица от идеи, които са дори по-странни от квантовата теория.

В ТЪРСЕНЕ НА ЕДИН-ЕДИНСТВЕН ПРИНЦИП НА КВАНТОВАТА ТЕОРИЯ

Тези идеи се зараждат преди 30 години, когато изследователите се питат дали има един-единствен принцип в основата на квантовата теория.

Защо това е важно? Да сравним квантовата теория със Специалната теория на относителността на Айнщайн. Последната е изградена главно от основния принцип, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината.

Ако квантовата теория може да бъде изведена по подобен начин от един принцип, един вид същност на кванта, това не само би било изключително елегантно, но и би могло да ни покаже откъде в крайна сметка произлизат странностите в рази теория.

През 1994 г. Санду Попеску (Sandu Popescu) от Бристолския университет, Великобритания, и Даниел Рорлих (Daniel Rohrlich) от Университета "Бен-Гурион" в Негев, Израел, с помощта на независим от устройството подход се опитват да решат този въпрос. Те предлагат възможна теория на физиката, която математически формулира само два прости принципа. Първо, никой сигнал не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината. Второ, в реалността се прилага нелокалност. Всичко това изглеждаше рутинно. Но ги очаквал шок.

При метода, въведен от Попеску и Рорлих, експериментите се разглеждат като черни кутии, които допускат класически вход и връщат класически изход. Не се правят предположения относно вътрешните механизми, довели до генерирането на експерименталния резултат - в тази рамка единствената информация, която може да се надяваме да съберем от няколко повторения на последователни или едновременни експерименти, е вероятностното разпределение на изходните данни, обусловени от входните данни.

Оказало се, че тяхната идея, известна като PR кутии, позволява много по-силни корелации, отколкото се наблюдават. Тестът на Бел би дал правилния отговор в 100% от случаите. Изглежда очевидно погрешно, но хипотезата на PR кутиите се основава на разумни предположения, но откъде идва грешката?

Този резултат остава до голяма степен незабелязан за известно време.

"Тяхната работа се появи в малко неизвестно списание", разказва Мати Хобан (Matty Hoban) от Quantinuum, компания за квантови изчисления в Оксфорд, Великобритания.

Но преди малко повече от десетилетие някои физици започват да проучват по-задълбочено.

Един от тях е Мигел Наваскуес (Miguel Navascués), също от Виенския институт. През 2009 г. той също решава да преформулира правилата на квантовата теория, като този път изхожда от принципа, че нищо не се движи по-бързо от светлината, и от нов принцип, наречен макроскопична локалност. Последният гласи, че при преминаването от обекти с размери на частици към по-големия макроскопичен свят се появяват правилата на класическата физика и нелокалността изчезва. Тестът на Бел при тези предположения показва, че правилните отговори за вплетени частици трябва да се появяват в по-малко от 100 % от случаите. Това предполага, че PR кутиите са сбъркани, защото са пропуснали принципа на макроскопичната локалност.

Сега като чели този вид изследвания могат да ни приближат до откриването на същността на квантовата теория.

През същата година екип, ръководен от Марчин Павловски (Marcin Pawłowski) от Университета в Гданск, Полша, опитва отново да преформулира принципа, този път изхождайки от един принцип, наречен информационна причинност. Той гласи, че когато двама души обменят информация, единият не може да получи повече, отколкото другият е изпратил. Това се оказва решаващо. Тестът на Бел, проведен по получената формулировка, би дал верни отговори в 85 % от случаите - максималното ниво на точност, наблюдавано при реални експерименти.

ПРИЗРАЧНО ДЕЙСТВИЕ ОТ РАЗСТОЯНИЕ

Това предизвиква голямо вълнение.

"Информационната причинност имаше огромен успех, беше невероятно", разказва Наваскуес. "Хората твърдяха, че може би този принцип съдържа цялата квантова механика".

Някои решават, че може би най-накрая сме попаднали на същността на квантовата теория.

Но Наваскуес не е толкова сигурен. Той не смята, че авторите са направили достатъчно, за да покажат, че тяхната рамка може да опише всички нюанси на квантовата физика, не на последно място и другите странни явления отвъд нелокалността.

Затова през 2015 г. Наваскуес, Хобан и техните сътрудници излизат с още едно предположение. В него се пропуска част от информацията, съдържаща се в същинската квантова теория, поради което то става известно като почти-квантова теория.

Но изглежда, че в това предположение е включено всичко, което знаем, че е вярно за квантовата теория. Нещо повече, когато се оцени резултата, който би се получил от теста на Бел за почти-квантовата теория, той отново излиза около 85 %. Наваскуес и неговите сътрудници са постигнали целта си да покажат недостатъците на информационната причинност, защото този принцип не възпроизвежда по уникален начин квантовата теория.

Когато се замислите, се появява една вълнуваща алтернатива: ами ако почти-квантовата теория всъщност е истинското описание на реалността?

