Квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как ее называл Альберт Эйнштейн - это квантовомеханический феномен, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется даже если объекты удалить друг от друга за много километров. Например, можно запутать пару фотонов, увести один из них в другую галактику, а потом измерить спин второго фотона - и он будет противоположен спину первого фотона, и наоборот. Квантовую запутанность пытаются приспособить для мгновенной передачи данных на гигантские расстояния или даже для телепортации.
Современные компьютеры дают довольно много возможностей по моделированию самых разных ситуаций. Однако любые вычисления будут в некоторой степени «линейны», так как они подчиняются четко прописанным алгоритмам и не могут от них отступить. И эта система не позволяет симулировать сложные механизмы, в которых случайность — это практически постоянное явление. Речь идет о симуляции жизни. А какое устройство могло бы позволить это сделать? Квантовый компьютер! Именно на одной из таких машин был запущен самый масштабный проект по симуляции квантовой жизни.
Интеллектуальный партнер проекта
Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал труды, сделавшие его знаменитыми, в основном, на ранних этапах научной карьеры. Работа, содержащая основные принципы специальной теории относительности, относится к 1905 году, общей теории относительности - к 1915 году. Квантовая теория фотоэффекта, за которую консервативный Нобелевский комитет присудил ученому премию, тоже относится к 1900-м годам.
Люди, имеющие опосредованное отношение к науке, как правило, не имеют представления о научной деятельности Альберта Эйнштейна после эмиграции в США в 1933 году. А, надо сказать, он занимался проблемой, которая фактически не решена до сих пор. Речь идет о так называемой «единой теории поля».
Всего в природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий. Гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Электромагнитное взаимодействие - это взаимодействие между частицами, имеющими электрический заряд. Но не только явления, которые в бытовом сознании связаны с электричеством, происходят благодаря электромагнитному взаимодействию. Поскольку, например, для двух электронов сила электромагнитного отталкивания заметно превышает силу гравитационного притяжения, им объясняются взаимодействия отдельных атомов и молекул, то есть химические процессы и свойства веществ. Большая часть явлений классической механики (трение, упругость, поверхностное натяжение) имеют в своей основе его же. Теорию электромагнитного взаимодействия разработал еще в XIX веке Джеймс Максвелл, который объединил электрическое и магнитное взаимодействия, и она была прекрасно известна Эйнштейну вместе с ее более поздними квантовыми интерпретациями.
Гравитационное взаимодействие - это взаимодействие между массами. Ему посвящена общая теория относительности Эйнштейна. Сильное (ядерное) взаимодействие стабилизирует ядра атомов. Оно было теоретически предсказано в 1935 году, когда стало понятно, что уже известных взаимодействий недостаточно, чтобы ответить на вопрос: «Что удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов?». Существование сильного взаимодействия получило первое экспериментальное подтверждение в 1947 году. Благодаря его исследованию в 1960-х годах были открыты кварки, и, наконец, в 1970-х годах была построена более-менее полная теория взаимодействия кварков. Слабое взаимодействие тоже происходит в атомном ядре, оно действует на более коротких расстояниях, чем сильное, и с меньшей интенсивностью. Однако без него не существовало бы термоядерного синтеза, обеспечивающего, например, солнечной энергией Землю, и β-распада, благодаря которому оно и было открыто. Дело в том, что при β-распаде не происходит, как говорят физики, сохранения четности. То есть для остальных взаимодействий результаты экспериментов, проведенных на зеркально симметричных установках, должны совпадать. А для экспериментов по изучению β-распада они не совпали (о фундаментальной разнице правого и левого уже шла речь в ). Открытие и описание слабого взаимодействия пришлись на конец 50-х годов.
На сегодняшний день в рамках Стандартной модели (ей также недавно была посвящена Полит.ру) объединены электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Согласно Стандартной модели все вещество состоит из 12 частиц: 6 лептонов (среди которых электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино) и 6 кварков. Еще есть 12 античастиц. Все три взаимодействия имеют свои переносчики - бозоны (фотон - это бозон электромагнитного взаимодействия). А вот гравитационное взаимодействие пока объединить с остальными не удалось.
Умерший в 1955 году Альберт Эйнштейн ничего не успел узнать о слабом взаимодействии и мало что - о сильном. Таким образом, он пытался объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия, а это задача и на сегодняшний день не решенная. Поскольку Стандартная модель по сути своей квантовая, для объединения ней гравитационного взаимодействия нужна квантовая теория гравитации. Ее на сегодняшний день по совокупности причин нет.
