Луна не обязательно существует, если вы на нее не смотрите. Так гласит квантовая механика, утверждающая, что существование зависит от того, что вы оцениваете. Доказательство того, что реальность такова, обычно предполагает сравнение сложных вероятностей, но физики из Китая объяснили это более наглядно. Они провели игру, в которой два игрока, используя квантовые эффекты, выигрывают каждый раз — чего не может быть, если результаты игры просто показывали бы реальность такой, какой она уже существует.

«Насколько мне известно, это самый простой сценарий, в котором это происходит», — говорит Адан Кабельо, физик-теоретик из Университета Севильи, который в 2001 году описал эту игру. Такая квантовая псевдотелепатия зависит от взаимосвязей между частицами, которые существуют только в квантовой области, говорит Энн Бродбент, ученый по квантовой информации из Университета Оттавы. «Мы наблюдаем нечто, не имеющее классического аналога».

Квантовая частица может существовать одновременно в двух взаимоисключающих состояниях. Например, фотон может быть поляризован так, что электрическое поле в нем извивается вертикально, горизонтально или в обоих направлениях одновременно — по крайней мере, до тех пор, пока он не будет измерен. Затем двухстороннее состояние случайным образом распадается на вертикальное или горизонтальное. Очень важно, что независимо от того, как разрушается двустороннее состояние, наблюдатель не может считать, что измерение просто показывает, как фотон уже был поляризован. Поляризация появляется только при измерении.

Это последнее замечание не понравилось Альберту Эйнштейну, который считал, что поляризация фотона должна иметь значение, не зависящее от того, измеряется ли она. Он предположил, что частицы могут нести в себе «скрытые переменные», которые определяют, как разрушится двустороннее состояние. Однако в 1964 году британский теоретик Джон Белл нашел способ экспериментально доказать, что такие скрытые переменные не могут существовать, используя явление, известное как запутывание.

Два фотона могут быть спутаны так, что каждый из них находится в неопределенном состоянии в обе стороны, но их поляризации коррелируют так, что если один из них горизонтален, то другой должен быть вертикален, и наоборот. Исследование запутанности — дело непростое. Для этого Алиса и Боб должны иметь по измерительному прибору. Эти приборы могут быть ориентированы независимо друг от друга, поэтому Алиса может проверить, горизонтально или вертикально поляризован ее фотон, а Боб может повернуть свой детектор на угол. Относительная ориентация детекторов влияет на то, насколько сильно коррелируют их измерения.

Белл представлял себе, как Алиса и Боб произвольно ориентируют свои детекторы в течение многих измерений, а затем сравнивают результаты. Если скрытые переменные определяют поляризацию фотона, то корреляция между измерениями Алисы и Боба может быть только очень сильной. Но, по его мнению, квантовая теория позволяет им быть более сильными. Во многих экспериментах наблюдались такие сильные корреляции и исключались скрытые переменные, хотя и только статистически в ходе многих опытов.

Теперь физики из Нанкинского университета Си-Лин Ванг и Хуэй-Тянь Ванг с коллегами более четко сформулировали этот тезис с помощью игры Мермин-Перес. В каждом раунде игры Алиса и Боб делят не одну, а две пары запутанных фотонов, на которых можно проводить любые измерения. Каждый игрок также имеет сетку три на три и заполняет каждую клетку в ней цифрой 1 или -1 в зависимости от результата этих измерений. В каждом раунде судья случайным образом выбирает одну из строк Алисы и одну из колонок Боба, которые пересекаются в одном квадрате. Если Алиса и Боб имеют одинаковое число в этом квадрате, они выигрывают раунд.

Звучит просто: Алиса и Боб ставят 1 в каждую клетку, чтобы гарантировать выигрыш. Не так быстро. Дополнительные правила «четности» требуют, чтобы все записи в строке Алисы умножались на 1, а записи в столбце Боба умножались на -1.

Если скрытые переменные предопределяют результаты измерений, Алиса и Боб не могут побеждать в каждом раунде. Каждый возможный набор значений скрытых переменных фактически задает сетку, уже заполненную -1 и 1. Результаты фактических измерений просто говорят Алисе, какое из них выбрать. То же самое относится и к Бобу. Но, как легко показать с помощью карандаша и бумаги, ни одна сетка не может удовлетворять правилам четности Алисы и Боба. Поэтому их сетки должны расходиться хотя бы в одной клетке, и в среднем они могут выиграть не более восьми раундов из девяти.

Квантовая механика позволяет им выигрывать каждый раз. Для этого они должны использовать набор измерений, разработанный в 1990 году Дэвидом Мермином, теоретиком из Корнельского университета, и Ашером Пересом, теоретиком из Израильского технологического института. Алиса производит измерения, связанные с квадратами в строке, указанной судьей, а Боб — с квадратами в указанном столбце. Запутанность гарантирует, что они согласны с числом в ключевом квадрате и что их измерения также подчиняются правилам четности. Вся схема работает, потому что значения появляются только в процессе измерений. Остальная часть решетки не имеет значения, поскольку значения не существуют для измерений, которые Алиса и Боб никогда не делали.

Генерировать две пары запутанных фотонов одновременно непрактично, говорит Си-Лин Ванг. Поэтому вместо этого экспериментаторы использовали одну пару фотонов, которые запутаны двумя способами — через поляризацию и так называемый орбитальный угловой момент, который определяет, будет ли волнообразный фотон штопорить вправо или влево. Эксперимент не идеален, но Алиса и Боб выиграли 93,84% из 1 075 930 раундов, превысив максимальный показатель 88,89% со скрытыми переменными, сообщает команда в исследовании, опубликованном в Physical Review Letters.

По словам Кабелло, другие исследователи уже демонстрировали подобную физику, но Си-Лин Ванг с коллегами «используют именно язык игры, что очень приятно». Демонстрация может иметь практическое применение, говорит он.

Бродбент имеет в виду реальное применение: проверка работы квантового компьютера. Эта задача важна, но трудна, поскольку квантовый компьютер должен делать то, что не под силу обычному компьютеру. Однако, говорит Бродбент, если бы игра была встроена в программу, ее мониторинг мог бы подтвердить, что квантовый компьютер манипулирует запутанными состояниями так, как нужно.

Кси-Лин Ванг говорит, что эксперимент был задуман главным образом для того, чтобы продемонстрировать потенциал любимой технологии команды — фотоны запутываются как в поляризации, так и в угловом моменте. «Мы хотим улучшить качество этих гиперзапутанных фотонов».