Если вас еще не поразили чудеса квантовой физики, то после этой статьи ваше мышление уж точно перевернется. Сегодня я расскажу, что такое квантовая запутанность, но простыми словами, чтобы любой человек понял, что это такое.
После того, как были открыты необычные эффекты, происходящие в микромире, ученые пришли к интересному теоретическому предположению. Оно именно следовало из основ квантовой теории.
В прошлой я рассказывал о том, что электрон ведет себя очень странно.
Но запутанность квантовых, элементарных частиц вообще противоречит какому-либо здравому смыслу, выходит за рамки любого понимания.
Если они взаимодействовали друг с другом, то после разъединения между ними остается магическая связь, даже если их разнести на любое, сколь угодно большое расстояние.
Магическая в том смысле, что информация между ними передается мгновенно.
Как известно из квантовой механики частица до измерения находится в суперпозиции, то есть имеет сразу несколько параметров, размыта в пространстве, не имеет точное значение спина. Если над одной из пары ранее взаимодействующих частиц произвести измерение, то есть произвести коллапс волновой функции, то вторая сразу, мгновенно отреагирует на это измерение. И не важно, какое расстояние между ними. Фантастика, не правда ли.
Как известно из теории относительности Эйнштейна ничто не может превышать скорость света. Чтобы информация дошла от одной частицы до второй, нужно по крайне мере затратить время прохождения света. Но одна частица именно мгновенно реагирует на измерение второй. Информация при скорости света дошла бы до нее уже позже. Все это не укладывается в здравый смысл.
Если разделить пару элементарных частичек с нулевым общим параметром спина, то одна должна иметь отрицательный спин, а вторая положительный. Но до измерения значение спина находится в суперпозиции. Как только мы измерили спин у первой частички, увидели, что он имеет положительное значение, так сразу вторая приобретает отрицательный спин. Если же наоборот первая частичка приобретает отрицательное значение спина, то вторая мгновенно положительное значение.
Или такая аналогия.
У нас имеется два шара. Один черный, другой белый. Мы их накрыли непрозрачными стаканами, не видим, где какой. Мешаем как в игре наперстки.
Если открыли один стакан и увидели, что там белый шар, значит во втором стакане черный. Но сначала мы не знаем, где какой.
Так и с элементарными частичками. Но они до того, как на них посмотреть, находятся в суперпозиции. До измерения шары как бы бесцветны. Но разрушив суперпозицию одного шара и увидев, что он белый, то второй сразу становится черным. И это происходит мгновенно, будь хоть один шар на земле, а второй в другой галактике. Чтобы свет дошел от одного шара до другого в нашем случае, допустим нужно сотни лет, а второй шар узнает, что произвели измерение над вторым, повторяю, мгновенно. Между ними запутанность.
Понятно, что Эйнштейн, да и многие другие физики не принимали такой исход событий, то есть квантовую запутанность. Он считал выводы квантовой физики неверными, неполными, предполагал, что не хватает каких-то скрытых переменных.
Вышеописанный парадокс Эйнштейна наоборот придумал, чтобы показать, что выводы квантовой механики не верны, потому что запутанность противоречит здравому смыслу.
Этот парадокс назвали парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена, сокращённо ЭПР-парадокс.
Но проведенные эксперименты с запутанностью уже позже А. Аспектом и другими учеными, показали, что Эйнштейн был не прав. Квантовая запутанность существует.
И это уже были не теоретические предположения, вытекающие из уравнений, а реальные факты множества экспериментов по квантовой запутанности. Ученые это увидели вживую, а Эйнштейн умер, так и не узнав правду.
Частицы действительно взаимодействуют мгновенно, ограничения по скорости света им не помеха. Мир оказался куда интереснее и сложнее.
При квантовой запутанности происходит, повторю, мгновенная передача информации, образуется магическая связь.
Но как такое может быть?
Сегодняшняя квантовая физика отвечает на этот вопрос изящным образом. Между частицами происходит мгновенная связь не из-за того, что информация передается очень быстро, а потому что на более глубоком уровне они просто не разделены, а все еще находятся вместе. Они находятся в так называемой квантовой запутанности.
То есть состояние запутанности это такое состояние системы, где по каким-то параметрам или значениям, она не может быть разделена на отдельные, полностью самостоятельные части.
Например, электроны после взаимодействия могут быть разделены на большое расстояние в пространстве, но их спины находятся все еще вместе. Поэтому во время экспериментов спины мгновенно согласуются между собой.
Понимаете, к чему это ведет?
Сегодняшние познания современной квантовой физики на основе теории декогеренции сводятся к одному.
Существует более глубокая, непроявленная реальность. А то, что мы наблюдаем как привычный классический мир лишь малая часть, частный случай более фундаментальной квантовой реальности.
