Квантовая запутанность простыми словами. Чудеса продолжаются. Что такое квантовая запутанность? Суть простыми словами. Возможна ли телепортация

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.

Перевод

I

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.

Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему

II

III

IV

Квантовая запутанность - явление, при котором подсистемы некоторой ранее единой квантовомеханической системы, будучи разнесенными на расстояние друг от друга, продолжают оказывать влияние друг на друга. В этом случае изменение состояния одной системы сказывается на другой системе. Явление носит существенно квантовый характер и не имеет классического аналога.

Кофе остывает, здания рушатся, яйца бьются, а звезды выдыхаются во Вселенной, которой, кажется, суждено деградировать в состояние равномерной серости, известной как тепловое равновесие. Астроном-философ сэр Артур Эддингтон в 1927 году привел постепенное распространение энергии в качестве доказательства необратимой «стрелы времени».

Но к недоумению поколений физиков, стрела времени, похоже, не вытекает из основных законов физики, по которым двигаться вперед во времени - это то же самое, что и назад. По этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и повернул их вспять, энергия накапливалась бы, а не распылялась: холодный кофе спонтанно нагревался бы, здания собирались бы из обломков, а солнечный свет собирался обратно в солнце.

«В классической физике мы сильны, - говорит Санду Попеску, профессор физики Бристольского университета в Великобритании в интервью журналу QuantaMagazine. - Если бы я знал больше, мог бы я переломить ход события, собрать воедино все молекулы разбитого яйца?». Конечно, профессор говорит, что стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента рождения термодинамики в 1850-х годах, единственным известным подходом для расчета распространения энергии оставалось сформулировать статистическое распределение неизвестных траекторий частицы и показать, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики определили фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы переплетаются, когда взаимодействуют - странный эффект под названием «квантовая запутанность». «Наконец мы можем понять, почему чашка кофе уравновешивается в комнате, - говорит Тони Шорт, квантовый физик из Бристоля. - Запутанность накапливается между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты». Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден и Андреас Уинтер сообщили об открытии журналу Physical Review E в 2009 году, утверждая, что объекты достигают равновесия, или состояния равномерного распределения энергии, в течение бесконечного количества времени за счет квантово-механического запутывания с окружающей средой. Похожее открытие опубликовал Питер Рейман из Билефельдского университета в Германии несколькими месяцами раньше в Physical Review Letters. Шорт и коллеги укрепили аргументацию в 2012 году, показав что запутанность вызывает уравновешенность за конечное время. Также, в работе, опубликованной на arXiv.org в феврале, две отдельных группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются, за время, пропорциональное их размеру.

Если новая линия исследований верна, история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа по своей сути неопределенна. Элементарной частице не хватает конкретных физических свойств и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентным шансом вращаться по часовой стрелке и с 50-процентным - против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла гласит, что нет «истинного» состояния частицы; вероятности - единственное, что можно использовать для его описания. Квантовая неопределенность неизбежно приводит к запутанности, предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их больше нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описываются двумя частицами вместе. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой из индивидуальных частиц «смешанное». Обе частицы можно отдалить на световые годы друг от друга, но спин каждой частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии». «Запутанность - это некотором смысле суть квантовой механики», или законы, регулирующие взаимодействия на субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.

Идея того, что запутанность может объяснить стрелу времени, впервые пришла в голову Сету Ллойду тридцать лет назад, когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета с Гарвардской степенью по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и то, как она распространяется по мере того, что частицы становятся все более запутанными, может заменить человеческую неуверенность (или незнание) в старых классических доказательствах как истинный источник стрелы времени. Используя известный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными блоками, Ллойд провел несколько лет, изучая эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц (1) и нулей (0). Он выяснил, что поскольку частицы все больше запутываются друг с другом, информация, которая их описывала (1 - для спина по часовой стрелке, и 0 - против часовой, например), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Как если бы частицы постепенно потеряли свою индивидуальную автономию и стали пешками коллективного состояния. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, их состояния перестают меняться, словно чашка с кофе остывает до комнатной температуры. «Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаны. Стрела времени - это стрела роста корреляций».