Одна из сложностей квантовой механики, особенно ярко проявляющаяся, когда надо говорить про нее с неспециалистом, - это ее неинтуитивность и даже антиинтуитивность. Но даже и ученые часто вводятся в заблуждение этой антиинтуитивностью. Разберем один пример, иллюстрирующий это, и полезный для понимания дальнейшего материала.
С точки зрения квантовой теории, до момента измерения частица находится в состоянии суперпозиции - то есть его характеристика одновременно с какой-то вероятностью принимает каждое из возможных значений. В момент измерения суперпозиция снимается, и факт измерения «заставляет» частицу принять конкретное состояние. Это само по себе противоречит интуитивным представлениям человека о природе вещей. Не все физики были согласны, что такая неопределенность - фундаментальное свойство вещей. Многим казалось, что это какой-то парадокс, который позже прояснится. Именно об этом известнейшая фраза Эйнштейна, произнесенная в споре с Нильсом Бором «Бог не играет в кости». Эйнштейн считал, что, на самом деле, все детерминировано, просто мы пока не можем это измерить. Правильность противоположной позиции была позднее продемонстрирована экспериментально. Особенно ярко - в экспериментальных исследованиях квантовой запутанности.
Квантовая запутанность - ситуация, при которой квантовые характеристики двух или более частиц оказываются связаны. Она может возникнуть, например, если частицы родились в результате одного и того же события. Фактически, нужно, чтобы была определена (например, благодаря их общему происхождению) суммарная характеристика всех частиц. С такой системой частиц происходит еще более странная, чем с одиночной частицей, вещь. Если, например, в ходе эксперимента измерить состояние одной из запутанных частиц, то есть заставить ее принять конкретное состояние, то суперпозиция автоматически снимается и у другой запутанной частицы, на каком бы расстоянии они ни находились. Это было доказано экспериментально в 70 - 80х годах. На сегодняшний день экспериментаторам удалось получить квантово-запутанные частицы, разнесенные на несколько сотен километров. Таким образом, получается, что информация передается от частицы к частице с бесконечной скоростью, заведомо большей скорости света. Последовательно стоявший на детерминистских позициях Эйнштейн отказывался считать эту ситуацию чем-то большим, чем абстрактным умопостроением. В своем письме к физику Борну он иронически назвал взаимодействие запутанных частиц «жутким дальнодействием».
Забавную бытовую иллюстрацию феномена квантовой запутанности придумал физик Джон Белл. У него был рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман, который очень часто приходил на работу в разных носках. Белл шутил, что если наблюдателю виден только один носок Бертлмана, и он розовый, то про второй, даже не видя его, можно совершенно точно сказать, что он не розовый. Разумеется, это просто забавная, не претендующая на проникновение в суть вещей аналогия. В отличие от частиц, которые до момента измерения находятся в состоянии суперпозиции, носок с самого утра на ноге один и тот же.
Сейчас квантовая запутанность и связанное с ней дальнодействие с бесконечной скоростью считаются реальными, экспериментально доказанными феноменами. Им пытаются найти практическое применение. Например, при конструировании квантового компьютера и разработке методов квантовой криптографии.
Работы в области теоретической физики, проведенные за последний год, дают надежду, что проблема построения теории квантовой гравитации и, соответственно, единой теории поля будет, наконец, решена.
В июле этого года американские физики-теоретики Малдасена и Сасскинд выдвинули и обосновали теоретическую концепцию квантовой запутанности черных дыр . Напомним, что черные дыры - это очень массивные объекты, гравитационное притяжение к которым настолько велико, что, подобравшись к ним на определенное расстояние, даже самые быстрые в мире объекты - кванты света - не могут вырваться и улететь прочь. Ученые провели мысленный эксперимент. Они выяснили, что если создать две квантово-запутанные черные дыры, а потом удалить их друг от друга на некоторое расстояние, то в результате образуется так называемая непроходимая кротовая нора . То есть кротовая нора по своим свойствам идентична паре квантово-запутанных черных дыр. Кротовые норы - это пока еще остающиеся гипотетическими топологические особенности пространства-времени, туннели, находящиеся в дополнительном измерении, соединяющие в какие-то моменты времени две точки трехмерного пространства. Кротовые норы популярны в фантастической литературе и кинематографе, потому что через некоторые из них, особенно экзотические, теоретически возможно совершать межзвездные путешествия и путешествия во времени. Через непроходимые кротовые норы, возникающие в результате квантового запутывания черных дыр невозможно ни путешествовать, ни обмениваться информацией. Просто если условный наблюдатель зайдет внутрь одной из пары квантово-запутанных черных дыр, он окажется там же, где он оказался бы, зайдя в другую.
