אי-מקומיות של מצבים קוונטיים יכולה להיות מעברית

קשרים מפחידים שמתפשטים

הפיזיקה הקוונטית מפורסמת ב"פעולה מפחידה במרחוק" שלה, שבה חלקיקים נראים מחוברים באופן מסתורי גם כשהם רחוקים זה מזה. המאמר הזה שואל שאלה בולטת: אם חלקיק אחד מקושר בחוזקה לשני, והשני מקושר בחוזקה לשלישי, האם חוקי הפיזיקה הקוונטית יכולים "לחייב" קשר מפחיד דומה בין הראשון לשלישי? המחברים מראים שבמישור המצבים הקוונטיים, התשובה יכולה להיות כן: אי-מקומיות קוונטית יכולה להיות מעברית.

מסודות משותפים להסברים בלתי אפשריים

בחיי היומיום קורלציות בדרך כלל נובעות מסיבות פשוטות: אם שני אנשים נושאים את אותו מטריה, רוב הסיכויים ששניהם ראו את תחזית מזג האוויר. ה"אי-מקומיות" הקוונטית שונה. כאשר שני מעבדות מרוחקות מודדות חלקיקים שהוכנו במיוחד, הן יכולות לקבל תוצאות שאף הסבר המבוסס על מידע משותף וסיבתיות רגילה—המוגבלת על-ידי מהירות האור—אינו יכול לשחזר במלואו. התנהגות כזו, המתגלת באמצעות הפרות של אי-שוויוני בל, תומכת בקריפטוגרפיה קוונטית בלתי תלויה במכשיר ובטכנולוגיות מתקדמות אחרות.

כשיש מגבלות קשיחות על שיתוף

קישורים קוונטיים לא-מקומיים אינם ניתנים לשיתוף חופשי. אם שני צדדים חולקים את הקורלציות הבלתי-מקומיות החזקות ביותר, צד שלישי לא יכול להתחבר אליהם בעוצמה שווה—תכונה המוכרת כמונוגמיה. יחד עם זאת, יש דרכים מפתיעות שבהן קורלציות יכולות להתפשט. עבודות קודמות הראו אפקט קרוב שנקרא "מעבריות השזירה": במצבים מעורבים מסוימים, אם המערכות A ו-B שזורות ו-B ו-C שזורות, אז כל מצב גדול יותר התואם לשני החלקים האלה חייב גם להשאיר את A ו-C שזורות. אפקט דומה לאי-מקומיות הוכח בהקשר מופשט יותר שאינו בהכרח קוונטי, אך לא היה ידוע במשך יותר מעשור האם זה יכול לקרות במערכות קוונטיות אמיתיות.

ליצור חלקים שקובעים את השלם

המחברים מתמודדים עם הבעיה על ידי בחינה של מצבים שבהם ידיעה של "חתכים" דו-חלקיקיים מסוימים של מערכת גדולה קובעת באופן ייחודי את כל המצב הגלובלי. תפקיד מרכזי משחק מה שמכונה מצב W, מצב תלת-קיוביט מיוחד שבו בדיוק אחד משלושת החלקיקים במצב מעורר אבל כולם משתפים את ההתרגשות הזאת באופן סימטרי מושלם. כל הפחתה דו-חלקיקית של מצב W נראית זהה, ועבודות קודמות הראו שבעל רשת פשוטה מסוימת, ציון המצבים הדו-חלקיקיים האלה כבר קובע את המצב הרב-חלקיקי השלם. כאן המחברים מטמיעים את הרעיון הזה: אם לאורך רשת בצורת עץ כל קישור מתואר על ידי מספר עותקים של אותו מרג'ינל של מצב W, אז המצב הגלובלי היחיד התואם הוא מספר עותקים של מצב W המלא עצמו.

לאלץ אי-מקומיות ברשת

מצוידים בתכונת הייחודיות הזו, המחברים בונים מצבים קוונטיים תלת-צדדיים של שלושה צדדים, A, B ו-C, שבהם ההפחתות הדו-צדדיות בין A–B ובין B–C אינן רק שזורות אלא ניתנות להוכחה כבל-מקומיות (Bell-nonlocal). מאחר ששתי ההפחתות האלה קובעות באופן ייחודי את כל המצב התלת-צדדי, ההפחתה הנותרת בין A ו-C כבר אינה חופשית לבחירה: היא נתונה להיות מצב מסוים, ומצב זה עצמו ניתן להראות כאי-מקומי, בתנאי שמסתכלים על מספיק עותקים. בדרך זו, בכל פעם ש-A–B ו-B–C חולקים סוג מיוחד זה של מצב בלתי-מקומי, כל מצב גלובלי התואם לעובדות הללו חייב גם לגרום ל-A–C להיות בלתי-מקומי. זו בדיוק מעבריות של אי-מקומיות ברמת המצבים הקוונטיים.

עולמות קוונטיים אקראיים שמתנהגים אותו הדבר

כדי לבדוק כמה התופעה הזו נפוצה, המחברים גם חקרו מספרים גדולים של מצבים טהורים תלת-צדדיים נבחרים באקראי על מערכות קוונטיות קטנות (קיוביטים, קיוטריטים ומערכות גבוהות יותר). עבור שלושה קיוטריטים—מערכות בעלות שלושה רמות במקום שתי רמות—הם מוצאים שבעקבות כ-11 אחוז מהמקרים, כל שלוש ההפחתות הדו-צדדיות הן בלתי-מקומיות, והזוג הכולל A–B ו-B–C שוב מאלץ את הזוג A–C להיות בלתי-מקומי כל אימת שמתעקשים על מצב גלובלי תואם. הדבר מרמז שמעבריות אי-המקומיות אינה סקרנות נדירה בלבד אלא יכולה להופיע באופן טבעי במערכות קוונטיות בעלות ממד גבוה יותר.

מדוע זה חשוב לרשתות קוונטיות עתידיות

לעיני לא-מומחים, המסקנה היא שקישורים קוונטיים מסוימים מתנהגים יותר כמו תגובת שרשרת מאשר קישורים מבודדים: קשרים לא-מקומיים חזקים ומחויבי-חוק בשני הצדדים יכולים לכפות קשר דומה בצד השלישי, בלי להשאיר מקום להסבר יומיומי. זה מאיר על האופן שבו המציאות הקוונטית שונה מתמונות קלאסיות המבוססות על סיבות נסתרים, ומרמז על תועלות מעשיות. ברשתות קוונטיות עתידיות, ניתן לאשר ששני צמתים מרוחקים חולקים משאב חזק ובלתי-מקומי פשוט על ידי בדיקת הקישורים שלהם לצומת מרכזי, בלי הצורך לבצע את הבדיקות הישירות הקשות ביותר על הזוג המרוחק עצמו.

ציטוט: Chen, KS., Tabia, G.N.M., Hsieh, CY. et al. Nonlocality of quantum states can be transitive. npj Quantum Inf 12, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01173-z

מילות מפתח: אי-מקומיות קוונטית, אי-שוויוני בל, שזירה, רשתות קוונטיות, קריפטוגרפיה בלתי תלויה במכשיר