«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов, - говорит Ренато Реннер, глава Института теоретической физики в ETH Zurich. - Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время». В 2009 году доказательство группы бристольских физиков вызвало отклик у квантовых информационных теоретиков, открывая новые способы применения их методов. Оно показало, что по мере того, как объекты взаимодействуют со своим окружением - как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом, например, - информация об их свойствах «утекает и смазывается со средой», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе приходит к стагнации, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает развиваться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться со временем». Получается, холодная чашка с кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно «стать не смешанным» с воздухом и войти в чистое состояние. Но кофе доступно настолько больше смешанных состояний, чем чистых, что это практически никогда не произойдет - скорее вселенная закончится, чем мы сможем это засвидетельствовать. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой.

«По сути, запутанность открывает для вас огромное пространство, - комментирует Попеску. - Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Как только вы войдете в них, вы попадете в огромное пространство и потеряетесь в нем. К воротам тоже не вернетесь никогда».
В новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний, что приводит к уравновешиванию чашки кофе и комнаты. Комната в конце концов уравновешивается с внешней средой, а среда - еще более медленно - дрейфует к равновесию с остальной частью вселенной. Гиганты термодинамики 19 века рассматривали этот процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос, вселенной. Сегодня же, Ллойд, Попеску и другие в этой сфере видят стрелу времени по-другому. По их мнению, информация становится все более диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.

«В целом вселенная находится в чистом состоянии, - говорит Ллойд. - Но отдельные ее части, будучи запутанными с остальной частью вселенной, остаются смешанными».

«В этих работах нет ничего, что объяснит, почему вы начинаете с ворот, - говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. - Другими словами, они не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе Большого Взрыва.
Несмотря на недавний прогресс в расчете времени уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для расчета термодинамических свойств конкретных вещей, вроде кофе, стекла или экзотических состояний материи.

«Дело в том, что нужно найти критерии, при которых вещи ведут себя как оконное стекло или чашка чая, - говорит Реннер. - Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении, но впереди еще много работы».
Некоторые исследователи выразили сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты. Но концептуальные достижения и новый математический формализм уже помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, например о фундаментальных пределах квантовых компьютеров и даже о конечной судьбе Вселенной.

Двадцать шесть лет спустя грандиозного провала идеи Ллойда о стреле времени, он рад быть свидетелем ее подъема и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, другое проявление стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь что-то с листа бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые достигают глаз. Только с этого момента вы будете способны вспомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд: «Настоящее может быть определено как процесс связывания (или установления корреляций) с нашим окружением». Фоном для устойчивого роста запутанностей по всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на йоту не приблизились к пониманию природы самого времени или почему оно отличается от трех других измерений пространства. Попеску называет эту загадку «одной из величайших непоняток в физике».

«Мы можем обсудить факт того, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, - говорит он. - Но наше восприятие того, что время идет - это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится революция в физике, которая откроет нам эту тайну».

Это изящная и мощная концепция. Она предполагает, что время – это возникающий феномен, который появляется в реальности благодаря природе квантового спутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри нашей вселенной. Любой богоподобный наблюдатель за её пределами будет видеть статичную неизменяющуюся вселенную, как прежде предсказывало более раннее квантовое уравнение Уилера-ДеВитта. Разумеется, у нас нет никакой возможности получить наблюдателя за пределами нашей вселенной и у нас нет и никаких шансов когда-либо подтвердить эту теорию. По крайней мере, так было до сегодняшнего дня. Недавно Екатерина Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. И они продемонстрировали, что время действительно является возникающим феноменом для внутренних наблюдателей, но его не существует для наблюдателей внешних.

Этот эксперимент включает в себя создание игрушечной вселенной, состоящей из пары спутанных фотонов и наблюдателя, который может измерять их состояние одним из двух способов. В первом наблюдатель измеряет эволюцию системы, спутывая себя с ней. Во втором богоподобный наблюдатель измеряет эволюцию в сравнении с внешними часами, которые полностью независимы от игрушечной вселенной.

