• Перевод

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.

I

Запутанность считается явлением, уникальным для квантовой механики – но это не так. На самом деле, для начала будет более понятным (хотя это и необычный подход) рассмотреть простую, не квантовую (классическую) версию запутанности. Это позволит нам отделить тонкости, связанные с самой запутанностью, от других странностей квантовой теории.

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

II

Теперь опишем две образцовые, но не классические, иллюстрации странностей квантовой теории. Обе были проверены в строгих экспериментах (в реальных экспериментах люди меряют не формы и цвета пирожных, а угловые моменты электронов).

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.

III

Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Зейлингер открыли ещё один прекрасный пример квантовой запутанности. ОН включает три наших квантона, находящихся в специально подготовленном запутанном состоянии (GHZ-состоянии). Мы распределяем каждый из них разным удалённым экспериментаторам. Каждый из них выбирает, независимо и случайно, измерять ли цвет или форму и записывает результат. Эксперимент повторяют многократно, но всегда с тремя квантонами в GHZ-состоянии.

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.

IV

Пока что мы рассуждаем о том, как запутанность не позволяет назначить уникальные независимые состояния нескольким квантонам. Такие же рассуждения применимы к изменениям одного квантона, происходящим со временем.

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.

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.

Запутанность как магическая связь

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.

Квантовая телепортация простыми словами

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 реальность

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 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.

Группа физиков и математик сделали значительный шаг в сторону объединения общей теории относительности и квантовой механики, объясняя, как пространство-время вытекает из квантовой запутанности в более фундаментальную теорию.

Появилось много популярных статей, где рассказывается о квантовой запутанности. Опыты с квантовой запутанностью весьма эффектны, но премиями не отмечены. Почему вот такие интересные для обывателя опыты не представляют интереса для учёных? Популярные статьи рассказывают об удивительных свойствах пар запутанных частиц - воздействие на одну приводит к мгновенному изменению состояния второй. И что же такое скрывается за термином «квантовая телепортация», о которой уже начали говорить, что она происходит со сверхсветовой скоростью. Давайте рассмотрим все это с точки зрения нормальной квантовой механики.

Что получается из квантовой механики

Квантовые частицы может находиться в двух типах состояний, согласно классическому учебнику Ландау и Лифшица - чистом и смешанном. Если частица не взаимодействует с другими квантовыми частицами, она описывается волновой функцией, зависящей только от её координат или импульсов - такое состояние называют чистым. В этом случае волновая функция подчиняется уравнению Шредингера. Возможен другой вариант - частица взаимодействует с другими квантовыми частицами. В этом случае волновая функция относится уже ко всей системе взаимодействующих частиц и зависит от всех их динамических переменных. Если мы интересуемся только одной частицей, то её состояние, как показал Ландау ещё 90 лет назад, можно описать матрицей или оператором плотности. Матрица плотности подчиняется уравнению, аналогичному уравнению Шредингера

Где - матрица плотности, H - оператор Гамильтона, а скобки обозначают коммутатор.

Его вывел Ландау. Любые физические величины, относящиеся к данной частицы, можно выразить через матрицу плотности. Такое состояние называют смешанным. Если у нас есть система взаимодействующих частиц, то каждая из частиц находится в смешанном состоянии. Если частицы разлетелись на большие расстояния, и взаимодействие исчезло, их состояние все равно останется смешанным. Если же каждая из нескольких частиц находятся в чистом состоянии, то волновая функция такой системы есть произведение волновых функций каждой из частиц (если частицы различны. Для одинаковых частиц, бозонов или фермионов, надо составить симметричную или антисимметричную комбинацию см. , но об этом позже. Тождественность частиц, фермионы и бозоны – это уже релятивистская квантовая теория.

Запутанным состоянием пары частиц называется такое состояние, в котором имеется постоянная корреляция между физическими величинами, относящимися к разным частицам. Простой и наиболее часто распространенный пример - сохраняется некая суммарная физическая величина, например, полный спин или момент импульса пары. Пара частиц при этом находится в чистом состоянии, но каждая из частиц - в смешанном. Может показаться, что изменение состояния одной частицы сразу скажется на состоянии другой частицы. Даже если они разлетелись далеко и не взаимодействуют, Именно это высказывается в популярных статьях. Это явление уже окрестили квантовой телепортацией, Некоторые малограмотные журналисты даже утверждают, что изменение происходит мгновенно, то есть распространяется быстрее скорости света.