В ней нет пространства, времени, каких-то параметров частиц, а лишь информация о них, потенциальная возможность их проявления.
Именно этот факт изящно и просто объясняет, почему возникает коллапс волновой функции, рассмотренный в предыдущей статье, квантовую запутанность и другие чудеса микромира.
Сегодня, говоря о квантовой запутанности, вспоминают потусторонний мир.
То есть на более фундаментальном уровне элементарная частица непроявленная. Она находится одновременно в нескольких точках пространства, имеет несколько значений спинов.
Затем по каким-то параметрам она может проявиться в нашем классическом мире в ходе измерения. В рассмотренном выше эксперименте две частицы уже имеют конкретное значение координат пространства, но спины их находятся все еще в квантовой реальности, непроявленные. Там нет пространства и времени, поэтому спины частиц сцеплены вместе, несмотря на огромное расстояние между ними.
А когда мы смотрим, какой спин у частицы, то есть производим измерение, мы как бы вытаскиваем спин из квантовой реальности в наш обычный мир. А нам кажется, что частицы обмениваются информацией мгновенно. Просто они были все еще вместе по одному параметру, хоть и находились далеко друг от друга. Их раздельность на самом деле есть иллюзия.
Все это кажется странным, непривычным, но этот факт уже подтверждается многими экспериментами. На основе магической запутанности создаются квантовые компьютеры.
Реальность оказалась намного сложнее и интереснее.
Принцип квантовой запутанности не стыкуется с обычным нашим взглядом на мир.
Вот как объясняет квантовую запутанность физик-ученый Д.Бом.
Допустим, мы наблюдаем за рыбой в аквариуме. Но в силу каких-то ограничений, мы можем смотреть не на аквариум, как он есть, а лишь на его проекции, снимаемые двумя камерами спереди и сбоку. То есть мы наблюдаем за рыбой, смотря на два телевизора. Нам кажутся рыбы разными, так как мы снимаем ее одной камерой в анфас, другой в профиль. Но чудесным образом их движения четко согласуются. Как только рыба с первого экрана поворачивается, вторая мгновенно делает также поворот. Мы удивляемся, не догадываясь, что это одна и та же рыба.
Так и в квантовом эксперименте с двумя частицами. Из-за своих ограничений нам кажется, что спины двух, ранее взаимодействующих частиц, не зависимы друг от друга, ведь теперь частицы находятся далеко друг от друга. Но на самом деле они все еще вместе, но находятся в квантовой реальности, в нелокальном источнике. Мы просто смотрим не на реальность, как она есть на самом деле, а с искажением, в рамках классической физики.
Когда ученые узнали о квантовой запутанности и мгновенной передаче информации, многие задались вопросом: можно ли осуществить телепортацию?
Это оказалось действительно возможным.
Уже проведено множество экспериментов по телепортации.
Суть метода легко можно понять, если вы поняли общий принцип запутанности.
Имеется частица, например электрон А и две пары запутанных электронов В и С. Электрон А и пара В, С находятся в разных точках пространства, неважно как далеко. А теперь переведем в квантовую запутанность частички А и В, то есть объединим их. Теперь С становится точно такой же как А, потому что общее их состояние не меняется. То есть частица А как бы телепортируется в частицу С.
Сегодня проведены уже более сложные опыты по телепортации.
Конечно, все опыты пока проводятся только с элементарными частицами. Но согласитесь, это уже невероятно. Ведь все мы состоим из тех же частиц, ученые говорят, что телепортация макрообъектов теоретически ничем не отличается. Нужно лишь решить множество технических моментов, а это лишь вопрос времени. Может быть, человечество дойдет в своем развитии до способности телепортировать большие объекты, да и самого человека.
Квантовая запутанность есть целостность, неразрывность, единение на более глубоком уровне.
Если по каким-то параметрам частицы находятся в квантовой запутанности, то по этим параметрам их просто нельзя разделить на отдельные части. Они взаимозависимы. Такие свойства просто фантастические с точки зрения привычного мира, запредельные, можно сказать потусторонние и трансцендентные. Но это факт, от которого уже никуда не деться. Пора это уже признать.
Но к чему все это ведет?
Оказывается, о таком положении вещей давно говорили многие духовные учения человечества.
Видимый нами мир, состоящий из материальных объектов это не основа реальности, а лишь малая ее часть и не самая главная. Существует трансцендентная реальность, которая задает, определяет все, что происходит с нашим миром, а значит и с нами.
Именно там кроются настоящие ответы на извечные вопросы о смысле жизни, настоящего развития человека, обретения счастья и здоровья.
И это не пустые слова.
