Странный парадокс «квантовой голубятни»

Немецкий математик XIX века Иоганн Дирихле использовал в математике голубей. Домашние голуби часто живут в больших ящиках со многими отделениями — голубятнях. Принцип Дирихле утверждает, что если голубей в голубятне на одного больше, чем отделений, то хотя бы в одном отделении должен сидеть не один, а два голубя. Идея проста и понятна каждому, но она позволяет легко доказать кучу достаточно сложных математических теорем.

И все бы хорошо, но несколько лет назад физики-теоретики поняли, что в квантовом мире принцип голубей и ящиков" может не выполняться. Размещая три квантовых объектов в двух группах, мы легко можем получить результат, когда ни одна из групп не будет содержать двух объектов. Виноват в этом тот самый принцип суперпозиции, который позволяет строить квантовые компьютеры, намного быстрее, чем современные. Так же, как несколько битов умещаются в кубите, так и «квантовые голуби» свободно размещаются в «квантовой голубятне».

В статье исследователи подтвердили парадокс «квантовой голубятни». Для этого они начали отслеживать поляризацию фотонов, которые предварительно были приведены в состояние суперпозиции, то есть их поляризация одновременно была и вертикальной, и горизонтальной. Далее частицы направили на интерферометр, чтобы окончательно установить вид поляризации фотонов (так же, как и с известным котом Шредингера). Это действие должно было разделить частицы на два потока, в одном из которых должно быть две частицы, а в другом — одна. В этом случае вторичный детектор, который измеряет состояние всех трех частиц отдельно, должен был увидеть характерные сдвиги там, где две частицы с одинаковой поляризацией взаимодействуют между собой.

Мнимые голуби Дирихле помогли проверить концепцию в квантовом эксперименте.

Но этого не происходило. Картина, которую исследователи наблюдали на вторичном детекторе, была полностью симметричной. Так, будто все три частицы находились в различных квантовых состояниях. Это доказывает, что принцип Дирихле в квантовом мире действительно ведет себя крайне странно. Если бы это был реальный мир, то мы могли бы задаться вопросом о том, что если одна частица находится в состоянии горизонтальной поляризации, а другая — в состоянии вертикальной, то в котором же находится третья?

В квантовом мире такая формулировка вопроса является неверной, потому что частица в состоянии суперпозиции может одновременно иметь разную поляризацию с другой частицей и не иметь одинаковой поляризации с третьей частицей, поляризация которой тоже отличается от поляризации второй. Собственно, в сочетании несочетаемых состояний и заключается принцип квантовой суперпозиции.

Скорее всего, поставленный эксперимент не скоро найдет свое практическое применение. Однако подтверждение принципа «квантовой голубятни» бросает вызов нашим представлениям о возможном и невозможном в этом мире. Пусть и в масштабах квантов и в определенных условиях, но ученые действительно смогли продемонстрировать явление, которое противоречит принципам, которые мы привыкли использовать как железный аргумент во многих дискуссиях — от семейной и общественной жизни, экономики и технических наук.