Рассмотрим это с точки зрения квантовой механики, Во-первых, любое воздействие или измерение, меняющее спин или момент импульса только одной частицы, сразу же нарушает закон сохранения суммарной характеристики. Соответствующий оператор не может коммутировать с полным спином или полным моментом импульса. Таким образом, нарушается первоначальная запутанность состояния пары частиц. Спин или момент второй частицы уже нельзя однозначно связать с таковым для первой. Можно рассмотреть эту проблему с другой стороны. После того, как взаимодействие между частицами исчезло, эволюция матрицы плотности каждый из частиц описывается своим уравнением, в которое динамические переменные другой частицы не входят. Поэтому воздействие на одну частицу не будет менять матрицу плотности другой.

Имеется даже теорема Эберхарда , которая утверждает, что взаимное влияние двух частиц невозможно обнаружить измерениями. Пусть имеется квантовая система, которая описывается матрицей плотности. И пусть эта система состоит из двух подсистем A и B. Теорема Эберхарда гласит, что никакое измерение наблюдаемых, связанных только с подсистемой A, не влияет на результат измерения любых наблюдаемых, которые связаны только с подсистемой B. Впрочем, доказательство теоремы использует гипотезу редукции волновой функции, которая не доказана ни теоретически, ни экспериментально. Но все эти рассуждения сделаны в рамках нерелятивистской квантовой механики и относятся к различным, не тождественным частицам.

Эти рассуждения не работают в релятивистской теории в случае пары одинаковых частиц. Еще раз напомню, что тождественность или неразличимость частиц – из релятивистской квантовой механики, где число частиц не сохраняется. Однако для медленных частиц мы можем использовать более простой аппарат нерелятивистской квантовой механики, просто учитывая неразличимость частиц. Тогда волновая функция пары должна быть симметричной (для бозонов) или антисимметричной (для фермионов) по отношению к перестановке частиц. Такое требование возникает в релятивистской теории, независимо от скоростей частиц. Именно это требование приводит к дальнодействующим корреляциям пары одинаковых частиц. В принципе протон с электроном тоже могут находиться в запутанном состоянии. Однако если они разойдутся на несколько десятков ангстрем, то взаимодействие с электромагнитными полями и другими частицами разрушит это состояние. Обменное взаимодействие (так называют это явление) действует на макроскопических расстояниях, как показывают эксперименты. Пара частиц, даже разойдясь на метры, остается неразличимой. Если вы проводите измерение, то вы точно не знаете, к какой частице относится измеряемая величина. Вы проводите измерения с парой частиц одновременно. Поэтому все эффектные эксперименты проводились именно с одинаковыми частицами – электронами и фотонами. Строго говоря, это не совсем то запутанное состояние, которое рассматривают в рамках нерелятивистской квантовой механики, но что-то похожее.

Рассмотрим простейший случай – пара одинаковых невзаимодействующих частиц. Если скорости малы, мы можем пользоваться нерелятивистской квантовой механикой с учетом симметрии волновой функции по отношению к перестановке частиц. Пусть волновая функция первой частицы , второй частицы - , где и - динамические переменные первой и второй частиц, в простейшем случае – просто координаты. Тогда волновая функция пары

Знаки + и – относятся к бозонам и фермионам. Предположим, что частицы находятся далеко друг от друга. Тогда локализованы в удаленных областях 1 и 2 соответственно, то есть вне этих областей они малы. Попробуем вычислить среднее значение какой-нибудь переменной первой частицы, например, координаты. Для простоты можно представить, что в волновые функции входят только координаты. Окажется, что среднее значение координат частицы 1 лежит МЕЖДУ областями 1 и 2, причем оно совпадает со средним значением для частицы 2. Это на самом деле естественно – частицы неразличимы, мы не можем знать, у какой частицы измеряются координаты. Вообще все средние значения у частиц 1 и 2 будут одинаковы. Это значит, что, перемещая область локализации частицы 1 (например, частица локализована внутри дефекта кристаллической решетки, и мы двигаем весь кристалл), мы воздействуем на частицу 2, хотя частицы не взаимодействуют в обычном смысле – через электромагнитное поле, например. Это простой пример релятивистской запутанности.

Никакой мгновенной передачи информации из-за этих корреляций между двумя частицами не происходит. Аппарат релятивистской квантовой теории изначально построен так, что события, находящиеся в пространстве-времени по разные стороны светового конуса, не могут влиять друг на друга. Проще говоря, никакой сигнал, никакое воздействие или возмущение не могут распространяться быстрее света. Обе частицы на самом деле являются состоянием одного поля, например, электрон-позитронного. Воздействуя на поле в одной точке (на частицу 1), мы создаем возмущение, которое распространяется подобно волнам на воде. В нерелятивистской квантовой механике скорость света считается бесконечно большой, оттого возникает иллюзия мгновенного изменения.