Все это приводит к переосмыслению жизненных ценностей, пониманию того, что кроме бессмысленной гонкой за материальными благами есть что-то более важное и высокое. И эта реальность не где-то там, она окружает нас повсюду, она пронизывает нас, она как говорится "на кончиках наших пальцев".
Но давайте об этом поговорим в следующих статьях.
А сейчас посмотрите видео о квантовой запутанности.
От квантовой запутанности мы плавно переходим к теории . Об этом в следующей статье.
· Квантовая хромодинамика · Стандартная модель · Квантовая гравитация
Ква́нтовая запу́танность (см. раздел « ») - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий , что находится в логическом противоречии с принципом локальности . Например, можно получить пару фотонов , находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.
В продолжение начавшихся споров, в 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали ЭПР-парадокс , который должен был показать неполноту предлагаемой модели квантовой механики. Их статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» была опубликована в №47 журнала «Physical Review» .
В ЭПР-парадоксе мысленно нарушался принцип неопределённости Гейзенберга : при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение, можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось. Анализируя в том же году подобные теоретически взаимозависимые системы, Шрёдингер назвал их «запутанными» (англ. entangled ) . Позднее англ. entangled и англ. entanglement стали общепринятыми терминами в англоязычных публикациях . Следует отметить, что сам Шрёдингер считал частицы запутанными, только пока они физически взаимодействовали друг с другом. При удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезала . То есть значение термина у Шрёдингера отличается от того, которое подразумевается в настоящее время.
Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну он назвал подобную связь между запутанными частицами «жутким дальнодействием» (нем. spukhafte Fernwirkung , англ. spooky action at a distance в переводе Борна) :
Поэтому я не могу в это поверить, так как (эта) теория непримирима с принципом того, что физика должна отражать реальность во времени и пространстве, без (неких) жутких дальнодействий.
Оригинальный текст (нем.)
Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.
- «Entangled systems: new directions in quantum physics»
Уже в следующем номере «Physical Review» Бор опубликовал свой ответ в статье с таким же заголовком, как и у авторов парадокса . Сторонники Бора посчитали его ответ удовлетворительным, а сам ЭПР-парадокс - вызванным неправильным пониманием сути «наблюдателя» в квантовой физике Эйнштейном и его сторонниками . В целом большинство физиков просто устранилось от философских сложностей Копенгагенской интерпретации. Уравнение Шрёдингера работало, предсказания совпадали с результатами, и в рамках позитивизма этого было достаточно. Гриббин пишет по этому поводу : «чтобы добраться из точки А в точку Б, водителю необязательно знать, что происходит под капотом его машины». Эпиграфом же к своей книге Гриббин поставил слова Фейнмана :
Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя „Да как же это возможно?“ - так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.
Такое состояние дел оказалось не слишком удачным для развития физической теории и практики. «Запутанность» и «жуткие дальнодействия» игнорировались почти 30 лет , пока ими не заинтересовался ирландский физик Джон Белл . Вдохновлённый идеями Бома (см. Теория де Бройля - Бома), Белл продолжил анализ ЭПР-парадокса и в 1964 сформулировал свои неравенства . Весьма упрощая математические и физические составляющие, можно сказать, что из работы Белла следовали две однозначно распознаваемые ситуации при статистических измерениях состояний запутанных частиц. Если состояния двух запутанных частиц определены в момент разделения, то должно выполняться одно неравенство Белла. Если состояния двух запутанных частиц неопределены до измерения состояния одной из них, то должно выполняться другое неравенство.
Неравенства Белла предоставили теоретическую базу для возможных физических экспериментов, однако по состоянию на 1964 год техническая база не позволяла ещё их поставить. Первые успешные эксперименты по проверке неравенств Белла были осуществлены Клаузером (англ.) русск. и Фридманом в 1972 году . Из результатов следовала неопределённость состояния пары запутанных частиц до проведения измерения над одной из них. И всё же до 80-х годов XX века квантовая сцепленность рассматривалась большинством физиков как «не новый неклассический ресурс, который можно использовать, а скорее как конфуз, ждущий окончательного разъяснения» .
Однако за экспериментами группы Клаузера последовали эксперименты Аспэ (англ.) русск. в 1981 году . В классическом эксперименте Аспэ (см. ) два потока фотонов с нулевым суммарным спином , вылетавшие из источника S , направлялись на призмы Николя a и b . В них за счёт двойного лучепреломления происходило разделение поляризаций каждого из фотонов на элементарные, после чего пучки направлялись на детекторы D+ и D– . Сигналы от детекторов через фотоумножители поступали в регистрирующее устройство R , где вычислялось неравенство Белла.
