Глава 11. Запутанная перепутаница

Но изменения в представлении о реальности, ясно выступающие в квантовой теории, не являются простым продолжением предшествующего развития. По-видимому, здесь речь идет о настоящей ломке в структуре естествознания.

В. Гейзенберг.

Физика и философия. Язык и реальность в современной физике

Средства массовой информации заполонили сенсационные сообщения, казалось, сошедшие со страниц научно-фантастических романов. Речь шла о так называемой «квантовой телепортации».

Однако теоретически существует возможность, при которой законы квантовой механики останутся абсолютными. Для этого нужно предположить, что две взаимодействовавшие частицы остаются каким-то образом связанными между собой. Тогда возмущение, вносимое измерением в состояние первой частицы, мгновенно перенесется на состояние второй, связанные таким образом частицы называются в квантовой механике запутанными и описываются единой волновой функцией, на каком бы расстоянии они ни находились. Передаваемое возмущение соответствует коллапсионной редукции волновой функции. Подобное мгновенное изменение описания квантового состояния микрообъекта, происходящее в процессе физических измерений, было детально описано в 20-х годах прошлого века одним из создателей математической квантовой теории Иоганном фон Нейманом.

Некоторые ученые даже полагают, что квантовая запутанность – это не просто наложение друг на друга различных состояний и такое их переплетение, когда нет возможности отделить содержимое физической системы одно от другого. Они вполне серьезно обсуждают наличие «мистических» связей между подсистемами, которые необъяснимы с точки зрения известных физических полей и взаимодействий. Иногда даже можно слышать, что квантовые корреляции – это не просто взаимодействия, а скорее «квантовая телепатия», когда один объект непосредственно «ощущает» свое единство с другими телами, когда все внешние изменения мгновенно отзываются в нем самом, и наоборот: изменяя что-то в себе, эти действия тут же сказываются в окружении.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (например, нескольких элементарных частиц), и представляет собой суперпозицию макроскопически различимых состояний. Для таких систем флуктуации отдельных частей взаимосвязаны, но не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных, например, скоростью света, а посредством особых квантовых корреляций. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях (даже если они разделены в пространстве, вплоть до бесконечно больших расстояний). И это не просто теория. «Магические» свойства запутанных состояний подтверждены многочисленными физическими экспериментами, о которых мы скажем ниже, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы принципиально новых электронно-вычислительных устройств – квантовых компьютеров.

Величина квантовой запутанности обычно условно измеряется от нуля до единицы. Именно этот параметр квантовых систем и определяет степень связности отдельных локальных частей. К примеру, для слабо связанных друг с другом квантовых фрагментов мера запутанности стремится к нулю. В противном случае, если система составляет единое и неразделимое целое, мера запутанности стремится к единице. В принципе разделить квантовую структуру на строго независимые субструктурные фрагменты можно лишь в том случае, если она изначально находилась в незапутанном – сепарабельном (допускающем разделение) – состоянии при мере запутанности, равной нулю. Вообще говоря, это можно сделать только для квантовой системы, отдельные фрагменты которой никогда не вступали во взаимодействие друг с другом.

Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия квантовых систем с окружением.

Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается, и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Это явление тесно связано с понятием квантовой запутанности и в своей основе подобно потере слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов в результате взаимодействия системы с окружающей средой.

Квантовая запутанная система чем-то напоминает фотопластинку с непроявленным изображением. Это своеобразное физическое состояние объекта, когда видимая информация может появиться только после проявления фотопластинки (взаимодействия с окружением). Конечно, ситуация с запутанностью выглядит несколько сложнее, и там нет заранее отображенной «негативной» информации. Скорее, это напоминает ситуацию, когда великое множество изображений равномерно распределено по фотографическому негативу, и поэтому невидимо.

Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Для них квантовая запутанность проявляется особенно сильно и ее уже невозможно игнорировать, как в случае макрообъектов. Ситуация здесь напоминает применение понятия «волновая функция» в микро- и макромире.

Квантовая запутанность связана с количеством информации, содержащейся в физической системе, что позволяет описывать физические процессы изменения степени квантовой запутанности между компонентами системы, как обмен информацией с ее окружением.

Надо сказать, что проблема квантовой запутанности, особенно в макроскопических системах, до сих пор представляет собой предмет бурной полемики. При этом наиболее интенсивно обсуждается вопрос квантового принципа несепарабельности, заключающегося в том, что взаимодействующие системы, квантово-запутанные между собой, связаны нелокальными квантовыми корреляциями. При этом некоторые теоретики даже склоняются к мысли, что все акты взаимодействия в окружающем мире вне зависимости от их масштабности являются предпосылками для квантовой запутанности взаимодействующих объектов. Однако большинство специалистов считает подобное теоретизирование проявлением своеобразного «квантового экстремизма», ведь пока еще физикам не удалось построить непротиворечивую модель нашей реальности, состоящей из несепарабельных материальных систем и объектов. В еще большей степени сказанное касается количественного описания макроквантовой запутанности окружающих нас тел на «бытовом уровне».