Ситуация, когда частицы, разнесенные на большие расстояния, остаются связанными в паре, кажется парадоксальной из-за классических представлений о частицах. Надо помнить, что реально существуют не частицы, а поля. То, что мы представляем, как частицы – просто состояния этих полей. Классическое представление о частицах совершенно непригодно в микромире. Сразу же возникают вопросы о размерах, форме, материале и структуре элементарных частиц. На самом деле ситуации, парадоксальные для классического мышления, возникают и с одной частицей. Например, в опыте Штерна-Герлаха атом водорода пролетает через неоднородное магнитное поле, направленное перпендикулярно скорости. Спином ядра можно пренебречь из-за малости ядерного магнетона, пусть изначально спин электрона направлен вдоль скорости.

Эволюцию волновой функции атома нетрудно рассчитать. Первоначальный локализованный волновой пакет расщепляется на два одинаковых, летящих симметрично под углом к первоначальному направлению. То есть атом, тяжелая частица, обычно рассматриваемая, как классическая с классической траекторией, расщепился на два волновых пакета, которые могут разлететься на вполне макроскопические расстояния. Заодно замечу – из расчета следует, что даже идеальный эксперимент Штерна-Герлаха не в состоянии измерить спин частицы.

Если детектор связывает атом водорода, например, химически, то «половинки» - два разлетевшихся волновых пакета, собираются в один. Как происходит такая локализация размазанной частицы – отдельно существующая теория, в которой я не разбираюсь. Желающие могут найти обширную литературу по этому вопросу.

Заключение

Возникает вопрос – в чем смысл многочисленных опытов по демонстрации корреляций между частицами на больших расстояниях? Кроме подтверждения квантовой механики, в которой давно уже ни один нормальный физик не сомневается, это эффектная демонстрация, производящая впечатление на публику и дилетантов-чиновников, выделяющих средства на науку (например, разработку квантовых линий связи спонсирует Газпромбанк). Для физики эти дорогостоящие демонстрации ничего не дают, хотя позволяют развивать технику эксперимента.

Литература
1. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). - Издание 3-е, переработанное и дополненное. - М.: Наука, 1974. - 752 с. - («Теоретическая физика», том III).
2. Eberhard, P.H., “Bell’s theorem and the different concepts of nonlocality”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

Издавна мы передаем сигналы при помощи различных носителей информации. Мы использовали сигнальные костры, барабаны, голубей, электричество. И в итоге опять пришли к свету - к передаче информации по оптике. А теперь изучаем сцепленные фотоны. Все мы знаем, что напрямую через квантовую сцепленность передать можно ключ, но не иную информацию. А если не напрямую, но при помощи? Кому интересно, добро пожаловать под кат.

Квантовая сцепленность

Для начала попробую пояснить эффект квантовой сцепленности:

Есть пара носков. Каждый носок из пары сразу после момента создания сцепленности помещен в отдельный ящик и отправлен своему адресату. В момент, когда один из адресатов открывает посылку, он видит правый (или левый) носок и тут же получает информацию о том, какой носок у второго адресата, как бы далеко тот ни находился. Причем заранее точно предсказать, будет ли носок правый или левый, невозможно. А самое главное, что и делает квантовую физику столь отличной от физики классической: пока носки не открыли, они и сами «не знают», какой правый, а какой левый. Но как только один из носков подвергся наблюдению и «определился», второй в тот же момент обретает строго противоположное свойство. Более подробно, с доказательством, можно узнать по запросу «Теорема Белла».

Как видим, передать осмысленную информацию напрямую через это свойство невозможно. Но есть обходной путь.

Принцип передачи носителя информации и сигнала

Итак, квантовому спутнику связи QUESS удалось передать запутанные фотоны между парами обсерваторий, находившихся на расстоянии до 1203 километров. Ученые подтвердили соотношение: одно событие успешной передачи на шесть миллионов отправленных фотонных пар. Соотношение сигнал/шум, казалось бы, не вызывает оптимизма, однако сам факт успешности передачи переводит задачу работы с подобным носителем информации из невозможных в инженерную задачу борьбы избыточности и шума.

Надеюсь, со временем мы придумаем много способов использовать квантовую сцепленность. Опишу один из, по-моему, возможных.

Первый этап: устройство разделяет сцепленные пары и передает на вышки «А» (будущий условно передатчик) и «В» (будущий условно приемник) на хранение запутанные фотоны последовательной цепочкой. Носитель информации передан.