Результаты, полученные как в опытах Фридмана–Клаузера, так и в опытах Аспэ, чётко говорили в пользу отсутствия эйнштейновского локального реализма . «Жуткое дальнодействие» из мысленного эксперимента окончательно стало физической реальностью. Последний удар по локальности был нанесён в 1989 году многосвязными состояниями Гринбергера - Хорна - Цайлингера (англ.) русск. , заложившими базис квантовой телепортации . В 2010 году Джон Клаузер (англ.) русск. , Ален Аспэ (англ.) русск. и Антон Цайлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике «за фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла (или расширенных версий этих неравенств) с использованием запутанных квантовых состояний» .
В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Помимо прочего, это позволило произвести временны́е измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме . При меньшей скорости временные задержки были бы замечены .
Летом того же года другой группе исследователей из австрийского (англ.) русск. , включая Цайлингера, удалось поставить ещё более масштабный эксперимент, разнеся потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Ла Пальма и Тенерифе . Обработка и анализ столь масштабного эксперимента продолжаются, последняя версия отчёта была опубликована в 2010 году . В данном эксперименте удалось исключить возможное влияние недостаточного расстояния между объектами в момент измерения и недостаточной свободы выбора настроек измерения. В результате были ещё раз подтверждены квантовая запутанность и, соответственно, нелокальная природа реальности. Правда, осталось третье возможное влияние - недостаточно полной выборки. Эксперимент, в котором все три потенциальных влияния будут исключены одновременно, на сентябрь 2011 года является вопросом будущего.
В большинстве экспериментов с запутанными частицами используются фотоны. Это объясняется относительной простотой получения запутанных фотонов и их передачи в детекторы, а также бинарной природой измеряемого состояния (положительная или отрицательная спиральность). Однако явление квантовой запутанности существует и для других частиц и их состояний. В 2010 году международный коллектив учёных из Франции, Германии и Испании получил и исследовал запутанные квантовые состояния электронов , то есть частиц с массой, в твёрдом сверхпроводнике из углеродных нанотрубок . В 2011 году исследователям из удалось создать состояние квантовой запутанности между отдельным атомом рубидия и конденсатом Бозе-Эйнштейна , разнесёнными на расстояние 30 метров .
При устойчивом английском термине Quantum entanglement , достаточно последовательно использующимся в англоязычных публикациях, русскоязычные работы демонстрируют широкое разнообразие узуса . Из встречающихся в источниках по теме терминов можно назвать (в алфавитном порядке):
Такое разнообразие можно объяснить несколькими причинами, в том числе объективным наличием двух обозначаемых объектов: а) само состояние (англ. quantum entanglement ) и б) наблюдаемые эффекты в этом состоянии (англ. spooky action at a distance ), которые во многих русскоязычных работах различаются по контексту, а не терминологически.
В простейшем случае источником S потоков запутанных фотонов служит определённый нелинейный материал, на который направляется лазерный поток определённой частоты и интенсивности (схема с одним эммитером) . В результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР) на выходе получаются два конуса поляризации H и V , несущие пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотонов) .
| подробнее |
|---|
| При СПР типа II под воздействием поляризованного лазерного излучения накачки в кристалле бета-бората бария спонтанно рождаются бифотоны, сумма частот которых равна частоте излучения накачки: ω 1 + ω 2 = ω а поляризации ортогональны в базисе, определяемом ориентацией кристалла. Благодаря двойному лучепреломлению, при определённых условиях фотоны имеют одну частоту и излучаются вдоль двух конусов, не имеющих общей оси. При этом в одном конусе поляризация вертикальная, а во втором - горизонтальная (по отношению к ориентации кристалла и поляризации излучения накачки). При СПР для волновых векторов также верно поэтому, если забирать один фотон бифотонной пары из одной линии пересечения конусов, то второй фотон можно всегда забрать из второй линии пересечения. В кристалле фотоны разных поляризаций распространяются с разной скоростью, поэтому в реальной экспериментальной установке каждый пучок дополнительно пропускается через такой же кристалл половинной толщины, повёрнутый на 90°. Кроме того, для нивелирования поляризационных эффектов, в одном из пучков вертикальная и горизонтальная поляризации меняются местами при помощи комбинации полуволновой и четвертьволновой пластинок. Cоздаваемые в результате СПР члены бифотонной пары можно обозначить индексами 1 и 2, при этом: Применение«Сверхсветовой коммуникатор» ХербертаВсего через год после эксперимента Аспэ, в 1982 году, американский физик Ник Херберт (англ.) русск. предложил журналу «Foundations of Physics» статью с идеей своего «сверхсветового коммуникатора на основе нового типа квантовых измерений» FLASH (First Laser-Amplified