Сам эксперимент достаточно прямолинеен. Каждый из спутанных фотонов имеет поляризацию, которая может быть изменена прохождением через двулучепреломляющую пластинку. В первом случае наблюдатель измеряет поляризацию одного фотона, таким образом, спутываясь с ним. Затем он сравнивает результат с поляризацией второго фотона. Полученная им разница и будет мерой времени.

Во втором случае оба фотона также проходят через двулучепреломляющие пластинки, которые изменяют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.

В этом случае наблюдатель не может заметить какой-либо разницы между фотонами, не приходя в состоянии спутанности с одним из них. А если нет никакой разницы, система предстаёт перед ним статичной. Другими словами – время в ней не возникает.

Это весьма впечатляющий эксперимент. Появление чего-либо является популярной концепцией в науке. В частности, недавно физики заинтересовались идеей, что гравитация также является таким возникающим феноменом. А отсюда до идеи о сходном механизме возникновения времени оставался всего один шаг. Чего не хватает возникающей гравитации – это, разумеется, экспериментальной демонстрации, которая показывала бы, как это работает на практике. Именно поэтому работа Моревы имеет такое важное значение – она впервые в мире помещает абстрактную и экзотическую идею на устойчивое экспериментальное основание. А возможно самым важным результатом этой работы является то, что ей впервые удалось продемонстрировать, что квантовая механика и общая теория относительности не так уж несовместимы.

Следующим шагом станет дальнейшее развитие идеи, в частности – на макроскопическом уровне. Одно дело показать, как время возникает в фотонах, и другое – понять, как оно возникает для людей. Квантовая механика уже достаточно глубоко проникла в смежные научные области. В попытке объяснить в терминах квантовой теории саму жизнь она даже породила свою собственную биологию. Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – внутри спирали ДНК.

Новорождённая квантовая биология (quantum biology) официально не признана научной дисциплиной. Однако она уже превратилась в одну из самых интересных и захватывающих тем передовых исследований. Например, раскрывающих важную роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе . Новое исследование провела группа физиков из Национального университета Сингапура (NSU). Элизабет Рипер (Elizabet Rieper) и её коллеги исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается именно благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).

Чтобы проверить свою смелую теорию, учёные построили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней каждый нуклеотид состоит из облака электронов вокруг центрального положительно заряженного ядра. Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. При этом смещение облака туда и обратно приводит к образованию гармонического осциллятора.

Рипер с коллегами заинтересовались, что же произойдёт с колебаниями облаков (фононами), когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. По мнению учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые облака теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, чтобы обеспечить стабильность всей структуры. Поскольку фононы по сути являются квантовыми объектами, они могут существовать в виде суперпозиции состояний и умеют «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, влияющих на спираль извне. «Очевидно, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов могут быть запутаны лишь при нулевой температуре», – говорит Рипер. В своей пока неопубликованной научными изданиями статье физики приводят доказательство, что эффект запутывания в принципе, может возникнуть и при комнатной температуре. А возможно это потому, что длина волны у описанных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это позволяет формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват). После этого фононы не могут «сбежать». Данный эффект не будет иметь особенного значения для гигантской молекулы, если только он не распространяется на всю спираль. Однако компьютерное моделирование, проведённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и вправду колоссален.

Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с движениями соседей - фононы при этом находятся в суперпозиции состояний. А общая картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: вдоль всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности. Общее же движение спирали оказывается равным нулю.

Модель спирали ДНК, на которой увеличен фрагмент с двумя соседними парами оснований. Синим выделены электронные облака в двух крайних позициях своих колебаний, направления которых отмечают стрелки (иллюстрация Rieper et al.). Если пытаться описать эту модель исключительно в рамках классической физики, то ничего из перечисленного произойти не сможет: «классическая» спираль должна хаотично вибрировать и распадаться на части. По мнению исследователей, именно квантовые эффекты ответственны за «склеивание» ДНК. Но, как и в случае с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (правда, занятой объектами макромира), – главный вопрос не оригинален: как этот вывод доказать? Ответа пока нет. Команда Рипер в конце своей статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую влияет на способ «считывания» информации из ДНК. Дескать, в будущем это удастся проверить и использовать экспериментально. Как именно – пока никто даже не предполагает.

