Квантові фізики відповіли на запитання «Що було раніше, курка чи яйце?» у властивій їм манері. Згідно з результатами австралійських експериментаторів, курка була раніше, ніж яйце, і яйце було раніше, ніж курка.
Ми звикли до того, що події відбуваються в певному порядку. Будильник дзвенить або до того, як ми прокинулися, або після, але не одночасно «до» і «після».
Новий експеримент австралійських фізиків продемонстрував систему, в якій неможливо визначити, в якому порядку відбулися події, розмиваючи причинно-наслідковий зв'язок. Так званий квантовий перемикач, пристрій, за допомогою якого був отриманий цей парадоксальний результат, може виявитися досить цікавим для розвитку технологій квантової інформації.
Квантова механіка часто спростовує наші інтуїтивні уявлення про те, як влаштований світ. Наприклад, з точки зору здорового глузду об'єкт в даний момент часу може знаходитися тільки в одному місці. Але завдяки дивовижності квантового світу частинка може одночасно знаходиться в декількох місцях. Квантовий перемикач реалізує схожу схему, але в часі, а не просторі: подія А сталася до Б, а Б сталося до А.
Джуліо Чирібелла з Оксфордського Університету у Великобританії і його колеги запропонували ідею такого перемикача в 2009 році. Зараз ця ідея реалізована експериментально.
Ендрю Вайт, фізик з Квінсландського Університету в Брісбані (Австралія), і його колеги «посилали» фотони через інтерферометр - оптичний пристрій, в якому промінь світла розділяється і йде по двох різних шляхах, а в результаті взаємодії розділених пучків можна спостерігати інтерференційну картину.
Це давно відома маніфестація хвильової природи світла, в результаті якої ті, що збігаються в просторі максимуми інтенсивності взаємно підсилюють один одного, а мінімуми - відповідно послаблюють. Ми можемо розміщувати різні оптичні елементи, що уповільнюють або змінюють характеристики світла, на одному з шляхів. Це змінить інтерференційну картину, завдяки чому ми дізнаємося про те, як саме світло взаємодіє з тим, що зустрічається на його шляху.
Світло «складається» з фотонів - елементарних частинок, які переносять електромагнітне поле. Одна з характеристик цих частинок - це їх поляризація, тобто площина, в якій коливається конкретний фотон (точніше, складові електромагнітного поля). За допомогою спеціальних пристроїв можна «змусити» фотони коливатися тільки в горизонтальній або вертикальній площині, і в таких випадках ми говоримо про горизонтально або вертикально поляризоване світло. В експерименті Ендрю Вайта інтерферометр був налаштований таким чином, що вертикально поляризовані фотони відправлялися по лівій «доріжці» і потім поверталися в систему через праву, а горизонтально поляризовані - навпаки.
Закони квантової механіки дозволяють фотону бути поляризованим горизонтально і вертикально одночасно, роблячи поляризацію діагональною. Коли такий фотон потрапляє в інтерферометр, його хвилева функція розбивається на вертикальну і горизонтальну складові, і виходить, що фотон «розходиться» по обох напрямках одночасно і потім «возз'єднується» сам з собою. На зворотному шляху кожна компонента завершує траєкторію, в результаті проходячи по всьому інтерферометру один раз, і при цьому неможливо сказати, в якому порядку фотон з «роздвоєнням особистості» проходить за квантовим перемикачем.
Перевірити, що саме відбувається з фотоном під час експерименту, дуже складно через особливості квантових законів. Безпосередній вимір має схлопнути таке «роздвоєння особистості», тому фізикам довелося вивертатися, щоб відстежити послідовність, в якій фотон пройшов по інтерферометру.
Для цього фізики скористалися тим фактом, що крім поляризації кожен пучок світла має форму (так званий просторовий розподіл інтенсивності). Цю форму можна змінити за допомогою різних оптичних елементів, наприклад, лінз. Така зміна є взаємодією з фотоном. При певній конфігурації експерименту фотон повинен змінювати напрямок своєї діагональної поляризації на протилежний, оскільки змінені компоненти зобов'язані возз'єднатися.
Порівняння результатів спостережень з нерівностями з галузі квантової інформації, які описують різні сценарії взаємодії в системі, дозволяє встановити, що саме сталося всередині квантового перемикача. У підсумку фізики знайшли конфігурацію, в якій фотон проходить обома шляхами експерименту одночасно. Можна сказати, що в такому випадку подія А викликала подію Б, і в той же час подія Б викликала подію А.
Такі контринтуїтивні експерименти вимагають дуже ретельної підготовки та обережної інтерпретації результатів. Але в разі успіху вони відкривають нам нові способи взаємодії з квантовою інформацією, звідки рукою подати до нових способів надійної передачі даних. І, можливо, через пару поколінь ми звикнемо до дивацтв квантової механіки на більш інтуїтивному рівні, і подібні результати не будуть бентежити наші уми, а стануть самі собою зрозумілими.