Superluminal Hookup). По позднейшему рассказу Ашера Переса , бывшего в тот момент одним из рецензентов журнала, ошибочность идеи была очевидной, но, к своему удивлению, он не нашёл конкретной физической теоремы, на которую мог бы кратко сослаться. Поэтому он настоял на публикации статьи, так как это «пробудит заметный интерес, а нахождение ошибки приведёт к заметному прогрессу в нашем понимании физики». Статья была напечатана , и в результате развернувшейся дискуссии Вуттерсом (англ.) русск. , Зуреком (англ.) русск. и Диксом (англ.) русск. была сформулирована и доказана теорема о запрете клонирования . Так излагается история у Переса в его статье, опубликованной 20 лет спустя после описываемых событий. Теорема о запрете клонирования утверждает невозможность создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния . Весьма упрощая ситуацию, можно привести пример с клонированием живых существ. Можно создать идеальную генетическую копию овцы , но нельзя «клонировать» жизнь и судьбу прототипа. Учёные обычно скептически относятся к проектам со словом «сверхсветовой» в названии. К этому добавился неортодоксальный научный путь самого Херберта. В 70-х он вместе с приятелем из Xerox PARC сконструировал «метафазовую печатную машинку» для «коммуникации с бесплотными духами» (результаты интенсивных экспериментов были признаны участниками непоказательными). А в 1985 Херберт написал книгу о метафизическом в физике . В целом, события 1982 года достаточно сильно скомпрометировали идеи квантовой коммуникации в глазах потенциальных исследователей, и до конца XX века существенного прогресса в этом направлении не наблюдалось. Квантовая коммуникацияИдея квантовых вычислений была впервые предложена Ю. И. Маниным в 1980 году. На сентябрь 2011 года полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, построение которого связано со многими вопросами квантовой теории и с решением проблемы декогеренции . Ограниченные (в несколько кубитов) квантовые «миникомпьютеры» уже создаются в лабораториях. Первое удачное применение с полезным результатом продемонстрировано международным коллективом учёных в 2009 году. По квантовому алгоритму была определена энергия молекулы водорода . Впрочем, некоторыми исследователями высказывается мнение, что для квантовых компьютеров запутанность является, наоборот, нежелательным побочным фактором . Непротиворечивые историиНепротиворечивые истории (англ.) русск. Объективная редукция Джирарди - Римини - ВебераОбъективная редукция Джирарди - Римини - Вебера (англ.) русск. |
Квантовая запутанность - это квантовомеханическое явление, которое стали изучать на практике сравнительно недавно - в 1970-е годы. Оно заключается в следующем. Представим себе, что в результате какого-нибудь события родились одновременно два фотона. Получить пару квантово-запутанных фотонов можно, например, светя на нелинейный кристалл лазером с определенными характеристиками. У порождаемых фотонов в паре могут быть разные частоты (и длины волны), но при этом сумма их частот равна частоте исходного возбуждения. У них также ортогональные поляризации в базисе кристаллической решетки, что облегчает их пространственное разделение. При рождении пары частиц должны выполняться законы сохранения, а значит, суммарные характеристики (поляризация, частота) двух частиц имеют заранее известное, строго определенное значение. Из этого следует, что, зная характеристику одного фотона, мы совершенно точно можем узнать характеристику другого. Согласно принципам квантовой механики, до момента измерения частица находится в суперпозиции нескольких возможных состояний, а при измерении суперпозиция снимается и частица оказывается в каком-то одном состоянии. Если проанализировать много частиц, то в каждом состоянии окажется определенный процент частиц, соответствующий вероятности этого состояния в суперпозиции.
А что же происходит с суперпозицией состояний у запутанных частиц в момент измерения состояния одной из них? Парадоксальность и контринтуитивность квантовой запутанности заключается в том, что характеристика второго фотона оказывается определена ровно в тот момент, когда мы измерили характеристику первого. Нет, это не теоретическое построение, это суровая правда окружающего мира, подтвержденная экспериментально. Да, она подразумевает наличие взаимодействия, предающегося с бесконечно большой скоростью, превышающей даже скорость света. Как этим пользоваться на благо человечества пока не очень понятно. Есть идеи применения для вычислений на квантовом компьютере, криптографии и коммуникации.
Ученым из Вены удалось разработать совершенно новую и крайне контринтуитивную методику получения изображений, основанную на квантовой природе света. В их системе изображение формирует свет, никогда не взаимодействовавший с объектом. В основе технологии лежит принцип квантовой запутанности. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В исследовании принимали участие сотрудники Института квантовой оптики и квантовой информации (Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI) Венского центра квантовой науки и технологии (Vienna Center for Quantum Science and Technology, VCQ) и Венского университета.