Несмотря на некоторую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Ведь квантовые эффекты уже находили в самых неожиданных местах, например в электрической цепи , но покамест никто не замахивался на претензии такого масштаба – микроскопического и в то же время невероятно важного.

В свете изложенного тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в твёрдом теле человек выглядит забавно, поскольку не подозревает, что самым ярким примером такой системы является он сам.

Интеллектуальный партнер проекта

Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал труды, сделавшие его знаменитыми, в основном, на ранних этапах научной карьеры. Работа, содержащая основные принципы специальной теории относительности, относится к 1905 году, общей теории относительности - к 1915 году. Квантовая теория фотоэффекта, за которую консервативный Нобелевский комитет присудил ученому премию, тоже относится к 1900-м годам.

Люди, имеющие опосредованное отношение к науке, как правило, не имеют представления о научной деятельности Альберта Эйнштейна после эмиграции в США в 1933 году. А, надо сказать, он занимался проблемой, которая фактически не решена до сих пор. Речь идет о так называемой «единой теории поля».

Всего в природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий. Гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Электромагнитное взаимодействие - это взаимодействие между частицами, имеющими электрический заряд. Но не только явления, которые в бытовом сознании связаны с электричеством, происходят благодаря электромагнитному взаимодействию. Поскольку, например, для двух электронов сила электромагнитного отталкивания заметно превышает силу гравитационного притяжения, им объясняются взаимодействия отдельных атомов и молекул, то есть химические процессы и свойства веществ. Большая часть явлений классической механики (трение, упругость, поверхностное натяжение) имеют в своей основе его же. Теорию электромагнитного взаимодействия разработал еще в XIX веке Джеймс Максвелл, который объединил электрическое и магнитное взаимодействия, и она была прекрасно известна Эйнштейну вместе с ее более поздними квантовыми интерпретациями.

Гравитационное взаимодействие - это взаимодействие между массами. Ему посвящена общая теория относительности Эйнштейна. Сильное (ядерное) взаимодействие стабилизирует ядра атомов. Оно было теоретически предсказано в 1935 году, когда стало понятно, что уже известных взаимодействий недостаточно, чтобы ответить на вопрос: «Что удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов?». Существование сильного взаимодействия получило первое экспериментальное подтверждение в 1947 году. Благодаря его исследованию в 1960-х годах были открыты кварки, и, наконец, в 1970-х годах была построена более-менее полная теория взаимодействия кварков. Слабое взаимодействие тоже происходит в атомном ядре, оно действует на более коротких расстояниях, чем сильное, и с меньшей интенсивностью. Однако без него не существовало бы термоядерного синтеза, обеспечивающего, например, солнечной энергией Землю, и β-распада, благодаря которому оно и было открыто. Дело в том, что при β-распаде не происходит, как говорят физики, сохранения четности. То есть для остальных взаимодействий результаты экспериментов, проведенных на зеркально симметричных установках, должны совпадать. А для экспериментов по изучению β-распада они не совпали (о фундаментальной разнице правого и левого уже шла речь в ). Открытие и описание слабого взаимодействия пришлись на конец 50-х годов.

На сегодняшний день в рамках Стандартной модели (ей также недавно была посвящена Полит.ру) объединены электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Согласно Стандартной модели все вещество состоит из 12 частиц: 6 лептонов (среди которых электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино) и 6 кварков. Еще есть 12 античастиц. Все три взаимодействия имеют свои переносчики - бозоны (фотон - это бозон электромагнитного взаимодействия). А вот гравитационное взаимодействие пока объединить с остальными не удалось.

Умерший в 1955 году Альберт Эйнштейн ничего не успел узнать о слабом взаимодействии и мало что - о сильном. Таким образом, он пытался объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия, а это задача и на сегодняшний день не решенная. Поскольку Стандартная модель по сути своей квантовая, для объединения ней гравитационного взаимодействия нужна квантовая теория гравитации. Ее на сегодняшний день по совокупности причин нет.

Одна из сложностей квантовой механики, особенно ярко проявляющаяся, когда надо говорить про нее с неспециалистом, - это ее неинтуитивность и даже антиинтуитивность. Но даже и ученые часто вводятся в заблуждение этой антиинтуитивностью. Разберем один пример, иллюстрирующий это, и полезный для понимания дальнейшего материала.