Кротовые норы обязаны своим существованием гравитации. Поскольку в мысленном эксперименте Малдасены и Сасскинда кротовая нора создается на основании квантовой запутанности, то можно сделать вывод, что гравитация не фундаментальна сама по себе, а является проявлением фундаментального квантового эффекта - квантовой запутанности.
В начале декабря 2013 года в одном номере журнала Physical Review Letters вышло сразу две работы ( ,), развивающие идеи Малдасены и Сасскинда. В них голографический метод и теория струн были применены для того, чтобы описать изменения в геометрии пространства-времени, вызываемые квантовой запутанностью. Голограмма представляет собой изображение на плоскости, позволяющее реконструировать соответствующее трехмерное изображение. В общем случае, голографический метод позволяет уместить информацию об n-мерном пространстве в (n-1)-мерное.
Ученым удалось перейти от квантово-запутанных черных дыр к квантово-запутанным парам рождающихся элементарных частиц . При наличии достаточного количества энергии могут рождаться пары, состоящие из частицы и античастицы. Поскольку при этом должны выполняться законы сохранения, такие частицы будут квантово-запутанными. Моделирование такой ситуации показало, что рождение пары кварк+антикварк порождает образование соединяющей их кротовой норы, и что описание состояния квантовой запутанности двух частиц эквивалентно описанию непроходимой кротовой норы между ними.
Получается, что квантовая запутанность может вызывать те же изменения в геометрии пространства-времени, что и гравитация. Возможно, это откроет путь к построению теории квантовой гравитации, которой так не хватает для создания единой теории поля.
· 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 – одно из самых сложных понятий в науке, но основные её принципы просты. А если понять её, запутанность открывает путь к лучшему пониманию таких понятий, как множественность миров в квантовой теории.
Чарующей аурой загадочности окутано понятие квантовой запутанности, а также (каким-то образом) связанное с ним требование квантовой теории о необходимости наличия «многих миров». И, тем не менее, по сути своей это научные идеи с приземлённым смыслом и конкретными применениями. Я хотел бы объяснить понятия запутанности и множества миров настолько просто и ясно, насколько знаю их сам.
Запутанность появляется в ситуациях, в которых у нас есть частичная информация о состоянии двух систем. К примеру, нашими системами могут стать два объекта – назовём их каоны. «К» будет обозначать «классические» объекты. Но если вам очень хочется представлять себе что-то конкретное и приятное – представьте, что это пирожные.
Наши каоны будут иметь две формы, квадратную или круглую, и эти формы будут обозначать их возможные состояния. Тогда четырьмя возможными совместными состояниями двух каонов будут: (квадрат, квадрат), (квадрат, круг), (круг, квадрат), (круг, круг). В таблице указана вероятность нахождения системы в одном из четырёх перечисленных состояний.
Мы будем говорить, что каоны «независимы», если знание о состоянии одного из них не даёт нам информации о состоянии другого. И у этой таблицы есть такое свойство. Если первый каон (пирожное) квадратный, мы всё ещё не знаем форму второго. И наоборот, форма второго ничего не говорит нам о форме первого.
С другой стороны, мы скажем, что два каона запутаны, если информация об одном из них улучшает наши знания о другом. Вторая табличка покажет нам сильную запутанность. В этом случае, если первый каон будет круглым, мы будем знать, что второй тоже круглый. А если первый каон квадратный, то таким же будет и второй. Зная форму одного, мы однозначно определим форму другого.
Квантовая версия запутанности выглядит, по сути, также – это отсутствие независимости. В квантовой теории состояния описываются математическими объектами под названием волновая функция. Правила, объединяющие волновые функции с физическими возможностями, порождают очень интересные сложности, которые мы обсудим позже, но основное понятие о запутанном знании, которое мы продемонстрировали для классического случая, остаётся тем же.
Хотя пирожные нельзя считать квантовыми системами, запутанность квантовых систем возникает естественным путём – например, после столкновений частиц. На практике незапутанные (независимые) состояния можно считать редкими исключениями, поскольку при взаимодействии систем между ними возникают корреляции.
Рассмотрим, к примеру, молекулы. Они состоят из подсистем – конкретно, электронов и ядер. Минимальное энергетическое состояние молекулы, в котором она обычно и находится, представляет собой сильно запутанное состояние электронов и ядра, поскольку расположение этих составляющих частиц никак не будет независимым. При движении ядра электрон движется с ним.
