Парадокс ЭПР
Квантовая механика наводит на мысль, что информация может мгновенно передаваться между системами независимо от расстояний между ними. Это называется «квантовой запутанностью» и говорит о наличии огромной раскинувшейся по вселенной сети взаимосвязей между частицами. Эйнштейн, Подольский и Розен считали это нелепостью и оспорили такую интерпретацию в своем парадоксе. Однако эксперименты, показывающие, что «квантовая запутанность» существует, позволяют говорить о новых возможностях, открывающихся перед квантовой криптографией, компьютерными технологиями и даже телепортацией.
Альберт Эйнштейн так никогда и не принял копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, согласно которой вплоть до момента наблюдения квантовые системы существуют в вероятностном чистилище, а после него принимают свое конечное состояние. Прежде чем наблюдение отфильтрует состояние системы, она существует как комбинация всех возможных состояний. Эйнштейна эта картина не удовлетворяла, он считал такие комбинации и смеси нереалистичными.
«Я, во всяком случае, убежден, что Он [Бог] в кости не играет» Альберт Эйнштейн, 1926
Парадоксальные частицы
В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном выразил свое недовольство в форме парадокса, названного «парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена», или «парадоксом ЭПР». Представим частицу, которая распадается на две другие. Если изначальная частица была неподвижной, дочерние должны обладать равными, противоположно направленными импульсом и моментом количества движения, чтобы сумма обоих оставалась равной нулю (поскольку эти показатели сохраняются). То есть новые частицы должны разлетаться и вращаться в противоположных направлениях. Подобным же образом связаны и другие квантовые свойства этой пары. Измерив направление вращения одной из них, мы сразу узнаем и направление вращения другой (противоположное), даже если времени после их рождения прошло много и разлетелись они очень далеко. Это то же самое, что выяснить цвет глаз одного из однояйцевых близнецов. Если глаза у него зеленые, мы сразу узнаем, что и у другого они тоже зеленые.
Пытаясь объяснить это с помощью копенгагенской интерпретации, вы скажете, что перед любыми измерениями обе частицы (или близнецы) существовали в виде суперпозиции обоих возможных состояний. Волновые функции частиц содержали информацию о них, вращающихся в каком угодно направлении; близнецы обладали смесью всех возможных расцветок глаз. Когда же мы проводим измерение одного из членов пары, происходит одновременная редукция волновых функций обоих. Эйнштейн, Подольский и Розен заявили, что это бессмыслица. Как можно одновременно воздействовать на частицы, удаленные одна от другой? К тому времени Эйнштейн уже показал, что скорость света есть универсальный предел скоростей — быстрее света ничто перемещаться не может. Как же вторая частица узнает о том, что первую подвергли измерению? То, что измерение, проведенное на одном конце вселенной, может «мгновенно» воздействовать на материю, находящуюся на другом ее конце, должно свидетельствовать об ошибочности квантовой механики.
Запутанность
В той же статье, где описывался парадокс с котом, Шредингер использовал слово «запутанность» для описания этого странного действия на расстоянии.
Бору существование во вселенной связи на квантовом уровне представлялось неизбежным. Эйнштейн же предпочитал верить в «локальную реальность», в локальную определенность знания о мире. Точно так же, как близнецы рождаются с глазами одного цвета, а не разгуливают, оставаясь, пока мы на них не взглянем, в расплывчатом многоцветном состоянии, пара частиц, полагал Эйнштейн, испускается в тех или иных направлениях, которые затем остаются фиксированными, и потому ни в связи на расстоянии, ни в роли наблюдателя никакой необходимости не существует. Эйнштейн выдвинул предположение о существовании неких скрытых переменных, ныне сформировавшееся в «неравенства Белла», которые еще будут открыты и докажут его правоту, однако никаких свидетельств этого обнаружено так и не было.
Напротив, было показано, что эйнштейновская идея локальной реальности неверна. Эксперименты продемонстрировали существование квантовой запутанности даже для случая более чем двух частиц, разделенных многими километрами.