С точки зрения квантовой теории, до момента измерения частица находится в состоянии суперпозиции - то есть его характеристика одновременно с какой-то вероятностью принимает каждое из возможных значений. В момент измерения суперпозиция снимается, и факт измерения «заставляет» частицу принять конкретное состояние. Это само по себе противоречит интуитивным представлениям человека о природе вещей. Не все физики были согласны, что такая неопределенность - фундаментальное свойство вещей. Многим казалось, что это какой-то парадокс, который позже прояснится. Именно об этом известнейшая фраза Эйнштейна, произнесенная в споре с Нильсом Бором «Бог не играет в кости». Эйнштейн считал, что, на самом деле, все детерминировано, просто мы пока не можем это измерить. Правильность противоположной позиции была позднее продемонстрирована экспериментально. Особенно ярко - в экспериментальных исследованиях квантовой запутанности.

Квантовая запутанность - ситуация, при которой квантовые характеристики двух или более частиц оказываются связаны. Она может возникнуть, например, если частицы родились в результате одного и того же события. Фактически, нужно, чтобы была определена (например, благодаря их общему происхождению) суммарная характеристика всех частиц. С такой системой частиц происходит еще более странная, чем с одиночной частицей, вещь. Если, например, в ходе эксперимента измерить состояние одной из запутанных частиц, то есть заставить ее принять конкретное состояние, то суперпозиция автоматически снимается и у другой запутанной частицы, на каком бы расстоянии они ни находились. Это было доказано экспериментально в 70 - 80х годах. На сегодняшний день экспериментаторам удалось получить квантово-запутанные частицы, разнесенные на несколько сотен километров. Таким образом, получается, что информация передается от частицы к частице с бесконечной скоростью, заведомо большей скорости света. Последовательно стоявший на детерминистских позициях Эйнштейн отказывался считать эту ситуацию чем-то большим, чем абстрактным умопостроением. В своем письме к физику Борну он иронически назвал взаимодействие запутанных частиц «жутким дальнодействием».

Забавную бытовую иллюстрацию феномена квантовой запутанности придумал физик Джон Белл. У него был рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман, который очень часто приходил на работу в разных носках. Белл шутил, что если наблюдателю виден только один носок Бертлмана, и он розовый, то про второй, даже не видя его, можно совершенно точно сказать, что он не розовый. Разумеется, это просто забавная, не претендующая на проникновение в суть вещей аналогия. В отличие от частиц, которые до момента измерения находятся в состоянии суперпозиции, носок с самого утра на ноге один и тот же.

Сейчас квантовая запутанность и связанное с ней дальнодействие с бесконечной скоростью считаются реальными, экспериментально доказанными феноменами. Им пытаются найти практическое применение. Например, при конструировании квантового компьютера и разработке методов квантовой криптографии.

Работы в области теоретической физики, проведенные за последний год, дают надежду, что проблема построения теории квантовой гравитации и, соответственно, единой теории поля будет, наконец, решена.

В июле этого года американские физики-теоретики Малдасена и Сасскинд выдвинули и обосновали теоретическую концепцию квантовой запутанности черных дыр . Напомним, что черные дыры - это очень массивные объекты, гравитационное притяжение к которым настолько велико, что, подобравшись к ним на определенное расстояние, даже самые быстрые в мире объекты - кванты света - не могут вырваться и улететь прочь. Ученые провели мысленный эксперимент. Они выяснили, что если создать две квантово-запутанные черные дыры, а потом удалить их друг от друга на некоторое расстояние, то в результате образуется так называемая непроходимая кротовая нора . То есть кротовая нора по своим свойствам идентична паре квантово-запутанных черных дыр. Кротовые норы - это пока еще остающиеся гипотетическими топологические особенности пространства-времени, туннели, находящиеся в дополнительном измерении, соединяющие в какие-то моменты времени две точки трехмерного пространства. Кротовые норы популярны в фантастической литературе и кинематографе, потому что через некоторые из них, особенно экзотические, теоретически возможно совершать межзвездные путешествия и путешествия во времени. Через непроходимые кротовые норы, возникающие в результате квантового запутывания черных дыр невозможно ни путешествовать, ни обмениваться информацией. Просто если условный наблюдатель зайдет внутрь одной из пары квантово-запутанных черных дыр, он окажется там же, где он оказался бы, зайдя в другую.

