Можем ли мы увидеть квантовые корреляции в макроскопическом масштабе?

Однако в нашем повседневном опыте кажется, что макроскопические объекты ведут себя в соответствии с правилами классической физики, и наблюдаемые нами корреляции являются локальными. Так ли это на самом деле, или мы можем оспорить эту точку зрения?

В недавней статье в Письма с физическими проверками ученые из Венского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук показали, что можно полностью сохранить математическую структуру квантовой теории в макроскопическом пределе. Это может привести к наблюдениям квантовой нелокальности на макроскопическом уровне.

Наш повседневный опыт подсказывает нам, что макроскопические системы подчиняются классической физике. Поэтому естественно ожидать, что квантовая механика должна воспроизводить классическую механику в макроскопическом пределе. Это известно как принцип соответствия, установленный Бором в 1920 году. Простым аргументом для объяснения этого перехода от квантовой механики к классической механике является крупнозернистый механизм: если измерения, выполняемые на макроскопических системах, имеют ограниченное разрешение и не могут разрешить отдельные микроскопические частицы. , то результаты будут вести себя классически.

Такой аргумент, примененный к (нелокальным) корреляциям Белла, приводит к принципу макроскопической локальности. Точно так же временные квантовые корреляции сводятся к классическим корреляциям (макроскопический реализм), а квантовая контекстуальность сводится к макроскопической неконтекстуальности. Было твердо убеждено, что квантово-классический переход универсален, хотя общего доказательства не было. Чтобы проиллюстрировать это, возьмем пример квантовой нелокальности.

Предположим, у нас есть два удаленных наблюдателя, Алиса и Боб, которые хотят измерить силу корреляции между своими локальными системами. Мы можем представить себе типичную ситуацию, когда Алиса измеряет свою крошечную квантовую частицу, а Боб делает то же самое со своей, и они объединяют свои результаты наблюдений для вычисления соответствующей корреляции. Поскольку их результаты по своей природе случайны (как всегда бывает в квантовых экспериментах), они должны повторять эксперимент большое количество раз, чтобы найти среднее значение корреляций. Ключевое предположение в этом контексте состоит в том, что каждый запуск эксперимента должен повторяться при точно таких же условиях и независимо от других запусков, что известно как предположение IID (независимость и одинаковое распределение).

Например, при выполнении случайных подбрасываний монет нам необходимо убедиться, что каждый бросок является справедливым и беспристрастным, что дает измеренную вероятность (приблизительно) 50% для орла / решки после многих повторений. Такое предположение играет центральную роль в существующих доказательствах редукции к классичности в макроскопическом пределе. Однако макроскопические эксперименты рассматривают кластеры квантовых частиц, которые упакованы вместе и измеряются вместе с ограниченным разрешением (крупнозернистый). Эти частицы взаимодействуют друг с другом, поэтому неестественно предполагать, что корреляции на микроскопическом уровне распределены в единицах независимых и одинаковых пар. Если да, то что произойдет, если мы откажемся от предположения о IID? Достигнем ли мы по-прежнему сведения к классической физике в пределе большого числа частиц?

В своей недавней работе Мигель Гальего (Венский университет) и Боривое Дакич (Венский университет и IQOQI) показали, что, к удивлению, квантовые корреляции выживают в макроскопическом пределе, если корреляции не распределены IID на уровне микроскопических составляющих.

«Предположение IID неестественно при работе с большим количеством микроскопических систем. Маленькие квантовые частицы сильно взаимодействуют, и квантовые корреляции и запутанность распределены повсюду. Учитывая такой сценарий, мы пересмотрели существующие расчеты и смогли найти полное квантовое поведение в макроскопическом масштабе. Это полностью противоречит принципу соответствия, и перехода к классике не происходит », – говорит Боривое Дакич.

Рассматривая наблюдаемые флуктуации (отклонения от ожидаемых значений) и определенный класс запутанных состояний многих тел (не-IID-состояния), авторы показывают, что вся математическая структура квантовой теории (например, правило Борна и принцип суперпозиции) сохраняется. в пределе. Это свойство, которое они называют макроскопическим квантовым поведением, прямо позволяет им показать, что нелокальность Белла видна в макроскопическом пределе. «Удивительно иметь квантовые правила в макроскопическом масштабе. Нам просто нужно измерить флуктуации, отклонения от ожидаемых значений, и мы увидим квантовые явления в макроскопических системах. Я считаю, что это открывает двери для новых экспериментов и применений », – говорит Мигель Гальего.