Николя Жизан - Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

• Название: Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса
• Автор: Николя Жизан
• Жанр: Образовательная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-9614-2389-1

Играет ли Бог в кости? И во что играют физики? Николя Жизан, автор прорывного женевского эксперимента по передаче квантовой запутанности фотонных пар по оптоволокну, излагает свои взгляды на фундаментальные вопросы квантовой физики через призму игры Белла – воображаемого эксперимента, в котором рассматривается теоретическая возможность сверхсветовой передачи информации с использованием запутанных частиц. Реальные эксперименты с ними доказали нелокальную природу мира – вопреки интуитивному желанию ученых, события в удаленных точках Вселенной могут непосредственно зависеть друг от друга. Истинная природа этих явлений и вытекающие из них следствия в последнее время стали горячей темой физики. По мнению автора, вторая квантовая революция, начавшаяся в последнем десятилетии XX века, позволит построить новый, непротиворечивый и плодотворный взгляд на мир.

---

Справка 5. Коммуникации без передачи не бывает. Когда один человек, скажем Алиса, хочет передать сообщение другому, скажем Бобу, он должен сначала написать его на каком-то физическом носителе. Сообщение затем перемещается из точки в точку пространства посредством этого носителя, скажем письма, электронов или фотонов. Боб получает этот физический носитель и читает или расшифровывает сообщение. Иными словами, сообщение передается беспрерывно из одной точки в другую через пространство от Алисы к Бобу. Любой другой способ передачи сообщения не считается физическим.

К примеру, если Алиса поместит сообщение на какой-то физический носитель, но ничто не уйдет от нее в том смысле, что ни одна физическая сущность не покинет точку пространства, в которой она находится, то у нее не будет способа передать сообщение. Иначе, как это понимал уже Ньютон (см. справку 1), состоится коммуникация без передачи, а невозможно общаться, если что-то физическое, такое как вещество, или волны, или энергия, не уйдет от Алисы, когда она выбрала послание для отправки партнеру.

Это, очевидно, вопрос здравого смысла. Если бы кто-то вдруг нарушил этот принцип, скажем используя телепатию, он мог бы мог передавать информацию с любой скоростью. Действительно, если нам не нужен носитель послания, то и расстояние между Алисой и Бобом не будет иметь значения, и произвольно увеличивая это расстояние, мы получим сколь угодно высокую скорость коммуникации, в том числе и выше скорости света. Но невозможность такого действия еще более фундаментальна, чем сама теория относительности, которая запрещает движение со сверхсветовой скоростью: нефизическая коммуникация невозможна.

Однако для физика это могло бы означать важное открытие. На чем основана эта связь? Как она работает? Как быстро она может передавать гипотетические скрытые воздействия между приборами? Пока запомним, что мы не видим и не ощущаем никакой связи, а два наших прибора расположены так далеко друг от друга, что никакое воздействие, распространяющееся со скоростью света, не успело бы достичь пункта назначения вовремя. Более того, друзьям не требуется знать о местоположении друг друга. Они могут взять свой прибор и переместиться в некую неизвестную точку пространства.

Под крышкой прибора

В 1964 году, когда Джон Белл впервые представил свою игру в виде неравенства, это был лишь мысленный эксперимент. Но с тех пор эта игра была воплощена в жизнь во многих исследовательских лабораториях. Итак, откроем же наши приборы – эти волшебные ящики, поскольку они позволяют победить в игре Белла.

Заглянув внутрь, мы увидим полный комплект физического оборудования, включая лазеры (красный, зеленый и даже замечательно желтый), криостат (устройство, с помощью которого поддерживается температура близкая к абсолютному нулю, то есть около –270°C), оптоволоконные интерферометры (оптические контуры для фотонов), два детектора фотонов (способные фиксировать частицы света) и часы (см. рис. 2.2). Но все это не добавляет ясности.

Рассмотрев оборудование более пристально, мы замечаем, что в центре криостата, в месте пересечения всех лазерных лучей, есть маленький кристалл, несколько миллиметров в поперечнике, похожий на кусочек стекла. Этот внешне незначительный кристалл определенно находится в центре установки. В самом деле, перемещение джойстика вправо или влево вызывает серию лазерных импульсов, которые попадают на кристалл и активируют пьезоэлемент[17] в подключенном к нему интерферометре. Этот пьезоэлемент чуть-чуть сдвигается в ту же сторону, что и джойстик. Тогда срабатывает один из фотодетекторов, и наш ящик выдает 0 или 1. Очевидно, что джойстик как-то влияет на кристалл посредством лазерных импульсов, а затем определяет состояние интерферометра через пьезоэлемент. В итоге детектор выдает результат. Два прибора совершенно идентичны. Все-таки кажется, что секрет кроется в крошечном кристалле в сердце нашего прибора.

