Представьте себе облако спутанных квантовых частиц. Их поведение хаотично. Цель эксперимента американских физиков — послать квантовое сообщение через несколько частиц, чтобы оно вошло с одной стороны облака и вышло с другой. Первым шагом будет поделить облако на две части, чтобы частицами слева можно было управлять отдельно от частиц справа. Следующий шаг — отправить сообщение в левую часть облака, где хаотичное поведение частиц быстро его перепутает. Вопрос в том, возможно ли расшифровать это сообщение?

Ответ на этот вопрос имеется благодаря исследованию Адама Брауна из Google и его коллегам, в том числе, Леонарду Сасскинду, «отцу теории струн». Команда ученых показала, как именно такое сообщение можно заставить появиться снова, пишет MIT Technology Review.

Спустя некоторое время, в течение которого сообщение выглядит совершенно нечитаемым, оно внезапно возникает снова вдалеке от точки входа. При этом ученые не могут сказать, что послужило линзой для фокусировки сигнала. Но они предполагают, что предложенный ими эксперимент прольет свет на одну из самых глубоких загадок Вселенной: квантовую природу гравитации и пространства-времени.

Ключ к пониманию этого мысленного эксперимента лежит в феномене эмергентности, когда у системы появляются не свойственные ее элементам в отдельности свойства.

Браун и его коллеги считают, что квантовые системы могут проявлять эмергентность так же, как и обычные системы.  

К примеру, когда двое разговаривают и обмениваются информацией при помощи звуковых волн, этот феномен трудно понять с точки зрения молекулярной динамики. Комната, в которой они находятся, может содержать 10 в 27 степени молекул, каждая из которых сталкивается с соседней каждый 10 в минус десятой степени секунд. Компьютерная модель такой системы должна была бы обрабатывать 10 в 37 степени бит информации каждую секунду, что делает ее фактически нереализуемой. Несмотря на это разговор продолжается.

«Коммуникация возможна, несмотря на хаос, поскольку система обладает эмергентными коллективными модами — звуковыми волнами — которые ведут себя упорядоченно», — пояснил Браун. Точно такой же феномен действует и на квантовом уровне. И он же отвечает за фокусировку сообщения в эксперименте.

«Когда квантовый эффект важен, сложные закономерности запутанности могут породить качественно новые виды эмергентных коллективных феноменов, — продолжил он. — Один из ярких примеров такого рода явлений — голографическое возникновение пространства-времени и гравитации из запутанности, сложности и хаоса».

Другими словами, один эмергентный квантовый феномен становится краеугольным камнем реальности.

Этим и интересен данный эксперимент. Он позволяет физикам придумать пример эмергентного квантового феномена и воссоздать его в лаборатории. Реализовать такой эксперимент можно разными способами. Один из них — создать множество спутанных частиц, так называемых пар Белла. Следующий шаг — вложить в половину этих квантовых состояний информацию, а затем проконтролировать квантовую эволюцию в другой половине квантовых состояний так, чтобы сообщение снова появилось. Это немного сложнее, но ученые уже знают, как это делается.

Пока провести такой эксперимент невозможно — состояние квантовых технологий этого не позволяет. Но через несколько лет ситуация изменится. И если его осуществить, он откроет ряд потрясающих перспектив — возможность поиграть с формой пространства-времени и, например, проверить различные идеи квантовой гравитации.