Кротовые норы обязаны своим существованием гравитации. Поскольку в мысленном эксперименте Малдасены и Сасскинда кротовая нора создается на основании квантовой запутанности, то можно сделать вывод, что гравитация не фундаментальна сама по себе, а является проявлением фундаментального квантового эффекта - квантовой запутанности.

В начале декабря 2013 года в одном номере журнала Physical Review Letters вышло сразу две работы ( ,), развивающие идеи Малдасены и Сасскинда. В них голографический метод и теория струн были применены для того, чтобы описать изменения в геометрии пространства-времени, вызываемые квантовой запутанностью. Голограмма представляет собой изображение на плоскости, позволяющее реконструировать соответствующее трехмерное изображение. В общем случае, голографический метод позволяет уместить информацию об n-мерном пространстве в (n-1)-мерное.

Ученым удалось перейти от квантово-запутанных черных дыр к квантово-запутанным парам рождающихся элементарных частиц . При наличии достаточного количества энергии могут рождаться пары, состоящие из частицы и античастицы. Поскольку при этом должны выполняться законы сохранения, такие частицы будут квантово-запутанными. Моделирование такой ситуации показало, что рождение пары кварк+антикварк порождает образование соединяющей их кротовой норы, и что описание состояния квантовой запутанности двух частиц эквивалентно описанию непроходимой кротовой норы между ними.

Получается, что квантовая запутанность может вызывать те же изменения в геометрии пространства-времени, что и гравитация. Возможно, это откроет путь к построению теории квантовой гравитации, которой так не хватает для создания единой теории поля.

Что такое квантовая запутанность простыми словами? Телепортация – возможно ли это? Доказана ли экспериментально возможность телепортации? Что такое кошмар Энштейна? В этой статье Вы получите ответы на эти вопросы.

Мы в фантастических фильмах и книгах часто встречаемся с телепортацией. Вы задумывались, почему то, что придумали писатели, со временем становится нашей реальностью? Как им удаётся предсказывать будущее? Думаю, это не случайность. Часто писатели-фантасты обладают обширными знаниями по физике и другим наукам, что в сочетании с их интуицией и незаурядной фантазией помогает им построить ретроспективный анализ прошлого и смоделировать события будущего.

Из статьи Вы узнаете:

Что такое квантовая запутанность?

Понятие «квантовая запутанность» появилось из теоретического предположения, вытекающего из уравнений квантовой механики. Оно означает вот что: если 2 квантовые частицы (ими могут быть электроны, фотоны) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то связь сохраняется, даже если их разнести в разные части Вселенной

Открытие квантовой запутанности в некоторой степени объясняет теоретическую возможность телепортации.

Если коротко, то спином квантовой частицы (электрона, фотона) называется ёё собственный угловой момент. Спин можно представить в виде вектора, а саму квантовую частицу – в виде микроскопического магнитика.

Важно понять, что когда за квантом, например, электроном никто не наблюдает, то он имеет все значения спина одновременно. Это фундаментальное понятие квантовой механики называется «суперпозицией».

Представьте, что Ваш электрон вращается одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки. То есть он сразу в обоих состояниях спина (вектор спина вверх/вектор спина вниз). Представили? ОК. Но как только появляется наблюдатель и измеряет его состояние, электрон сам определяет, какой вектор спина ему принять – вверх или вниз.

Хотите узнать, как измеряют спин электрона? Его помещают в магнитное поле: электроны со спином против направления поля, и со спином по направлению поля отклонятся в разные стороны. Спины фотонов измеряют, направляя в поляризационный фильтр. Если спин (или поляризация) фотона «-1», то он не проходит через фильтр, а если «+1», то проходит.

Резюме. Как только Вы измерили состояние одного электрона и определили, что его спин «+1», то связанный или «запутанный» с ним электрон принимает значение спина «-1». Причём моментально, даже если он находится на Марсе. Хотя до измерения состояния 2-го электрона, он имел оба значения спина одновременно («+1» и «-1»).

