Квантовые компьютеры показывают, что волновая функция реальна

Действительно ли квантовая механика отражает природа в его истинной форме, или это просто наш неточный способ описания странных свойств очень маленьких вещей? Знаменитый тест, который может помочь ответить на этот вопрос, теперь был опробован на квантовом компьютере, и он привел к удивительно конкретному выводу. Квантовая механика действительно полностью описывает реальность, по крайней мере, для крошечных квантовых устройств – и результаты могут помочь нам построить лучшие и более надежные квантовые машины.

С тех пор как квантовая механика была впервые открыта более века назад, ее неопределенный и вероятностный характер беспокоил физиков. Возьмем, к примеру, суперпозицию: действительно ли частица обитает во многих местах одновременно, или вычисление ее положения дает нам диапазон вероятностей того, где она на самом деле находится? В последнем случае может существовать какая-то особенность реальности, скрытая от квантовой механики и ограничивающая нашу уверенность. Такая особенность была бы «скрытой переменной», и поэтому теории, основанные на этой идее, называются теориями скрытых переменных.

В 1960-е годы физик Джон Белл придумал эксперимент исключить такие теории. Тест Белла исследует квантовость, измеряя, насколько связаны или запутаны далекие пары квантовых частиц. Если их квантовые свойства поддерживаются выше определенного порога – если их запутанность является тем, что мы называем нелокальным и охватывает любое расстояние – тогда мы могли бы исключить теории скрытых переменных. С тех пор тесты Белла были опробованы для многих квантовых систем, и они единогласно вынесли решение в пользу присущей квантовому миру нелокальности.

В 2012 году физики Мэтью Пьюзи, Джонатан Барретт и Терри Рудольф придумали еще более пробный тест (названный в их честь PBR), который позволил бы экспериментаторам различать различные интерпретации квантовой системы. К ним относится онтическая точка зрения, согласно которой наши измерения квантовой системы и ее волновой функции – математическое описание ее квантовых состояний – представляют реальность. Другая интерпретация, называемая эпистемической точкой зрения, утверждает, что эта волновая функция — мираж, и под ней существует более глубокая и богатая реальность.

Если вы верите, что у квантовых систем нет каких-то других секретных свойств, которые могут влиять на системы помимо волновой функции, то математика PBR показывает, что вы всегда должны иметь онтический взгляд на вещи – что, какими бы странными они ни выглядели, квантовое поведение реально. Тест PBR работает путем сравнения различных квантовых элементов, таких как кубит внутри квантового компьютера, и измерения того, как часто они считывают одно и то же значение для некоторого свойства, например, их вращения. Если бы эпистемическая точка зрения была верной, количество раз, когда ваши кубиты считывают одно и то же значение, было бы выше, чем предсказывает квантовая механика, что указывает на то, что под ними происходит что-то еще.

Сунцинхао Ян из Кембриджского университета и его коллеги разработали способ проведения теста PBR на работающем квантовом компьютере IBM Heron и увидели, что для небольшого числа кубитов мы действительно можем сказать, что квантовые системы являются онтическими. То есть квантовая механика, по-видимому, работает так, как мы думали, как это неоднократно показывали тесты Белла.

Ян и его команда провели эту проверку, измерив общий результат работы пар или групп из пяти кубитов, таких как строки из единиц и нулей, и рассчитали, как часто этот результат совпадает с их предсказанием о том, как должна вести себя квантовая система, с учетом естественных ошибок в системе.

«В настоящее время все квантовое оборудование зашумлено, и во всех операциях есть некоторые ошибки, поэтому, если мы добавим этот шум поверх порога PBR, что произойдет с нашей интерпретацией? [of our system]?» говорит Ян. «Оказывается, если вы проведете эксперимент в небольшом масштабе, мы все равно сможем удовлетворить исходный тест PBR и исключить эпистемическую интерпретацию». Скрытые переменные, прочь.

Хотя им удалось продемонстрировать это для небольшого количества кубитов, им было сложно сделать то же самое для большего количества кубитов на 156-кубитной машине IBM. Шум или ошибки в системе стали слишком велики, чтобы исследователи могли различить два сценария в тесте PBR.

Это означает, что тест не может сказать нам, является ли мир полностью квантовым. Возможно, в некоторых масштабах онтическая точка зрения побеждает, тогда как в более крупных масштабах мы не можем точно увидеть, что делают квантовые эффекты.

Возможность проверить «квантовость» квантового компьютера с помощью этого теста может быть способом подтвердить, что эти устройства делают то, что мы думаем, а также повысить вероятность того, что они смогут продемонстрировать квантовое преимущество – способность выполнять задачу, которая заняла бы у классического компьютера неоправданное количество времени. «Если вы хотите иметь квантовое преимущество, вам нужна квантовость внутри ваших квантовых компьютеров, иначе вы можете найти эквивалентный классический алгоритм», — говорит член команды. Хаому Юань в Кембриджском университете.

«Идея использования PBR в качестве эталона производительности устройства интригует», — говорит Мэтью Пьюзи в Йоркском университете, Великобритания, один из первых авторов PBR. Но Пьюзи менее уверен, что это говорит нам что-то о реальности. “Основная причина проводить эксперимент, а не полагаться на теорию, заключается в том, что вы думаете, что квантовая теория может быть ошибочной. Но если квантовая теория неверна, какой вопрос вы вообще задаете? Вся установка онтических и эпистемических состояний предполагает квантовую теорию”.

Чтобы по-настоящему найти способ провести PBR-тест, который расскажет нам о реальности, вам нужно будет найти способ сделать это, не предполагая, что квантовая теория верна. «Есть меньшинство людей, которые верят, что квантовая физика фундаментально потерпит крах на каком-то мезоскопическом масштабе», — говорит Терри Рудольф в Имперском колледже Лондона, еще один из создателей теста PBR. “Хотя этот эксперимент вряд ли имеет отношение к исключению какого-либо конкретного подобного предложения – чтобы быть ясным, я не знаю, так или иначе! – проверка фундаментальных особенностей квантовой теории на все более крупных системах всегда помогает нам сузить пространство поиска альтернативных теорий”.

Ссылка: arXiv, ДОИ: arxiv.org/abs/2510.11213