Квантовая информация
Поначалу квантовая запутанность возникла как философский спор, однако сейчас она позволяет кодировать и передавать информацию способами, совершенно не похожими на существовавшие прежде. В обычных компьютерах информация кодируется в виде битов с фиксированными значениями двоичного кода. При квантовом кодировании используются два или более квантовых состояния, однако система может существовать также в виде композиции этих состояний. В 1993 году появился термин «кубит» (квантовая композиция битовых значений), и ныне на основе этих принципов проектируются квантовые компьютеры.
Спутанные состояния дают новые каналы связи между кубитами. Если производится измерение, оно приводит к каскаду дальнейшей квантовой связи между элементами системы.
Измерение одного элемента устанавливает наборы значений для всех остальных — такие эффекты полезны в квантовой криптографии и даже в квантовой телепортации. Строго говоря, неопределенный характер квантовой механики запрещает телепортацию, какой она изображается в научной фантастике, где ученый считывает полную информацию о какой-то вещи и заново собирает ее в другом месте. Получить всю информацию из-за принципа неопределенности мы не можем. И потому телепортация человека — и даже мухи — невозможна. Однако использование запутанных систем делает возможным ее квантовый вариант. Если два человека, ученые часто называют их Алисой и Бобом, владеют парой спутанных фотонов, Алиса может произвести измерения на своем фотоне и тем самым перенести всю информацию о них на фотон Боба, и тогда последний станет неотличимым от ее оригинала, хоть и будет представлять собой репродукцию. Телепортация это или нет? Хороший вопрос. Никаких путешествий ни фотоны, ни информация не совершают — Алиса и Боб могут находиться на разных концах вселенной и, тем не менее, преобразовывать спутанные фотоны друг друга.
«Похоже, принцип неопределенности связывает руки даже Богу и он не может знать сразу и местоположение, и скорость частицы. Так что же, играет Бог со вселенной в кости? Все указывает на то, что он — заядлый игрок, бросающий кости при каждой возможности» Стивен Хокинг, 1993
Квантовая криптография основана на использовании квантовой запутанности как связующего ключа кодировки. Получатель и адресат должны иметь в руках компоненты спутанной системы. Любое сообщение и уникальный код для его расшифровки отправляются адресату через связи этой спутанной системы. Тут есть важное преимущество: если сообщение будет перехвачено, любое измерение уничтожит его (изменит квантовое состояние), поэтому оно может использоваться только один раз и прочитываться только тем, кто точно знает, какие квантовые измерения следует выполнить, чтобы раскрыть сообщение с помощью ключа.
Запутанность говорит нам: полагать, что весь наш мир существует независимо и в одной форме безотносительно к производимым нами в нем измерениям, попросту неверно. Не существует такой вещи, как объект, фиксированный в пространстве, существует лишь информация о нем. Все, что мы можем, — это собирать информацию о нашем мире и упорядочивать ее нужным нам образом, позволяющим извлечь из нее какой-то смысл. Вселенная — это море информации; форма, которую мы ей придаем, вторична.
Телепортация
Телепортация получила широкое распространение в научной фантастике. При появлении техники связи, например телеграфа в XIX веке, появились и надежды на возможность передачи на огромные расстояния и другой информации, не только электрических импульсов. В 1920-х и 1930-х телепортация начинает описываться в книгах, например Артура Конана Дойля, и становится обычной в научной фантастике. В «Мухе» Жоржа Ланжелана (трижды экранизированной) ученый телепортирует себя самого, но информация о его теле перемешивается с информацией о комнатной мухе, и он обращается наполовину в человека, наполовину в химерическую муху. Не обошлось без телепортации и в культовом телесериале «Звездный путь» с его известной фразой «излучай меня, Скотти». Телепортер разбирает космический корабль «Энтерпрайз» на атомы, а затем собирает в прежнем виде. В реальной жизни телепортация считается невозможной из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Но, хотя передача настоящих атомов невозможна, квантовая запутанность позволяет передавать на большие расстояния информацию, — правда, до сих пор это показано лишь для крошечных частиц.