Этот парадокс, доказанный математически, очень не нравился Энштейну. Потому что он противоречил его открытию, что нет скорости больше, чем скорость света. Но понятие запутанных частиц доказывало: если одна из запутанных частиц будет находиться на Земле, а 2-я – на Марсе, то 1-я частица в момент замера ёё состояния мгновенно (быстрее скорости света) передаёт 2-й частице информацию, какое значение спина ей принять. А именно: противоположное значение.

Спор Энштейна с Бором. Кто прав?

Энштейн называл «квантовую запутанность» SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (нем.) или пугающим, призрачным, сверхъестественным действием на расстоянии .

Энштейн не соглашался с интерпретацией Бора о квантовой запутанности частиц. Потому что это противоречило его теории, что информация не может передаваться со скоростью больше скорости света. В 1935 году он опубликовал статью с описанием мысленного эксперимента. Этот эксперимент назвали «Парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена».

Энштейн соглашался, что связанные частицы могут существовать, но придумал другое объяснение мгновенной передачи информации между ними. Он сказал, что «запутанные частицы» скорее напоминают пару перчаток. Представьте, что у Вас пара перчаток. Левую Вы положили в один чемодан, а правую – во второй. 1-й чемодан Вы отправили другу, а 2-й – на Луну. Когда друг получит чемодан, он будет знать, что в чемодане либо левая, либо правая перчатка. Когда же он откроет чемодан и увидит, что в нём левая перчатка, то он мгновенно узнает, что на Луне – правая. И это не означает, что друг повлиял на то, что в чемодане левая перчатка и не означает, что левая перчатка мгновенно передала информацию правой. Это только означает то, что свойства перчаток были изначально такими с момента, как их разделили. Т.е. в запутанные квантовые частицы изначально заложена информация об их состояниях.

Так кто же был прав Бор, который считал, что связанные частицы передают друг другу информацию мгновенно, даже если они разнесены на огромные расстояния? Или Энштейн, который считал, что никакой сверхъестественной связи нет, и всё предопределено задолго до момента измерения.

Этот спор на 30 лет переместился в область философии. Разрешился ли спор с тех времён?

Теорема Белла. Спор разрешён?

Джон Клаузер, будучи ещё аспирантом Колумбийского университета, в 1967 отыскал забытую работу ирландского физика Джона Белла. Это была сенсация: оказывается Беллу удалось вывести из тупика спор Бора и Энштейна . Он предложил экспериментально проверить обе гипотезы. Для этого он предложил построить машину, которая бы создавала и сравнивала много пар запутанных частиц. Джон Клаузер принялся разрабатывать такую машину. Его машина могла создавать тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по разным параметрам. Результаты экспериментов доказывали правоту Бора.

А вскоре французский физик Ален Аспе провёл опыты, один из которых касался самой сути спора между Энштейном и Бором. В этом опыте измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от 1-й ко 2-й прошёл бы со скоростью, превышающей скорость света. Но сам Энштейн доказал, что это невозможно. Оставалось только одно объяснение – необъяснимая, сверхъестественная связь между частицами.

Результаты опытов доказали, что теоретическое предположение квантовой механики – верно. Квантовая запутанность – это реальность (Квантовая запутанность Википедия ). Квантовые частицы могут быть связанными несмотря на огромные расстояния. Измерение состояния одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от нёё 2-й частицы так, как если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественная связь на расстоянии происходит в действительности.

Остаётся вопрос, возможна ли телепортация?

Подтверждена ли телепортация экспериментально?

Японские учёные ещё в 2011 году впервые в мире телепортировали фотоны! Мгновенно переместили из пункта А в пункт Б пучок света.

Хотите, чтобы за 5 минут всё, что Вы прочитали о квантовой запутанности, разложилось по полочкам – посмотрите это видео замечательное видео.

До скорых встреч!

Желаю всем интересных, вдохновляющих проектов!

P.S. Если статья была Вам полезна и понятна, не забудьте поделитесь ею.

P.S. Пишите Ваши мысли, вопросы в комментариях. Какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S. Подписывайтесь на блог - форма для подписки под статьёй.