Математически пъзел, разработен преди 243 години, може да бъде решен само с помощта на квантово заплитане, според ново изследване. (Квантовото заплитане е физическо явление, което възниква, когато група частици се генерират, взаимодействат или споделят пространствена близост по начин, при който квантовото състояние на всяка частица от групата не може да бъде описано независимо от състоянието на останалите, включително когато частиците са разделени на голямо разстояние).
Математическият проблем е малко като судоку на стероиди. Нарича се офицерски проблем на Ойлер, на името на Леонхард Ойлер, математикът, който го е предложил за първи път през 1779 г. Ето пъзела: Вие командвате армия с шест полка. Всеки полк съдържа шест различни офицери от шест различни ранга. Можете ли да ги подредите в квадрат 6 на 6, без да повтаряте ранг или полк в даден ред или колона?
Ойлер не успява да намери такова подреждане и по-късните изчисления доказаха, че задачата няма решение. Всъщност, статия, публикувана през 1960 г. в Canadian Journal of Mathematics, използва новооткритата мощност на компютрите, за да покаже, че 6 е едно число над 2, където не съществува такава подредба.
Сега обаче изследователите са намерили ново решение на проблема на Ойлер. Както съобщи Даниел Гаристо от Quanta Magazine, ново проучване, публикувано в базата данни за предпечат arXiv, установява, че можете да подредите шест полка от шест офицери от шест различни ранга в мрежа, без да повтаряте нито един чин или полк повече от веднъж в който и да е ред или колона … ако служителите са в състояние на квантово заплитане.
Статията, която е изпратен за партньорска проверка в списанието Physical Review Letters, се възползва от факта, че квантовите обекти могат да бъдат в множество възможни състояния, докато не бъдат измерени. (Квантовото заплитане е прочуто демонстрирано от мисловния експеримент на Шрьодингер, при който котка е хваната в кутия с радиоактивна отрова; котката е едновременно мъртва и жива, докато не отворите кутията.)
В класическия проблем на Ойлер всеки офицер има статичен полк и звание. Те може да са първи лейтенант в Червения полк, например, или капитан в Синия полк. (Понякога се използват цветове за визуализиране на решетките, за да се улесни идентифицирането на полковете.)
Но един квантов офицер може да заема повече от един полк или чин наведнъж. Един офицер може да бъде или първи лейтенант на Червен полк, или капитан на Син полк; майор от Зеления полк или полковник от Лилав полк. (Или теоретично всяка друга комбинация.)
Ключът към решаването на проблема на Ойлер с това превключване на идентичността е, че служителите в мрежата могат да бъдат в състояние на квантово заплитане. При заплитане състоянието на един обект информира състоянието на друг. Ако офицер № 1 всъщност е първи лейтенант на Червен полк, офицер № 2 трябва да е майор от Зеления полк и обратно.
Използвайки компютърна мощ, авторите на новата статия, водени от Адам Бурхард, от Ягелонския университет в Полша, доказват, че запълването на мрежата с квантови служители прави решението възможно. Изненадващо, заплитането има свой собствен модел, казва за Quanta Magazine съавторът на изследването Сухейл Ратър, физик от Индийския технологичен институт в Мадрас.
Офицерите се заплитат само с офицери от ранг на една стъпка под или над тях, докато полковете също се заплитат само със съседни полкове.
Резултатите биха могли да окажат реално въздействие върху съхранението на квантови данни, според списание Quanta. Заплетените състояния могат да се използват в квантовите изчисления, за да се гарантира, че данните са безопасни дори в случай на грешка – процес, наречен квантова корекция на грешки.
Чрез заплитането на 36 квантови служители в състояние на взаимозависими отношения, изследователите откриха това, което се нарича абсолютно максимално заплетено състояние. Такива състояния могат да бъдат важни за устойчивото съхранение на данни в квантовите изчисления.
Физиците развиват фундаменталните идеи зад заплитането, докато разработват механиката на квантовия свят в първите десетилетия на 20-ти век. Те открили, че за да опишат правилно субатомните системи, трябва да използват нещо, наречено квантово състояние.
В квантовия свят нищо не се знае със сигурност; например никога не се знае къде точно се намира електрон в атома, а само къде може да бъде. Квантовото състояние обобщава вероятността за измерване на определено свойство на частица, като нейното положение или ъгловия импулс.
Така, например, квантовото състояние на електрона описва всички места, на които може да го намерите, заедно с вероятностите за намиране на електрона на тези места.
Друга особеност на квантовите състояния е, че те могат да бъдат корелирани с други квантови състояния, което означава, че измерванията на едно състояние могат да повлияят на другото.
В статия от 1935 г. Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен изследват колко силно корелирани квантови състояния ще взаимодействат помежду си. Те открили, че когато две частици са силно корелирани, те губят индивидуалните си квантови състояния и вместо това споделят едно, единно състояние. Друг начин да се мисли за това е, че един-единствен математически „контейнер“ може да опише всички частици едновременно, независимо от техните индивидуални свойства. Това единно състояние става известно като квантово заплитане.
Те открили, че ако две частици са заплетени, което означава, че техните квантови състояния са силно корелирани и се обединяват, тогава измерванията на една от частиците автоматично влияят върху другата, независимо колко далеч са частиците една от друга, според Станфордската философска енциклопедия.
Първият физик, който използва думата „заплитане“, е Ервин Шрьодингер, един от основателите на квантовата механика. Той описва заплитането като най-съществен аспект на квантовата механика, като казва, че съществуването му е пълно отклонение от класическите линии на мислене.
Както Айнщайн, Подолски и Розен откриват, заплитането изглежда мигновено: след като имате познания за едно квантово състояние, вие автоматично знаете квантовото състояние на всички заплетени частици. По принцип можете да поставите две заплетени частици в противоположните краища на галактиката и все още да имате това мигновено познание, което изглежда нарушава границата на скоростта на светлината.
Този резултат е известен като EPR парадокс (парадоксът на Айнщайн, Подолски и Розен), според Американското физическо общество – ефект, който Айнщайн нарече „призрачно действие от разстояние“. Той използва парадокса като доказателство, че квантовата теория е непълна. Но експериментите многократно потвърждават, че заплетените частици си влияят взаимно независимо от разстоянието, а квантовата механика остава проверена и до днес.
Няма общоприето решение на парадокса. Въпреки това, въпреки че заплетените системи не поддържат локалност (което означава, че една част от заплетена система може незабавно да повлияе на далечна частица), те уважават причинно-следствената връзка, което означава, че ефектите винаги имат причини. Наблюдател на далечната частица не знае дали местният наблюдател е нарушил заплетената система и обратно. Те трябва да обменят информация помежду си не по-бързо от скоростта на светлината, за да потвърдят.
С други думи, ограниченията, наложени от скоростта на светлината, все още се запазват при заплетените системи. Въпреки че може да знаете състоянието на далечна частица, не можете да предавате тази информация по-бързо от скоростта на светлината.