Антон Цайлингер (р. 1945) – австрийский физик, известный пионерскими работами в области квантовой информации

Естественно, что у читателя уже давно должен был возникнуть вопрос: как такая «запутанная» квантовая теория согласуется с экспериментальными данными?

Здесь надо заметить, что при экспериментировании с квантовыми системами отличить суперпозицию от смеси в принципе можно по интерференционным эффектам. Это напоминает отбраковку посуды, когда контролер легкой металлической палочкой ударяет по бокалам и тарелкам. Если посуда цела (полная суперпозиция) – возникает чистый тон, а если в стакане есть трещина, то слышен дребезжащий звук (смесь состояний).

Первые эксперименты по проверке теории квантовой запутанности связаны с именем профессора Венского университета Антона Цайлингера. Для своих опытов Цайлингер выбрал обыкновенные фотоны – кванты электромагнитного излучения, попытавшись «телепортировать» эти элементарные частицы в иную точку пространства. Важным элементом экспериментов Цайлингера была подготовительная фаза, ведь необходимо, чтобы в некоторой точке пространства оказался фотон, изменяющий свои характеристики в ходе телепортации и точь-в-точь как исходная частица. Итак, оказывается, что в экспериментах по квантовой телепортации происходит не перемещение материальных объектов, а своеобразная череда мгновенных превращений их состояний.

Мы можем прибегнуть к следующему сравнению: представим себе, что в точке выхода квантового «телепортационного портала» находится зеркало. Что бы ни происходило с исходным фотоном, зеркало отражает его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Правда, аналогия здесь не полная, поскольку изображение в зеркалах отражается со скоростью света, а скорость квантовой телепортации пока еще считается практически неограниченной (тут надо подчеркнуть, что это не противоречит теории относительности, поскольку подобная квантовая телепортация никак не связана с переносом материи).

Основным объектом опыта профессора Цайлингера, поставленного в Инсбруке, были незримо связанные друг с другом фотоны. Чтобы их получить, ученые направляли на кристалл с особыми оптическими свойствами лазерные световые импульсы длительностью в сотни миллионных долей миллиардной части секунды. После преобразования видимого света в ультрафиолетовые сигналы их направляли на еще один оптический кристалл, где и возникала пара фотонов инфракрасного диапазона с плоскостями колебаний, строго перпендикулярных друг другу. Так возникали пары микрочастиц, завязанные в «квантовый узел», причем одна из них была поляризована в горизонтальной плоскости, а другая – в вертикальной. Итак, выходило, что свойства фотонов неким образом передавались друг другу, и они принимали состояние точно такое же, как и их прототипы, разделенные многометровой дистанцией.

Следует подчеркнуть, что ни в этом, ни в других подобных опытах категорически не происходило какого-либо материального переноса элементарной частицы в пространстве. Происходила лишь передача квантовой информации о состоянии микрочастицы, в данном случае о поляризационных характеристиках фотона.

Ричард Фейнман (1918–1988) – выдающийся американский физик, один из создателей квантовой электродинамики

В то же время теория, согласно которой пространство непрерывно, мне кажется неверной, потому что она приводит к бесконечно большим величинам и другим трудностям. Кроме того, она не дает ответа на вопрос о том, чем определяются размеры всех частиц. Я сильно подозреваю, что простые представления геометрии, распространенные на очень маленькие участки пространства, неверны. Говоря это, я, конечно, всего лишь пробиваю брешь в общем здании физики, ничего не говоря о том, как ее заделать. Если бы я это смог, то я закончил бы лекцию новым законом.

Сегодня ученые могут телепортировать тысячи квантовых микрообъектов и даже успешно проводят опыты по телепортации атомов и молекул. Однако и проблем вокруг квантовой телепортации еще предостаточно, ведь одним из главных требований «правильного» запутывания является создание «дистиллированно» сверхчистой квантовой среды, а чем сложнее устроен квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешней среды.

Кажется парадоксальным, но к настоящему времени квантовая теория наиболее полно и точно описывает весь наш мир – Универсум в целом. Дело в том, что космологи считают окружающую нас Вселенную замкнутой системой, а в квантовой механике считается, что описание замкнутой системы ее вектором состояния должно являться полным. Проблема лишь в том, что нас сплошь и рядом окружают именно открытые системы, активно контактирующие с соседними физическими объектами, так что мы постоянно должны решать задачу задания вектора состояния эволюционирующей системы.

В заключение приведем мнение знаменитого физика прошлого века Ричарда Фейнмана, изложенное им в лекции «В поисках новых законов». В ней Фейнман, как один из создателей квантовой электродинамики, признал, что амплитуды вероятностей выглядят очень странно и с первого взгляда можно даже решить, что в этом квантовая теория безусловно нелепа. Но все, что можно вывести из представления о квантовомеханических амплитудах вероятности, как бы странно это представление ни выглядело, оказывается верным, и так на протяжении всей теории странных частиц, на все сто процентов. Поэтому сам профессор Фейнман не думает, что, когда будут открыты законы внутренней структуры нашего мира, эти представления окажутся неправильными.