В эксперименте венских ученых один из пары запутанных фотонов обладал длиной волны в инфракрасной части спектра, и именно он проходил через образец. Его собрат обладал длиной волны, соответствующей красному свету и мог детектироваться камерой. Пучок света, генерируемый лазером, делился на две половины, и половины направлялись на два нелинейных кристалла. Объект помещался между двумя кристаллами. Он представлял собой вырезанный силуэт кота - в честь перекочевавшего уже в фольклор персонажа умозрительного эксперимента Эрвина Шредингера. На него направлялся инфракрасный пучок фотонов с первого кристалла. Затем эти фотоны проходили через второй кристалл, где прошедшие сквозь изображение кота фотоны смешивались со свежеродившимися инфракрасными фотонами так, что понять, в каком из двух кристаллов они родились, было совершенно невозможно. Более того, камера и вовсе не детектировала инфракрасные фотоны. Оба пучка красных фотонов объединялись и отправлялись на приемное устройство. Оказалось, что благодаря эффекту квантовой запутанности они хранили всю нужную для создания изображения информацию об объекте.
К аналогичным результатам привел эксперимент, в котором в качестве изображения использовалась не непрозрачная пластина с вырезанным контуром, а объемное силиконовое изображение, не поглощавшее света, но замедлявшее прохождение инфракрасного фотона и создающее разность фаз между фотонами, прошедшими через разные части изображения. Оказалось, что такая пластика оказывала влияние и на фазу красных фотонов, находящихся в состоянии квантовой запутанности с инфракрасными фотонами, но никогда не проходившими через изображение.
Квантовая запутанность - явление, при котором подсистемы некоторой ранее единой квантовомеханической системы, будучи разнесенными на расстояние друг от друга, продолжают оказывать влияние друг на друга. В этом случае изменение состояния одной системы сказывается на другой системе. Явление носит существенно квантовый характер и не имеет классического аналога.
Кофе остывает, здания рушатся, яйца бьются, а звезды выдыхаются во Вселенной, которой, кажется, суждено деградировать в состояние равномерной серости, известной как тепловое равновесие. Астроном-философ сэр Артур Эддингтон в 1927 году привел постепенное распространение энергии в качестве доказательства необратимой «стрелы времени».
Но к недоумению поколений физиков, стрела времени, похоже, не вытекает из основных законов физики, по которым двигаться вперед во времени - это то же самое, что и назад. По этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и повернул их вспять, энергия накапливалась бы, а не распылялась: холодный кофе спонтанно нагревался бы, здания собирались бы из обломков, а солнечный свет собирался обратно в солнце.
«В классической физике мы сильны, - говорит Санду Попеску, профессор физики Бристольского университета в Великобритании в интервью журналу QuantaMagazine. - Если бы я знал больше, мог бы я переломить ход события, собрать воедино все молекулы разбитого яйца?». Конечно, профессор говорит, что стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента рождения термодинамики в 1850-х годах, единственным известным подходом для расчета распространения энергии оставалось сформулировать статистическое распределение неизвестных траекторий частицы и показать, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.
Теперь физики определили фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы переплетаются, когда взаимодействуют - странный эффект под названием «квантовая запутанность». «Наконец мы можем понять, почему чашка кофе уравновешивается в комнате, - говорит Тони Шорт, квантовый физик из Бристоля. - Запутанность накапливается между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты». Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден и Андреас Уинтер сообщили об открытии журналу Physical Review E в 2009 году, утверждая, что объекты достигают равновесия, или состояния равномерного распределения энергии, в течение бесконечного количества времени за счет квантово-механического запутывания с окружающей средой. Похожее открытие опубликовал Питер Рейман из Билефельдского университета в Германии несколькими месяцами раньше в Physical Review Letters. Шорт и коллеги укрепили аргументацию в 2012 году, показав что запутанность вызывает уравновешенность за конечное время. Также, в работе, опубликованной на arXiv.org в феврале, две отдельных группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются, за время, пропорциональное их размеру.
Если новая линия исследований верна, история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа по своей сути неопределенна. Элементарной частице не хватает конкретных физических свойств и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентным шансом вращаться по часовой стрелке и с 50-процентным - против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла гласит, что нет «истинного» состояния частицы; вероятности - единственное, что можно использовать для его описания. Квантовая неопределенность неизбежно приводит к запутанности, предполагаемому источнику стрелы времени.
Когда две частицы взаимодействуют, их больше нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описываются двумя частицами вместе. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой из индивидуальных частиц «смешанное». Обе частицы можно отдалить на световые годы друг от друга, но спин каждой частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии». «Запутанность - это некотором смысле суть квантовой механики», или законы, регулирующие взаимодействия на субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.