Но обследование приборов не дает нам ясности, и в этом основной посыл этой главы. Просто исследуя устройство приборов и то, как они работают, даже с максимальной детализацией, мы никогда не найдем удовлетворительного объяснения. В любом случае мы уже знаем, что не существует локального объяснения для победы в игре Белла, поэтому мы никак не найдем его, заглядывая локально под крышку каждого из приборов! Вернемся немного назад. В конце концов, все это сложное оборудование служит лишь для того, чтобы выдать нам двоичный результат каждый раз, когда джойстик наклонен вправо или влево. Следовательно, даже если механизм очень сложен, все, на что устройство способно, это выводить результат одной из четырех программ, описанных выше. А что еще оно может делать-то? Еще раз повторю, что есть только два возможных положения джойстика и только один двоичный результат. Использование нескольких лазеров, криостата и детекторов фотонов кажется избыточным для выполнения такой простой программы. Но эта установка делает больше, ведь она помогает нам выиграть!

Физик доквантовой эпохи потратил бы много времени на изучение приборов и все равно ничего не понял бы, поэтому читатель не должен стыдиться, что тоже не понимает, что происходит внутри. Мы узнаем решение в главе 6, а пока отметим только, что главными элементами наших приборов являются кристаллы, и эти кристаллы запутаны[18]. Но что это значит? Пока «запутанность» – это лишь слово, которое мы используем как имя для концепции квантовой физики, которая позволяет нам победить в игре Белла. Будем же терпеливы!

В итоге нам не так важно, что именно находится в приборах. Важно лишь то, что физики знают – в принципе, как построить приборы, которые позволят Алисе и Бобу выиграть в более чем трех случаях из четырех, и что главный ингредиент проходит под именем «запутанность».

Сама возможность победы в игре Белла – это уже значительный вывод, такой же ослепительно ясный, как фотография Земли в пустоте космоса: Земля круглая, а квантовая физика предсказывает нелокальные корреляции.

Глава 3 Нелокальность и истинная случайность

Мы уже знаем, что довольно просто получить в игре Белла счет 3. К примеру, достаточно заранее договориться каждый раз выдавать один и тот же результат. Но мы также видели, что нельзя указать никакую локальную стратегию, применяя которую независимо друг от друга, Алиса и Боб могли бы выигрывать чаще, чем три раза из четырех. Это было основным выводом главы 2.

Но если два игрока действительно побеждают, то есть получают более 3 очков из четырех, какой вывод мы обязаны сделать? Первое и самое очевидное заключение сводится к двум вариантам: либо они воздействуют друг на друга каким-то неуловимым образом, либо каким-то образом жульничают. Но предположим, что в наших силах исключить эти две возможности. Тогда можно допустить, что мы ошиблись в умозаключениях, представленных в главе 2. Многие физики и философы потратили годы на изучение этого. Почему бы и вам не потратить на это несколько минут? Помните, что никогда нельзя принимать доводы на веру. У каждого есть право и долг проверять научные рассуждения самому. Очень важно, что доказательство невозможности выиграть в игру Белла без коммуникации очень простое и ясное. Действительно, каждый из двух игроков может выбрать только одну из четырех возможных стратегий. Таким образом, есть всего лишь 4 × 4 = 16 возможных комбинаций стратегий и ни одна из них не дает возможности выигрывать чаще, чем три раза из четырех (см. таблицу 2.1 в главе 2). Просмотрите доказательство еще раз и попробуйте объяснить его приятелю.

Есть все основания быть уверенным в бесспорности этого доказательства. Оно совершенно надежно и проверено тысячами физиков, философов, математиков и специалистов по информатике и вычислительной технике. Но зачем тогда вообще обсуждать проблему выигрыша со счетом больше, чем три из четырех, если это считается невозможным? Это действительно жгучий вопрос. Доказательство настолько просто, что, если бы не квантовая физика, никому не было бы до него дела. Оно так и оставалось бы очевидным фактом среди кучи других неинтересных очевидных фактов, не применимых ни к чему стоящему. Есть единственная причина приглядеться к этому вопросу: дело в том, что современная физика может выиграть в эту игру, даже если игроки не обмениваются информацией и не жульничают.

Нелокальное целое

Вернемся к нашему вопросу: какой вывод мы можем сделать из того, что кто-то систематически выигрывает в игру Белла более, чем 3 раза из 4? Единственная возможность такова: приборы Алисы и Боба, хотя они и разделены пространственно, не разделены логически. Несмотря на расстояние между ними, мы не можем описать ящик Алисы на одной стороне и ящик Боба на другой как отдельные сущности. Другими словами, мы не можем просто сказать, что делает прибор Алисы с одной стороны и что делает прибор Боба с другой. Все происходит так, как будто, несмотря на расстояние между ними, приборы действуют как одна сущность, которую нельзя логически разделить на две части. Короче говоря, они составляют нелокальное целое.