Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе - Семихатов Алексей

Из экспериментов по проверке (нарушения) неравенств Белла, а также из связанных с этим рассуждений, большинство исследователей сделало вывод, что в природе нарушается локальный реализм. В самых общих терминах реализм означает, что объекты обладают свойствами до и независимо от наблюдений, в которых они проявляют эти свойства, а локальность – что любая коммуникация между ними ограничена конечной скоростью распространения сигнала в пространстве, и поэтому удаленные объекты не оказывают друг на друга немедленного воздействия{69}.

На очереди тогда следующая проблема: нарушается реализм или локальность (или и то и другое)? Различные интерпретации квантовой механики указывают здесь на разное, добавляя интриги в вопрос об устройстве квантовой реальности. Проще всего с бомовской механикой (глава 13): там очевидным образом нарушается локальность, но сохраняется реализм (пусть и с оговорками, которые мы обсуждали в конце главы 14; экспериментально установленное нарушение неравенств Белла, кстати, показывает, что нелокальность бомовской механики – не дефект, а необходимость). Забегая вперед: локальность нарушается и в оригинальном «допридумывании» квантовой механики, которое обсуждается в главе 20. Копенгагенскую интерпретацию, видимо, следует интерпретировать таким образом, что в ней нарушается реализм, и это же в общем верно для кьюбизма (глава 12), а кроме того, и для «игры в классики», которая ждет нас в главе 19. Насчет многомировых интерпретаций мнения расходятся: в доказательстве неравенств Белла используются стандартные представления о вероятностях, а там вероятности становятся сложным понятием, поскольку «со стопроцентной вероятностью случается каждый исход», так что сумма вероятностей в некотором роде превышает сто процентов; другое условие, используемое при доказательстве неравенств Белла, – однозначные показания каждого прибора, а с пониманием этого в условиях делящихся вселенных тоже не все просто.

Если высказываться более широко, не слишком погружаясь в детали, то можно сказать, что в определенных обстоятельствах квантовые объекты существуют без некоторых свойств, обзаводясь свойствами только в момент измерения. При этом они демонстрируют нелокальную согласованность этих свойств, обеспечение которой не-квантовыми средствами потребовало бы сверхсветовых сигналов.

Такая картина мира, разумеется, совсем не понравилась бы Эйнштейну. Квантовая механика тем не менее проявила к нему должное почтение, не вступив в прямой конфликт со специальной теорией относительности! Корреляции между запутанными частицами нельзя использовать для отправки сверхсветовых СМС. Причина близка к той, что обсуждалась в связи с бомовской механикой в главе 14: экспериментатор может выбирать только направление, вдоль которого измеряется спин, но не властен над тем, будет ли результатом измерения спин «вперед» или «назад» вдоль этого направления. У экспериментатора, другими словами, нет возможности «нажать на клавишу», которая обеспечила бы одному электрону спин «вперед», из-за чего его запутанный собрат приобрел бы спин «назад» и помощник экспериментатора в другом углу Вселенной моментально получил бы таким образом один бит информации.

Две запутанные частицы демонстрируют нелокальность таким заговорщическим способом, что мы не можем использовать ее для передачи информации. Нет, кроме того, и никакого переноса массы или энергии от одной запутанной частицы к другой. Но корреляция между ними есть!{70}

Относительно недавно стремление понять нелокальность квантовой механики в каких-то «осязаемых» терминах соединилось с теоретическими исследованиями черных дыр в концепцию, вовлекающую Эйнштейна по совсем другому поводу – в связи с мостом Эйнштейна – Розена (на другом языке это «червоточина»/«кротовая нора» в пространстве-времени). В том же 1935 г., когда появилась статья ЭПР, двое из трех ее авторов, вне всякой связи с квантовой механикой, показали, что может получиться из двух черных дыр, соединенных своими «внутренностями» – областями под горизонтом событий. Объект оказывается нелокальным, потому что независимо от того, как далеко друг от друга находятся внешние части черных дыр, наблюдатели, упавшие под горизонт из двух различных областей Вселенной, могут встретиться на этом «мосту». В этой теории немало интригующих подробностей (и сложностей), обсуждать которые сейчас невозможно. В основе идеи лежит мысленный эксперимент, в котором создается чрезвычайно много запутанных пар, после чего по одной частице из каждой пары улетает в одну сторону, а все их партнеры – в другую, и каждая компания под действием собственной гравитации образует черную дыру. Возникшие две запутанные черные дыры и должны представлять собой «червоточину».

В развитие этой идеи делается допущение, что и любая пара запутанных частиц тоже соединена мостом Эйнштейна – Розена, но только таким, который имеет предельно малый (так называемый планковский) масштаб. Нелокальность квантовой механики тем самым понимается буквально как нелокальность, реализуемая в рамках теории гравитации (общей теории относительности). Фактически здесь предлагается новый взгляд на пространство – которое должно быть тогда испещрено этими червоточинами. А следующий логический шаг состоит в том, чтобы рассматривать пространство не как «самостоятельное» явление, а как производный феномен, создаваемый запутанностью – которая, таким образом, приобретает новое фундаментальное значение. Предпринимались, например, усилия по выводу идеи расстояния в пространстве (близко/далеко) из меры запутанности (много/мало). В оптимистическом сценарии подобные идеи могут пролить свет на квантовые свойства черных дыр и даже на квантовую природу гравитации.

Нашлись и более непосредственные способы пустить в дело нелокальный ресурс запутанности. Два из них на слуху, хотя один – благодаря не столько квантовой механике, сколько фантастике, а второй – отчасти (но только отчасти) по причине современного хайпа. Это квантовая телепортация и квантовый компьютер.

17

Что телепортируется, но не клонируется

Запутанность – своеобразная связь, отличающаяся от привычных взаимодействий посредством сил/полей. Силы, такие как гравитация, ослабевают с расстоянием, но свойство быть запутанным подобного ослабления не испытывает. Силы неизбирательны: притяжение Солнца сообщает одинаковое ускорение и мне, и стулу, на котором я сижу; притяжение Юпитера создает чрезвычайно малое, но тоже одинаковое ускорение для всех соседних предметов. Запутанность же максимально избирательна. Если два электрона запутаны друг с другом, то это касается только их, а не каких-то других электронов по соседству. Это, можно сказать, их личные отношения{71}.

Устанавливается же запутанность через локальный контакт. В самом простом варианте два запутанных объекта рождаются вместе. В более сложном случае так называемой перенесенной запутанности они рождаются по отдельности, но каждый – в запутанном состоянии со своим вспомогательным объектом; эти вспомогательные объекты потом встречаются друг с другом и совместно подвергаются специальному измерению, в результате которого запутанными оказываются два основных объекта.

При этом запутанность – нелокальный ресурс. Такой вывод из нарушения неравенств Белла делается в большинстве интерпретаций квантовой механики, если отбросить экстравагантные возможности типа сигнализации назад по времени. Запутанность представляет собой что-то вроде «моста» между удаленными участниками, хотя этот «мост» и наведен не в физическом пространстве. Однако нелокальность, связанная с запутанностью, не позволяет посылать СССМС – «сверхсветовые СМС», как мы видели в предыдущей главе. У квантовой механики нет априорных причин уважать специальную теорию относительности (согласно которой нельзя передавать сигналы, опережающие свет), но она умело избегает прямого противоречия с ней; в частности, от одного участника запутанной пары к другому не передается энергия.