Учёные из Института им. Нильса Бора (Дания) придумали, как можно относительно легко проиллюстрировать фундаментальное различие между квантовомеханическими и классическими системами.Поиском надёжных способов определения квантовой природы того или иного объекта наука занялась сразу после появления квантовой механики. Хотя с этого момента прошло уже около ста лет, менее актуальной тема не стала: физики начали экспериментировать с макроскопическими системами.
Иногда заявления о регистрации квантовых явлений подкрепляются лишь тем, что результаты эксперимента хорошо соответствуют квантовомеханической модели. Такие сообщения не считаются абсолютно достоверными, поскольку говорить о квантовом поведении системы можно только в тех случаях, когда возможность её точного классического описания полностью исключена. Ошибиться здесь не так уж сложно: опубликованные в 2006 году данные экспериментов с парой сверхпроводящих кубитов, содержавшие, по мнению авторов, явные признаки квантовой запутанности, уже в 2010-м были воспроизведены с помощью обычной классической модели.
Примером основательного подхода к установлению квантовой природы называют неравенства Белла, основанные не на сложных физических теориях, а на самых общих представлениях о локальном реализме. К сожалению, этих неравенства формулируются для пар частиц, и использовать их для проверки какой-либо одиночной системы просто невозможно.
Датчане, напротив, сформулировали критерий, который позволяет тестировать отдельные объекты и основывается на одном из ключевых различий между классическим и квантовым описаниями систем с одной степенью свободы. Суть различия состоит в том, что классическую систему всегда можно охарактеризовать совместным распределением вероятностей для координат и импульса (сопоставить ей конкретную точку в фазовом пространстве), а сделать это в случае квантовой системы не даёт принцип неопределённости Гейзенберга. Вероятность обнаружить частицу в неком малом объёме фазового пространства в классическом варианте задаётся функцией, которая, по понятным причинам, не может принимать отрицательные значения, тогда как её квантовый аналог — функция Вигнера — лишён подобных ограничений.
Таким образом, отрицательность функции Вигнера свидетельствует о том, что классическое описание исследуемой системе не подходит. Совсем недавно двое учёных из Польши и Германии теоретически показали, как можно обнаружить эту отрицательность, а авторы преобразовали расчёты своих коллег в удобную экспериментальную методику. Испытав новый метод при измерении однофотонных состояний, физики подтвердили его действенность.