В соответствии с квантовыми принципами, три частицы могут распределиться по двум состояниям таким образом, что ни одно из них не будет содержать более одной частицы.
В соответствии с математическим принципом, называемым «принцип голубей и ящиков», если количество ящиков меньше, чем количество голубей, то некоторые голуби вынуждены занимать одно место с другими. Однако фотоны, которые являются элементарными частицами света, способны нарушать данное правило, как показал эксперимент, описанному в статье журнала National Academy of Sciences.
В соответствии с принципом голубей и ящиков, также известным как принцип Дирихле, если три голубя помещаются в две клетки, то хотя бы в одной из клеток окажется не менее двух птиц. Несмотря на кажущуюся простоту, эта концепция позволяет понять, что такое числа и как происходит подсчет предметов. Однако, в контексте квантовой реальности, ученые предсказывали, что три «голубя» — квантовые частицы — могут одновременно находиться в двух клетках, не деля ни одну из них с другими. Это явление получило название квантовой голубятни.
Авторы исследования подчеркнули, что эффект квантовой голубятни противоречит общепринятым представлениям об основах, что требовало ясного экспериментального подтверждения. Они также упомянули, что квантовой голубятне можно найти потенциальное применение для поиска более сложных и фундаментальных квантовых эффектов.
Для проведения исследования использовали три фотона, выступающие в роли аналогов голубей. Вместо разделения фотонов по ячейкам, ученые проанализировали их поляризацию – направление колебаний электромагнитных волн, которое может быть горизонтальным или вертикальным. Поскольку использовалось всего три фотона и существовало два варианта поляризации, стандартные математические расчеты позволяют предположить, что поляризация как минимум у двух частиц была идентичной. При сравнении поляризаций частиц ученые выяснили, что ни одна из них не совпадали по этому параметру, подтвердив таким образом реальность эффекта квантовой голубятни.
Необычное поведение является следствием сочетания уже существующих, странных квантовых эффектов. Фотоны начинают эксперимент в весьма специфическом состоянии – суперпозиции, что означает одновременное наличие горизонтальной и вертикальной поляризации. При сравнении поляризаций двух фотонов измерение выявляет тонкую взаимосвязь между частицами – это явление известно как квантовая запутанность. Эти парадоксальные характеристики позволяют частицам проявлять удивительные свойства.
Он, безусловно, не является первым экспериментальным подтверждением этой идеи упрочил все ранее полученные результаты.
«Джефф Толлаксен из Чепменского университета, один из теоретических физиков, предсказавших этот эффект в 2014 году, утверждает, что данное исследование является наиболее удачным из всех проведенных до настоящего времени.
Впервые исследование предоставило доказательства того, что квантовые голуби демонстрируют аномальное поведение при соблюдении одного конкретного условия. Толлаксен и его соавторы ранее предположили, что для возникновения этого эффекта требуется предельно точное повторение измерения, чтобы не нарушить состояние хрупких квантовых частиц. Новое исследование подтвердило, что для проявления эффекта необходимо проводить слабое измерение.