Идея того, что запутанность может объяснить стрелу времени, впервые пришла в голову Сету Ллойду тридцать лет назад, когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета с Гарвардской степенью по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и то, как она распространяется по мере того, что частицы становятся все более запутанными, может заменить человеческую неуверенность (или незнание) в старых классических доказательствах как истинный источник стрелы времени. Используя известный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными блоками, Ллойд провел несколько лет, изучая эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц (1) и нулей (0). Он выяснил, что поскольку частицы все больше запутываются друг с другом, информация, которая их описывала (1 - для спина по часовой стрелке, и 0 - против часовой, например), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Как если бы частицы постепенно потеряли свою индивидуальную автономию и стали пешками коллективного состояния. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, их состояния перестают меняться, словно чашка с кофе остывает до комнатной температуры. «Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаны. Стрела времени - это стрела роста корреляций».
«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов, - говорит Ренато Реннер, глава Института теоретической физики в ETH Zurich. - Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время». В 2009 году доказательство группы бристольских физиков вызвало отклик у квантовых информационных теоретиков, открывая новые способы применения их методов. Оно показало, что по мере того, как объекты взаимодействуют со своим окружением - как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом, например, - информация об их свойствах «утекает и смазывается со средой», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе приходит к стагнации, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает развиваться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться со временем». Получается, холодная чашка с кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно «стать не смешанным» с воздухом и войти в чистое состояние. Но кофе доступно настолько больше смешанных состояний, чем чистых, что это практически никогда не произойдет - скорее вселенная закончится, чем мы сможем это засвидетельствовать. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой.
«По
сути, запутанность открывает для вас огромное пространство, -
комментирует Попеску. - Представьте, что вы находитесь в парке, перед
вами ворота. Как только вы войдете в них, вы попадете в огромное
пространство и потеряетесь в нем. К воротам тоже не вернетесь никогда».
В
новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой
запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний,
что приводит к уравновешиванию чашки кофе и комнаты. Комната в конце
концов уравновешивается с внешней средой, а среда - еще более медленно -
дрейфует к равновесию с остальной частью вселенной. Гиганты
термодинамики 19 века рассматривали этот процесс как постепенное
рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос,
вселенной. Сегодня же, Ллойд, Попеску и другие в этой сфере видят стрелу
времени по-другому. По их мнению, информация становится все более
диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия
растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.
«В целом вселенная находится в чистом состоянии, - говорит Ллойд. - Но отдельные ее части, будучи запутанными с остальной частью вселенной, остаются смешанными».
«В
этих работах нет ничего, что объяснит, почему вы начинаете с ворот, -
говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. - Другими словами, они
не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от
равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе
Большого Взрыва.
Несмотря на недавний прогресс в расчете времени
уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для
расчета термодинамических свойств конкретных вещей, вроде кофе, стекла
или экзотических состояний материи.
«Дело в том, что нужно найти
критерии, при которых вещи ведут себя как оконное стекло или чашка чая, -
говорит Реннер. - Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении,
но впереди еще много работы».
Некоторые исследователи выразили
сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь
сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты.
Но концептуальные достижения и новый математический формализм уже
помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области
термодинамики, например о фундаментальных пределах квантовых компьютеров
и даже о конечной судьбе Вселенной.
Двадцать шесть лет спустя грандиозного провала идеи Ллойда о стреле времени, он рад быть свидетелем ее подъема и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру.
По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, другое проявление стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь что-то с листа бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые достигают глаз. Только с этого момента вы будете способны вспомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд: «Настоящее может быть определено как процесс связывания (или установления корреляций) с нашим окружением». Фоном для устойчивого роста запутанностей по всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на йоту не приблизились к пониманию природы самого времени или почему оно отличается от трех других измерений пространства. Попеску называет эту загадку «одной из величайших непоняток в физике».
«Мы можем обсудить факт того, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, - говорит он. - Но наше восприятие того, что время идет - это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится революция в физике, которая откроет нам эту тайну».
Это изящная и мощная концепция. Она предполагает, что время – это возникающий феномен, который появляется в реальности благодаря природе квантового спутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри нашей вселенной. Любой богоподобный наблюдатель за её пределами будет видеть статичную неизменяющуюся вселенную, как прежде предсказывало более раннее квантовое уравнение Уилера-ДеВитта. Разумеется, у нас нет никакой возможности получить наблюдателя за пределами нашей вселенной и у нас нет и никаких шансов когда-либо подтвердить эту теорию. По крайней мере, так было до сегодняшнего дня. Недавно Екатерина Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. И они продемонстрировали, что время действительно является возникающим феноменом для внутренних наблюдателей, но его не существует для наблюдателей внешних.
Этот эксперимент включает в себя создание игрушечной вселенной, состоящей из пары спутанных фотонов и наблюдателя, который может измерять их состояние одним из двух способов. В первом наблюдатель измеряет эволюцию системы, спутывая себя с ней. Во втором богоподобный наблюдатель измеряет эволюцию в сравнении с внешними часами, которые полностью независимы от игрушечной вселенной.