В почти всички ситуации тя прави същите предсказания като обикновената квантова теория. И все пак има някои необичайни случаи, в които, по изненадващ начин, тя предсказва, че ще има корелации между частиците, които са по-силни, отколкото са при обикновената квантова теория. Нито една от тези ситуации досега не е изследвана експериментално.

И така, физиците разполагат с потенциално жизнеспособна теория за реалността, която не може да се изключи, а тя предполага, че при някои обстоятелства квантовата теория не е достатъчно странна, за да отрази вярно реалността.

Но има и още една причина почти-квантовата теория да е толкова вълнуваща.

Една от най-големите мисии на физиката е да намери по-обединено описание на реалността. В момента теориите ни за гравитацията и за квантовия свят са отделни неща и обещаващ начин за обединяването им би бил да се намери квантова версия на Общата теория на относителността.

Оказва се, че почти-квантовата теория има подобна математическа структура на един от кандидатите за теория на квантовата гравитация, наречен декохерентна историческа формулировка на квантовата гравитация. Тази интерпретация на квантовата механика се основава на критерий за последователност, който след това позволява вероятностите да бъдат приписани на различни алтернативни истории на система, така че вероятностите за всяка история да се подчиняват на правилата на класическата вероятност, като същевременно са в съответствие с уравнение на Шрьодингер. За разлика от някои интерпретации на квантовата механика, особено Копенхагенстата интерпретация, рамката не включва „колапс на вълновата функция“ като подходящо описание на всеки физически процес и подчертава, че теорията на измерването не е основна съставка на квантовата механика.

Градивните елементи на тази хипотеза, предложена от Нобеловия лауреат Мъри Гел-Ман, съответстват на последователности от взаимодействия между частиците. В момента идеята не е популярна и всичко това може да е съвпадение. А може и да ни казва нещо.

КВАНТОВО ЗАПЛИТАНЕ

Жизненоважно е да разберем дали почти-квантовата теория се потвърждава. Но това няма да е лесно. Тя предвижда, че в определени ситуации частиците могат да имат по-силни корелации, отколкото някога са наблюдавани. Но по дефиниция съответните системи от частици ще бъдат по-трудни за контрол и работа. Един от начините да се провери това може да бъде провеждането на версия на теста на Бел с три частици вместо с две, разказва Ана Белен Сайнц (Ana Belén Sainz), също от Университета в Гданск. 

Единственият проблем е, че все още не се знае какви частици биха били най-подходящи за такива тестове. Обичайните частици като електрони или фотони не са подходящи. Но Наваскуес отбелязва, че има системи от квантови частици, които винаги сме се опитвали да контролираме - частици като каони, които се състоят от кварки, свързани по необичаен начин. Той смята, че в тях може да се крие нова квантова физика.

Друго място, където може да се търси, е в квантовите компютри, посочва Хобан. В тези машини много частици си взаимодействат по начини, които не винаги можем да разберем.

"Бих се радвал, ако започнем да изграждаме тези квантови компютри и изведнъж се окаже, че те не се държат както трябва", коментира Хобан.

Това може да е знак за почти-квантовата теория. Наваскуес е на същото мнение, че разглеждането на системи, в които си взаимодействат голям брой частици, може да е плодотворно. Той разговаря с група експериментатори в Китай, за да проучи как биха могли да проектират такива системи и да ги тестват.

Ако почти-квантовата теория се окаже вярна, това ще има сериозни последици. Способността за заплитане на частици е в основата на квантовите компютри и квантовата криптография. Квантовите изчисления обещават революция,  предоставяйки напълно нов начин за извършване на изчисления. Квантовата криптография предлага надежден начин за защита на комуникациите и може да бъде в основата на квантовия интернет. Ако почти-квантовата теория е вярна и можем да я използваме, това би могло да даде тласък и на двете технологии.

Дори всичко това да се окаже просто илюзия, търсенето на нови принципи във физиката е ценно. Колкото повече научаваме за квантовата теория, толкова по-голяма е вероятността да намерим начин да я съвместим с Общата теория на относителността, теорията на Айнщайн за гравитацията.

"Квантовата теория вече е много стара в сравнение с други теории, но има толкова много нови пътища, които хората изследват постоянно", отбелязва Мирям Вайленман (Mirjam Weilenmann) от Института за квантова оптика и квантова информация в Австрия.

Някога Айнщайн силно се е надявал, че призрачното действие на разстояние е недостатък, който в крайна сметка ще покаже, че квантовата механика е погрешна. Той не е знаел, че 90 години по-късно може би ще бъде открита още по-призрачна теория на физиката.

Navascués, M., Guryanova, Y., Hoban, M. et al. Almost quantum correlations. Nat Commun 6, 6288 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms7288 

This new version of quantum theory is even stranger than the original,  New Scientist