Nonlocalitatea cuantică este înrădăcinată în natura identică a particulelor
La nivelul său cel mai profund, universul pare a fi nonlocal. Particulele separate în spațiu nu se comportă ca sisteme cuantice independente, ci ca părți ale unui întreg. Aceasta reafirmă o afirmație surprinzătoare a unor fizicieni polonezi: nonlocalitatea, care derivă din simplul fapt că toate particulele de același tip sunt indistinguibile, poate fi observată experimental pentru aproape toate stările particulelor identice.
Fiecare tip de particule, fie ele fotoni sau electroni, sunt interconectate între ele, inclusiv cele aflate pe Pământ și cele din cele mai îndepărtate galaxii. Această concluzie provine dintr-o postulație fundamentală a mecanicii cuantice: particulele de același tip sunt prin natura lor identice. Întrebarea care se pune este dacă există o sursă universală a entanglementului, care stă la baza acestor caracteristici peculiare și nonlocale ale lumii cuantice. De asemenea, se ridică întrebarea dacă am putea cumva să depășim teoria cuantică, care protejează cu strictețe accesul la această resursă extraordinară.
Două teoreticieni polonezi de la Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe (IFJ PAN) din Cracovia și de la Institutul de Informatică Teoretică și Aplicată al Academiei Poloneze de Științe (IITiS PAN) din Gliwice, au oferit răspunsuri acestor întrebări. Constatările lor, publicate în revista npj Quantum Information, arată cum identitatea particulelor generează nonlocalitate cuantică observabilă.
Analizând entanglementul fundamental al particulelor identice, teoreticienii de la IFJ PAN și IITiS PAN au utilizat conceptul de nonlocalitate propus de John Bell. Deși entanglementul este un concept profund înrădăcinat în cadrul abstract al teoriei cuantice, localitatea este mult mai intuitivă. Aceasta rezultă dintr-o idee de bun-simț: evenimentele urmează o succesiune de cauze și efecte care se propage prin spațiu cu o viteză finită—niciodată mai repede decât viteza luminii.
Când nu există o astfel de explicație, intrăm în regatul fenomenelor nonlocale. Aceasta a fost esența descoperirii realizate de fizicianul nord-irlandez John Stewart Bell, care a subliniat un experiment care nu poate fi explicat în termeni locali. Elementul cheie al acestui experiment este entanglementul cuantic între sisteme separate, tradițional numite Alice și Bob, care pot efectua măsurători independente.
Dr. Paweł Blasiak (IFJ PAN) subliniază: „La prima vedere, problema pare simplă: sistemele entanglate încalcă inegalitățile lui Bell, așa că tot ce trebuie să faceți este să efectuați un experiment bine conceput. Acest lucru se aplică doar sistemelor distincte care pot fi etichetate și trimise în două laboratoare îndepărtate. Cu particule identice, acest cadru se destramă.”
Dr. Marcin Markiewicz (IITiS PAN), coautor al articolului, clarifică: „Această diferență aparent subtilă introduce reguli noi pentru descrierea lumii: necesită simetrizarea sau antisymetrizarea funcției de undă în sisteme cu mai multe particule. Este exact principiul identității particulelor care duce la divizarea în fermioni și bosoni—două lumi ce stau la baza structurii atomilor și nucleelor acestora, determinând natura interacțiunilor.”
Indistinctibilitatea estompează și conceptul de entanglement: în cazul particulelor identice, comportamentul acestuia nu mai este conform așteptărilor noastre și își pierde semnificația practică. Aici apare adevărata provocare în a aborda întrebarea nonlocalității care izvorăște din indistinctibilitatea fundamentală a particulelor.
Cercetătorii au reușit să gestioneze complexitatea experimentelor cu ajutorul unor instrumente sofisticate: interferometrul Yurke-Stoler, selecția inteligentă, conceptul de „stergere cuantică”, inducția matematică și o experiență temeinică în construirea modelelor variabile ascunse.
Articolul lor oferă un criteriu care permite identificarea clară a nonlocalității pentru orice stare care conține un număr fix de particule identice. Concluziile sunt surprinzătoare: toate stările fermionice și aproape toate stările bosonice se dovedesc a fi resurse nonlocale, cu excepția unei clase restrânse de stare reducibile la un singur mod. Proba este complet constructivă: demonstrează pas cu pas cum pot fi proiectate experimente optice care dezvăluie nonlocalitatea stării investigate.
Dr. Blasiak concluzionează: „Cercetarea noastră relevă că indistincția particulelor ascunde o sursă de entanglement la care avem acces. Ar putea nonlocalitatea, deci, să fie țesută în însăși țesătura universului? Totul sugerează că aceasta este, de fapt, situația, cu sursa acestei proprietăți extraordinare bazându-se pe postulația simplă a identității particulelor de același tip.”
Întrebările despre natura realității și interpretarea mecanicii cuantice capătă o nouă resonanță, reafirmându-se ca o enigmă centrală a fizicii. Așa cum au exprimat fizicianul Charles W. Misner, John A. Wheeler și viitorul laureat al Premiului Nobel, Kip S. Thorne, în cartea lor din 1973, „Gravitation”: „Nici o explicație acceptabilă pentru identitatea miraculoasă a particulelor de același tip nu a fost vreodată avansată. Această identitate trebuie să fie considerată nu ca o banalitate, ci ca o mister central al fizicii.” Această enigmă va continua să inspire cercetători pentru multe decenii de acum înainte.