Сам эксперимент достаточно прямолинеен. Каждый из спутанных фотонов
имеет поляризацию, которая может быть изменена прохождением через
двулучепреломляющую пластинку. В первом случае наблюдатель измеряет
поляризацию одного фотона, таким образом, спутываясь с ним. Затем он
сравнивает результат с поляризацией второго фотона. Полученная им
разница и будет мерой времени.
Во втором случае оба фотона также проходят через двулучепреломляющие пластинки, которые изменяют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.
В этом случае наблюдатель не может заметить какой-либо разницы между фотонами, не приходя в состоянии спутанности с одним из них. А если нет никакой разницы, система предстаёт перед ним статичной. Другими словами – время в ней не возникает.
Это весьма впечатляющий эксперимент. Появление чего-либо является популярной концепцией в науке. В частности, недавно физики заинтересовались идеей, что гравитация также является таким возникающим феноменом. А отсюда до идеи о сходном механизме возникновения времени оставался всего один шаг. Чего не хватает возникающей гравитации – это, разумеется, экспериментальной демонстрации, которая показывала бы, как это работает на практике. Именно поэтому работа Моревы имеет такое важное значение – она впервые в мире помещает абстрактную и экзотическую идею на устойчивое экспериментальное основание. А возможно самым важным результатом этой работы является то, что ей впервые удалось продемонстрировать, что квантовая механика и общая теория относительности не так уж несовместимы.
Следующим шагом станет дальнейшее развитие идеи, в частности – на макроскопическом уровне. Одно дело показать, как время возникает в фотонах, и другое – понять, как оно возникает для людей. Квантовая механика уже достаточно глубоко проникла в смежные научные области. В попытке объяснить в терминах квантовой теории саму жизнь она даже породила свою собственную биологию. Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – внутри спирали ДНК.
Новорождённая квантовая биология (quantum biology) официально не признана научной дисциплиной. Однако она уже превратилась в одну из самых интересных и захватывающих тем передовых исследований. Например, раскрывающих важную роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе . Новое исследование провела группа физиков из Национального университета Сингапура (NSU). Элизабет Рипер (Elizabet Rieper) и её коллеги исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается именно благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).
Чтобы проверить свою смелую теорию, учёные построили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней каждый нуклеотид состоит из облака электронов вокруг центрального положительно заряженного ядра. Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. При этом смещение облака туда и обратно приводит к образованию гармонического осциллятора.
Рипер с коллегами заинтересовались, что же произойдёт с колебаниями облаков (фононами), когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. По мнению учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые облака теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, чтобы обеспечить стабильность всей структуры. Поскольку фононы по сути являются квантовыми объектами, они могут существовать в виде суперпозиции состояний и умеют «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, влияющих на спираль извне. «Очевидно, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов могут быть запутаны лишь при нулевой температуре», – говорит Рипер. В своей пока неопубликованной научными изданиями статье физики приводят доказательство, что эффект запутывания в принципе, может возникнуть и при комнатной температуре. А возможно это потому, что длина волны у описанных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это позволяет формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват). После этого фононы не могут «сбежать». Данный эффект не будет иметь особенного значения для гигантской молекулы, если только он не распространяется на всю спираль. Однако компьютерное моделирование, проведённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и вправду колоссален.
Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с движениями соседей - фононы при этом находятся в суперпозиции состояний. А общая картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: вдоль всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности. Общее же движение спирали оказывается равным нулю.
Модель спирали ДНК, на которой увеличен фрагмент с двумя соседними парами оснований. Синим выделены электронные облака в двух крайних позициях своих колебаний, направления которых отмечают стрелки (иллюстрация Rieper et al.). Если пытаться описать эту модель исключительно в рамках классической физики, то ничего из перечисленного произойти не сможет: «классическая» спираль должна хаотично вибрировать и распадаться на части. По мнению исследователей, именно квантовые эффекты ответственны за «склеивание» ДНК. Но, как и в случае с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (правда, занятой объектами макромира), – главный вопрос не оригинален: как этот вывод доказать? Ответа пока нет. Команда Рипер в конце своей статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую влияет на способ «считывания» информации из ДНК. Дескать, в будущем это удастся проверить и использовать экспериментально. Как именно – пока никто даже не предполагает.
Несмотря на некоторую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Ведь квантовые эффекты уже находили в самых неожиданных местах, например в электрической цепи , но покамест никто не замахивался на претензии такого масштаба – микроскопического и в то же время невероятно важного.
В свете изложенного тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в твёрдом теле человек выглядит забавно, поскольку не подозревает, что самым ярким примером такой системы является он сам.
