Ученые создали первую квантовую модель без комплексных чисел

Международная группа физиков представила математическую модель квантовой механики, в которой не используются комплексные числа. Авторы утверждают, что новая формулировка воспроизводит все предсказания стандартной квантовой теории для систем из нескольких взаимодействующих частиц. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Комплексные числа, включающие так называемую мнимую единицу, почти сто лет считаются одним из фундаментальных элементов квантовой механики. Именно с их помощью описывают волновые функции, интерференцию, запутанность и многие другие квантовые явления. Однако физики давно спорят, являются ли такие числа неотъемлемой частью природы или лишь удобным математическим инструментом.

Предыдущие исследования указывали, что полностью отказаться от комплексных чисел невозможно. В 2021 году была опубликована работа, согласно которой любая квантовая теория, основанная только на действительных числах, должна давать результаты, отличающиеся от обычной квантовой механики при экспериментах с несколькими независимыми квантовыми системами. Это означало, что такую теорию можно было бы экспериментально опровергнуть.

Авторы нового исследования предложили иной подход. Вместо привычного способа объединения нескольких квантовых систем они использовали другую математическую конструкцию, основанную на дополнительном физическом принципе для составных систем. Именно этот шаг, по утверждению исследователей, позволил избежать ограничений, выявленных в предыдущих работах.

Фактически ученые не исключили информацию, которую раньше содержала «мнимая» часть комплексных чисел, а перенесли ее в дополнительную систему описания. Один из авторов сравнил такой подход с новым способом хранения данных: вместо записи в одном комплексном числе информация распределяется между двумя действительными числами и специальным механизмом, который отслеживает их взаимосвязь. Благодаря этому новая модель воспроизводит те же результаты, что и традиционная квантовая механика.

Исследователи подчеркивают, что речь не идет об опровержении современной квантовой механики. Все экспериментально подтвержденные предсказания стандартной теории сохраняются. Изменяется лишь математический язык, которым они описываются. По мнению авторов, комплексные числа могут оказаться не обязательным элементом самой природы, а удобной формой записи физических законов.

Пока новая формулировка применима только к квантовым системам с конечным числом состояний. Авторы не утверждают, что им удалось полностью заменить стандартную квантовую механику во всех ее областях. Им еще предстоит показать, что предложенный подход можно распространить на более сложные модели, включая квантовые поля и непрерывные системы.

Если дальнейшие исследования подтвердят работоспособность новой математической схемы, она может оказаться полезной при разработке методов квантовых вычислений, моделировании сложных квантовых систем и изучении фундаментальных основ современной физики. При этом большинство специалистов ожидают, что даже в случае успеха комплексные числа останутся основным рабочим инструментом физиков, поскольку они позволяют выполнять расчеты значительно проще и компактнее.

Читайте также: День Q приближается: эксперты предрекли миру квантовый апокалипсис