Квант - Джим Аль-Халили

В квантовой механике идея о том, что кости остаются в (нелокальном) контакте, как бы далеко друг от друга они ни находились, известна под названием запутанность. Хотя этот термин на заре квантовой механики использовал еще Шрёдингер, на первый план идея вышла лишь в последние годы.

Если две квантовых частицы взаимодействуют друг с другом, они могут стать взаимосвязанными – и тогда их судьбы переплетутся навсегда, как бы далеко друг от друга они ни улетели, пока одна из них не вступит во взаимодействие с измерительным прибором. Математически это проявляется следующим образом: частицы описываются единой волновой функцией, которая содержит в себе объединенную и общую информацию об их квантовых состояниях. Теперь одна из частиц может оказаться в суперпозиции, например встретив на пути экран с двумя прорезями. Если это происходит, вторая частица тоже волей-неволей оказывается в суперпозиции различных состояний, которые зависят от (а точнее, коррелируют с) каждой из двух альтернатив первой частицы. Теперь считается, что волновая функция описывает «запутанное состояние».

Самый известный пример этого был впервые описан в статье, которую Эйнштейн написал вместе с двумя коллегами, Борисом Подольским и Натаном Розеном. Само собой, в то время Эйнштейна гораздо больше волновала идея неопределенности, в соответствии с которой квантовая механика настаивает, что мы не можем одновременно знать все о квантовой частице. Однако мы увидим, что на самом деле внимание стоило обратить на нелокальный характер запутанности.

Эксперимент ЭПР

В 1935 году, вскоре после того как Эйнштейн переехал из Германии в Соединенные Штаты, он решил провести мысленный эксперимент, чтобы подчеркнуть, что в квантовой механике невозможно полагать, будто частица имеет определенную позицию, пока мы на нее не смотрим. Вместе с Подольским и Розеном он разработал сценарий, который получил название ЭПР-парадокса по инициалам троих авторов соответствующей статьи. Они взяли две частицы, такие как фотоны, которые одновременно испускаются одним источником и двигаются в разные стороны с одинаковой и противоположно направленной скоростью.

Мы уже знаем, что, если следить только за одним из фотонов, его необходимо считать распространенной волной, пока он не обнаружен. Нам приходится признать это, потому что мы понимаем, что если он наткнется на экран с двумя прорезями, то его дальнейший маршрут будет продиктован картиной интерференции его волновой функции. (Не забывайте, картину интерференции мы увидим, только когда сквозь прорези пройдет множество идентичных фотонов.) Каждый из них ведет себя, как волна, пока он не обнаружен, и как частица, когда он обнаружен. Эйнштейн с коллегами заметил, что интерес представляет другой фотон. Если мы решим измерить волнообразные свойства первого фотона, например длину его волны, это будет равносильно измерению его импульса[31]. А так как два фотона обладают одинаковой величиной импульса, но при этом двигаются в противоположных направлениях, мы также узнаем точную величину импульса второго фотона и сможем сопоставить ее с точной длиной волны. Это все равно что сказать, что он тоже ведет себя, как волна.

Однако – и здесь начинается самое интересное, – если бы мы вместо этого решили измерить точное положение первого фотона, то он предстал бы перед нами локализованной частицей. После этого мы смогли бы определить и точное положение второго фотона в этот момент, даже не наблюдая за ним, поскольку он прошел бы точно такое же расстояние от источника, двигаясь в противоположную сторону. Таким образом, напрашивается вывод, что атрибуты, которыми мы наделяем первый фотон, зависят от того, что мы решаем с ним сделать и как это измерить. В конце концов, мы знаем, что, определяя его положение, мы должны оказывать влияние на его волновую функцию, как это видно в фокусе с двумя прорезями. Но второй фотон мы при этом не затрагиваем. Мы могли бы специально подождать, пока они разлетятся на очень большое расстояние, чтобы точно никак не повлиять на второй фотон. Вывод состоит в том, что мы, в принципе, могли бы узнать точное положение второго фотона (как частицы) или точную величину его импульса (как волны) в любой момент времени, не наблюдая за ним. Неважно, что на практике это невозможно, поскольку нам в таком случае придется одновременно провести два разных измерения для первого фотона. Важно же то, что второй фотон должен был всегда обладать определенным положением и величиной импульса.

Я вернусь к этой проблеме в Главе 6, где буду рассматривать настойчивость Эйнштейна в отношении так называемой «объективной реальности», то есть того, что мы не должны ждать измерения конкретной характеристики квантовой системы, чтобы эта характеристика стала реальной. Сегодня уже известно, что насчет этого он ошибался (см. на стр. 109). Большинство физиков утверждает, что ни одна частица не обладает ни определенным положением, ни определенной величиной импульса, пока не проведены измерения. Хотя возможен и другой взгляд на эту проблему, не приходится и сомневаться, что здесь точно задействована какая-то нелокальная коммуникация, посредством которой непотревоженная частица мгновенно узнает о том, какое именно измерение было проведено в отношении ее партнера.

Вот «решение» этого парадокса: так как частицы вступили во взаимодействие, в дальнейшем они описываются запутанной волновой функцией, а их судьбы связаны, как бы далеко друг от друга они ни разлетелись. При измерении какого-либо свойства одной из них происходит коллапс полной волновой функции и второй фотон моментально наделяется соответствующим свойством. Все просто, правда?

Сегодня квантовая нелокальность и запутанность уже не вызывают философских споров. Они считаются ключевыми характеристиками квантового мира. На самом деле запутанность многих частиц может привести к разработке совершенно новой технологии, о которой и не мечтали квантовые пионеры.

Квантовый похититель драгоценностей

Существует множество примеров использования квантовой странности, но ни один из них не может сравниться в замысловатости с идеей бесконтактных измерений. Описанный ниже выдуманный сценарий представляет собой вариацию концепции, известной как эксперимент Элицура – Вайдмана с тестированием бомб, которая уже была проверена в лабораторных условиях.

Международный похититель драгоценностей планирует крупную кражу. В хранилище снабженного передовой системой безопасности швейцарского банка находится несколько бесценных бриллиантов. Проникнуть в хранилище весьма непросто, но для нашего хитрого вора эта задача вполне выполнима. Однако, оказавшись внутри, он сталкивается с неразрешимой проблемой. Не касаясь ни одного из бриллиантов, он может провести в хранилище несколько часов. Если же он возьмет хотя бы один из них, у него останется всего 30 секунд, чтобы завершить начатое и выйти через дверь обратно, пока он не