Второй этап: вышка «А» проводит измерение (наблюдение) первого фотона в цепочке, определяя момент начала передачи сообщения, запускает таймер «Т», за время которого проводит измерение тех фотонов в цепочке, которые будут условными единицами и не затрагивает те фотоны, которые будут условным нулем; посредством слабого измерения аппаратура вышки «В» определяет изменение состояния первого фотона и запускает таймер «Т».

Третий этап: по окончании заданного времени «Т» аппаратура вышки «В» фиксирует состояние фотонов в цепочке посредством слабого взаимодействия, где потерявшие сцепленность фотоны - 1, оставшиеся сцепленными - 0.

Так же, например, триггером начала и конца наблюдения цепочки может быть таймер синхронизированного заранее времени.

Таким образом, нас не интересует, каков именно фотон в паре. Нас интересует сам факт: сохранилась сцепленность, или нет. Сигнал передан.

Это концепция из идеального мира, где ни один фотон не потерялся, цепочка была собрана правильно, и так далее. Проблемы реального мира - это проблемы борьбы избыточности и шума, а также сложность в создании систем хранения, воздействия, и контроля частиц.
Но главное - принципиальная возможность передачи сигнала посредством квантовой сцепленности.

Взаимосвязь носителя информации и сигнала

Сама возможность подобного способа работы с сигналом позволяет нам взглянуть на информацию под новым углом. Получается, что в момент передачи носителя информации (цепочки сцепленных частиц) в рамках действующих законов, не быстрее скорости света, мы передаем всю возможную информацию, которую только можно таким образом закодировать.

Приведу аналогию: вы заказали книгу в библиотеке, встречаете курьера, а у него за спиной, невидимые вам, все книги из библиотеки, знаете вы о них, или нет. Вы называете автора и название, забираете свою одну книгу, и остальные тут же уничтожаются.
До следующего курьера из библиотеки.

Еще аналогия: я пишу слово «коса» и у вас в мозгу возникают образы, которые могут быть инициированы этим носителем информации. Однако для передачи сигнала требуется конкретизация: «русая» или «деревянная» или «песчаная». На других языках это сочетание символов «коса» может означать что-то иное, и информация содержится в носителе независимо от того, знаем ли мы ее. Мы просто не имеем уточняющего триггера и памяти для нужного сигнала.

Так и с цепочкой частиц: в момент передачи к вышкам мы передали всю возможную информацию (возможные варианты), оставаясь в рамках знакомой физики, не быстрее скорости света, а фактом измерения лишь произвели уточнение.

В целом, нас ждет увлекательное время в попытках объяснить (и понять), что условный шпион, протащив пару запутанных частиц на объект и нажав в определенное время кнопку (или не нажав, оставив частицы сцепленными) не передал через парные частицы «в штабе» информацию быстрее скорости света. Он пер свою часть информации как улитка на своем горбу. А кнопкой лишь уточнил, выбрал, конкретизировал. Нам еще предстоит разобраться, что он сделал. Но военным понравится. Понравятся шахты, которые невозможно экранировать от команды, и без управляющих проводов. Понравится возможность отдать приказ на любое расстояние, через любые глушилки, на заранее взятый с собой приемник с контейнером частиц. Думаю, именно они, опять, будут двигать технологию.

Или хирург, для которого вышки по всему миру всю ночь накапливали носители информации (запутанные частицы) на разных концах планеты со всем почтением к скорости света, будет делать операцию и видеть мгновенные реакции хирургического робота за десятки тысяч километров от своего кабинета. Он будет потом в интервью говорить, что все происходило мгновенно. А читающий это физик будет ворчать, что вся информация обо всех возможных действиях хирурга была передана еще ночью (с точки зрения физики), с нормальной скоростью. А хирург лишь «уточнил» своими действиями, как именно он прооперировал.

Или взаимодействие информации и, например, свойства локальности мира. Это свойство означает, что событие в одной точке, скажем, планеты не может мгновенно повлиять на физическую действительность в другой точке планеты. Тогда, если условное нажатие кнопки посредством эффекта квантовой запутанности мгновенно зажжет лампочку на другой стороне планеты, значит информация о влияющем событии содержалась в носителе информации до того, как влияющее событие произошло.

Получается, мы находимся на пороге следующего шага эволюции сигнала. При помощи квантового мира мы разделяем скорость прохождения сигнала и скорость распространения носителя информации. Обеспечив запас сцепленных пар с нормальной скоростью, в тот момент, когда критично передать сигнал практически мгновенно, мы можем, пусть пока теоретически, это осуществить.