W klasycznej mechanice kwantowej stan każdej cząstki opisuje funkcja falowa zawierająca zarówno liczby rzeczywiste, jak i liczby urojone, będące wielokrotnością jednostki „i”, czyli pierwiastka z minus jedności. To właśnie dzięki temu formalizmowi można matematycznie opisywać zjawiska takie jak superpozycja, interferencja czy splątanie kwantowe, które stanowią fundament działania przyszłych komputerów kwantowych i systemów bezpiecznej komunikacji. Przez dziesięciolecia większość fizyków uważała, że wykorzystanie liczb zespolonych jest nie tylko wygodne, ale wręcz konieczne do poprawnego opisu natury.
Czytaj też: Fizycy stworzyli miniaturowy wszechświat, by sprawdzić szaloną teorię. Czy czas w ogóle istnieje?
Autorzy nowego badania pokazali jednak, że istnieje alternatywny sposób sformułowania teorii. Zamiast traktować liczby zespolone jako niezbędny składnik mechaniki kwantowej, zaproponowali bardziej elastyczny opis sposobu łączenia układów kwantowych. W efekcie wszystkie przewidywania eksperymentalne pozostają identyczne z tymi, które daje standardowa teoria, mimo że cały aparat matematyczny opiera się wyłącznie na liczbach rzeczywistych. Oznacza to, że liczby urojone mogą być jedynie wygodnym narzędziem obliczeniowym, a nie fundamentalnym elementem rzeczywistości.
Badanie jest również odpowiedzią na głośną publikację z 2023 roku, której autorzy argumentowali, iż mechanika kwantowa oparta wyłącznie na liczbach rzeczywistych powinna prowadzić do wyników różniących się od obserwacji eksperymentalnych. Zespół z kraju naszych zachodnich sąsiadów zauważa, że wcześniejsze wnioski wynikały z przyjęcia zbyt restrykcyjnych założeń dotyczących budowy złożonych układów kwantowych. Po ich odpowiednim uogólnieniu teoria oparta na liczbach rzeczywistych okazuje się całkowicie zgodna z dotychczasowymi eksperymentami.
Jednym z najciekawszych aspektów nowej pracy wydaje się zmiana sposobu interpretowania samego stanu kwantowego. W proponowanym ujęciu nie musi on być traktowany jako fizyczny obiekt istniejący niezależnie od obserwatora. Zamiast tego pełni rolę nośnika informacji o układzie, a więc zawiera wiedzę o możliwych wynikach pomiarów oraz relacjach pomiędzy elementami systemu.
Czytaj też: Czas popłynie wstecz? Badanie kwestionuje jedno z najbardziej fundamentalnych założeń fizyki
Naukowcy podkreślają zarazem, że ich odkrycie nie zmienia praw fizyki ani nie podważa dotychczasowych sukcesów mechaniki kwantowej. Wszystkie znane zjawiska: od splątania po działanie komputerów kwantowych, pozostają opisane w ten sam sposób i prowadzą do identycznych przewidywań eksperymentalnych. Zmienia się jedynie matematyczna reprezentacja teorii oraz sposób interpretowania jej najbardziej podstawowych pojęć.
Źródło: Physical Reviews Letters
