В середине XX века физик Джон Белл разработал теоретический тест, который стал ключевым инструментом для различения классической физики и квантовой механики. Этот тест основывается на так называемом неравенстве Белла — математическом выражении, которое должно выполняться в рамках классической локальной реальности. Локальный реализм предполагает, что физические объекты имеют определённые свойства независимо от того, наблюдаем мы их или нет, и что сигналы и влияние не могут распространяться быстрее скорости света. В экспериментальных условиях нарушение этого неравенства свидетельствует о появлении квантовых корреляций, которые невозможно объяснить классическими представлениями. Долгое время считалось, что такие нарушения возможны только при наличии квантовой запутанности — особого состояния, при котором свойства двух и более частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними.
Однако в последнее время научное сообщество начало рассматривать более тонкие источники квантовой нелокальности, выходящие за рамки запутанности. Исследователи обнаружили, что похожие корреляционные эффекты могут возникать и в случаях, когда частицы не находятся в запутанном состоянии. Так, недавняя работа показала, что для этого существует иное квантовое свойство — «квантовая неразличимость по пути» (path indistingishability). Этот эффект проявляется тогда, когда фотонам так подстраивают траектории, что невозможно определить, через какой из двух путей прошёл каждый из них. Эта ситуация напоминает классический сценарий, в котором два маршрута для фотонов переплетаются, и детектор не способен отличить, какой из путей они выбрали.
Для проведения эксперимента команда использовала сложную оптическую систему, в которой лазерный луч направлялся на два кристалла, способных порождать пары фотонов. Встроенные в систему элементы обеспечивали переплетение траекторий, делая источники фотонов существенно неразличимыми. В результате создавались условия, при которых наблюдались квантовые корреляции без традиционной запутанности. При проверке на неравенство Белла было зафиксировано значительное нарушение, превышающее пороговое значение более чем на четыре стандартных отклонения. Такой результат свидетельствует о существовании нелокальных эффектов, которые не связаны с классической запутанностью, а связаны именно с неразличимостью путей фотонов.
Это открывает новые горизонты в понимании фундаментальных механизмов нелокальности. Исследование показало, что квантовые корреляции могут быть обусловлены не только состоянием запутанности, но и свойствами, связанными с невозможностью определить происхождение частиц по их траектории. Таким образом, границы между классической и квантовой физикой в данном аспекте оказываются существенно шире, чем ранее предполагалось.
Несмотря на яркие результаты, в работе сохраняются ограничения. Основным недостатком является использование постселекции — анализа только тех фотонов, которые прошли определённые условия регистрации, что теоретически может оказывать влияние на полученные статистические выводы. Кроме того, в эксперименте не были полностью исключены так называемые «лазейки локальности» — особенности экспериментального расположения детекторов и их фаз, влияющие на интерпретацию результатов. Это значит, что необходимо проводить дальнейшие исследования, усовершенствовать экспериментальные установки и устранить указанные недостатки.
В будущем подобные эксперименты могут стать основой для расширения классических тестов Белла, показывая, что «дальнодействие» в квантовой физике возможно и без запутанности, а роль путей и их неразличимости оказывается не менее важной. Это означает, что границы между классической и квантовой реальностью могут оказаться более сложными и многогранными, чем ранее полагали ученые. Новые открытия позволят переосмыслить фундаментальные принципы взаимодействия и информации, что потенциально может привести к развитию новых квантовых технологий, укреплению безопасности коммуникаций и расширению нашего понимания закона природы. Исследования в этом направлении находятся на ранней стадии, и уже сейчас очевидно, что такие открытия могут кардинально изменить существующие представления о фундаментальных свойствах мира на квантовом уровне.