Вернёмся к нашему примеру. Если мы запишем Φ■, Φ● как волновые функции, описывающие систему 1 в её квадратных или круглых состояниях и ψ■, ψ● для волновых функций, описывающих систему 2 в её квадратных или круглых состояниях, тогда в нашем рабочем примере все состояния можно описать, как:
Независимые: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Запутанные: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
Независимую версию также можно записать, как:
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Отметим, как в последнем случае скобки чётко разделяют первую и вторую системы на независимые части.
Существует множество способов создания запутанных состояний. Один из них – измерить составную систему, дающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы договорились быть одной формы, не зная при этом, какую именно форму они выбрали. Это понятие станет важным чуть позже.
Более характерные последствия квантовой запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают из-за её взаимодействия ещё с одним свойством квантовой теории под названием «принцип дополнительности». Для обсуждения EPR и GHZ позвольте мне сначала представить вам этот принцип.
До этого момента мы представляли, что каоны бывают двух форм (квадратные и круглые). Теперь представим, что ещё они бывают двух цветов – красного и синего. Рассматривая классические системы, например, пирожные, это дополнительное свойство означало бы, что каон может существовать в одном из четырёх возможных состояний: красный квадрат, красный круг, синий квадрат и синий круг.
Но квантовые пирожные – квантожные… Или квантоны… Ведут себя совсем по-другому. То, что квантон в каких-то ситуациях может обладать разной формой и цветом не обязательно означает, что он одновременно обладает как формой, так и цветом. Фактически, здравый смысл, которого требовал Эйнштейн от физической реальности, не соответствует экспериментальным фактам, что мы скоро увидим.
Мы можем измерить форму квантона, но при этом мы потеряем всю информацию о его цвете. Или мы можем измерить цвет, но потеряем информацию о его форме. Согласно квантовой теории, мы не можем одновременно измерить и форму и цвет. Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем. Это и есть суть принципа дополнительности, такая, как её сформулировал Нильс Бор.
В результате квантовая теория заставляет нас быть осмотрительными в приписывании свойствам физической реальности. Во избежание противоречий приходится признать, что:
Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему
Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (EPR) описали удивительный эффект, возникающий при запутанности двух квантовых систем. EPR-эффект объединяет особую, экспериментально достижимую форму квантовой запутанности с принципом дополнительности.
EPR-пара состоит из двух квантонов, у каждого из которых можно измерить форму или цвет (но не то и другое сразу). Предположим, что у нас есть множество таких пар, все они одинаковые, и мы можем выбирать, какие измерения мы проводим над их компонентами. Если мы измерим форму одного из членов EPR-пары, мы с одинаковой вероятностью получим квадрат или круг. Если измерим цвет, то с одинаковой вероятностью получим красный или синий.
Интересные эффекты, казавшиеся EPR парадоксальными, возникают, когда мы проводим измерения обоих членов пары. Когда мы меряем цвет обоих членов, или их форму, мы обнаруживаем, что результаты всегда совпадают. То есть, если мы обнаружим, что один из них красный и затем меряем цвет второго, мы также обнаруживаем, что он красный – и т.п. С другой стороны, если мы измеряем форму одного и цвет другого, никакой корреляции не наблюдается. То есть, если первый был квадратом, то второй с одинаковой вероятностью может быть синим или красным.
Согласно квантовой теории, мы получим такие результаты, даже если две системы будет разделять огромное расстояние и измерения будут проведены почти одновременно. Выбор типа измерений в одном месте, судя по всему, влияет на состояние системы в другом месте. Это «пугающее дальнодействие», как называл его Эйнштейн, по-видимому, требует передачу информации – в нашем случае, информации о проведённом измерении – со скоростью, превышающей скорость света.
Но так ли это? Пока я не узнаю, какой результат получили вы, я не знаю, чего ожидать мне. Я получаю полезную информацию, когда я узнаю ваш результат, а не когда вы проводите измерение. И любое сообщение, содержащее полученный вами результат, необходимо передать каким-либо физическим способом, медленнее скорости света.
При дальнейшем изучении парадокс ещё больше разрушается. Давайте рассмотрим состояние второй системы, если измерение первой дало красный цвет. Если мы решим мерить цвет второго квантона, мы получим красный. Но по принципу дополнительности, если мы решим измерить его форму, когда он находится в «красном» состоянии, у нас будут равные шансы на получение квадрата или круга. Поэтому, результат EPR логически предопределён. Это просто пересказ принципа дополнительности.
