Згідно з математичною концепцією, відомою як принцип pigeonhole (голубина діра), голуби повинні знаходитися разом з іншими голубами, якщо є більше голубів, ніж доступних місць для розміщення. Але фотони, або квантові частинки світу, можуть порушувати це правило, згідно з експериментом, опублікованим у виданні «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Принцип pigeonhole говорить, що, якщо три голуби розміщуються в двох отворах, один отвір повинен містити принаймні два птахи. Ця, здавалося б, очевидна, ідея допомагає визначити основи того, що таке числа і що означає рахунок.
Але в квантовій області вчені передбачили, що три «голуби» - технічно, квантові частинки - можуть перебувати в двох отворах без будь-якої однієї частинки, що розділяє отвір з іншої, в так званому ефекті квантової ями.
"Квантовий ефект голуба кидає виклик нашому базовому розумінню.... Тому необхідна чітка експериментальна перевірка ", - написали співавтори дослідження Чао-Ян Лу і Цзянь-Вей Пан, фізики з Університету науки і технології Китаю в Хефей. «У квантової ями може бути потенційне застосування для пошуку більш складних і фундаментальних квантових ефектів».
У дослідженні три фотони зайняли місце голубів. Замість того, щоб поміщати фотони в отвори, дослідники вивчали поляризацію частинок або орієнтацію електромагнітних хвиль, що коливаються, які можуть бути як горизонтальними, так і вертикальними.
Оскільки було три фотони і дві поляризації, стандартна математика передбачає, що принаймні два повинні мати однакову поляризацію. Коли вчені порівняли поляризацію частинок, команда виявила, що немає двох співпадаючих частинок, підтверджуючи, що ефект квантової ями є реальним.
Незвичайна поведінка є результатом комбінації і без того дивних квантових ефектів. Фотони починають експеримент у дивній невизначеності, званій суперпозицією, тобто вони поляризовані як по горизонталі, так і по вертикалі одночасно. Коли порівнюються поляризації двох фотонів, вимірювання викликає ефірні зв'язки між частинками, відомі як квантове заплутування. Ці суперечливі властивості дозволяють частинкам робити немислимі речі.
Хоча результат не є першим експериментальним підтвердженням ідеї, він покращує попередні зусилля. «Я вважаю, що ця робота - найкращий експеримент, виконаний досі», - говорить Джефф Толлаксен з Університету Чепмена в Оранжі, який входив до групи фізиків-теоретиків, які спочатку припустили цей ефект у 2014 році.
Дослідження першим підтвердило, що квантові частинки поводяться так тільки за певних умов. Толлаксен і його колеги передбачали, що для досягнення ефекту вимірювання поляризацій має бути м'яким, щоб не обурювати квантові частинки. Нова робота підтвердила, що вимір має бути слабким для досягнення ефекту.
Квантова механіка відома своїми дивними парадоксами на тему тварин - як правило, за участю кішок. Кіт Шредінгера - це зірка знаменитої головоломки, в якій кіт здається одночасно живим і мертвим. І квантові «чеширські коти» з'являються, коли частинки відокремлюються від своїх властивостей, подібно до того, як посмішка кішки Аліси в Країні Чудес відокремлюється від її імені. Як і весь квантовий звіринець, ефект квантової ями «демонструє щось надзвичайно дивне, якщо не неможливе», - кажуть дослідники.