Нет парадокса и в том, что удалённые события коррелируют. Ведь если мы положим одну из двух перчаток из пары в коробки и отправим их в разные концы планеты, неудивительно, что посмотрев в одну коробку, я могу определить, на какую руку предназначена другая перчатка. Точно так же, во всех случаях корреляция пар EPR должна быть зафиксирована на них, когда они находятся рядом и потому они могут выдержать последующее разделение, будто бы имея память. Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.
Каждый отдельно взятый экспериментатор получает случайные результаты. Измеряя форму квантона, он с равной вероятностью получает квадрат или круг; измеряя цвет квантона, он с равной вероятностью получает красный или синий. Пока всё обыденно.
Но когда экспериментаторы собираются вместе и сравнивают результаты, анализ показывает удивительный результат. Допустим, мы будем называть квадратную форму и красный цвет «добрыми», а круги и синий цвет – «злыми». Экспериментаторы обнаруживают, что если двое из них решили измерить форму, а третий – цвет, тогда либо 0, либо 2 результата измерений получаются «злыми» (т.е. круглыми или синими). Но если все трое решают измерить цвет, то либо 1 либо 3 измерения получаются злыми. Это предсказывает квантовая механика, и именно это и происходит.
Вопрос: количество зла чётное или нечётное? В разных измерениях реализовываются обе возможности. Нам приходится отказаться от этого вопроса. Не имеет смысла рассуждать о количестве зла в системе без связи с тем, как его измеряют. И это приводит к противоречиям.
Эффект GHZ, как описывает его физик Сидни Колман, это «оплеуха от квантовой механики». Он разрушает привычное, полученное из опыта ожидание того, что у физических систем есть предопределённые свойства, независимые от их измерения. Если бы это было так, то баланс доброго и злого не зависел бы от выбора типов измерений. После того, как вы примете существование GHZ-эффекта, вы его не забудете, а ваш кругозор будет расширен.
Мы говорим об «запутанных историях», когда системе невозможно присвоить определённое состояние в каждый момент времени. Так же, как в традиционной запутанности мы исключаем какие-то возможности, мы можем создать и запутанные истории, проводя измерения, собирающие частичную информацию о прошлых событиях. В простейших запутанных историях у нас есть один квантон, изучаемый нами в два разных момента времени. Мы можем представить ситуацию, когда мы определяем, что форма нашего квантона оба раза была квадратной, или круглой оба раза, но при этом остаются возможными обе ситуации. Это темпоральная квантовая аналогия простейшим вариантам запутанности, описанным ранее.
Используя более сложный протокол, мы можем добавить чуть-чуть дополнительности в эту систему, и описать ситуации, вызывающие «многомировое» свойство квантовой теории. Наш квантон можно подготовить в красном состоянии, а затем измерить и получить голубое. И как в предыдущих примерах, мы не можем на постоянной основе присвоить квантону свойство цвета в промежутке между двумя измерениями; нет у него и определённой формы. Такие истории реализовывают, ограниченным, но полностью контролируемым и точным способом, интуицию, свойственную картинке множественности миров в квантовой механике. Определённое состояние может разделиться на две противоречащие друг другу исторические траектории, которые затем снова соединяются.
Эрвин Шрёдингер, основатель квантовой теории, скептически относившийся к её правильности, подчёркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, измерение которых может дать чрезвычайно разные результаты. Его мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» постулирует, как известно, квантовую неопределённость, выведенную на уровень влияния на смертность кошачьих. До измерения коту невозможно присвоить свойство жизни (или смерти). Оба, или ни одно из них, существуют вместе в потустороннем мире возможностей.
Повседневный язык плохо приспособлен для объяснения квантовой дополнительности, в частности потому, что повседневный опыт её не включает. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, и другими предметами, совершенно по-разному, в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение проходит автоматически, и кот продолжает жить (или не жить). Но истории с запутанностью описывают квантоны, являющиеся котятами Шрёдингера. Их полное описание требует, чтобы мы принимали к рассмотрению две взаимоисключающие траектории свойств.
Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй – вещь деликатная, поскольку требует сбора частичной информации о квантонах. Обычные квантовые измерения обычно собирают всю информацию сразу – к примеру, определяют точную форму или точный цвет – вместо того, чтобы несколько раз получить частичную информацию. Но это можно сделать, хотя и с чрезвычайными техническими трудностями. Этим способом мы можем присвоить определённый математический и экспериментальный смысл распространению концепции «множественности миров» в квантовой теории, и продемонстрировать её реальность.
