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.

---

Но что такое нелокальное целое? Теперь вам стало понятнее? Скорее всего нет, только если вы не гений! Здесь слово «нелокальное» означает нечто, которое не может быть описано как две независимых и хорошо локализованных части. Конечно, Алиса и Боб со своими ящиками хорошо локализованы, как любые нормальные люди или ящики. Мы можем окружить их железобетонными стенами и покрыть свинцовой оболочкой или принять другие подобные меры, но мы не сможем описать их поведение отдельно друг от друга: вот так себя ведет прибор Алисы, а вот этак – прибор Боба. В самом деле, если бы каждый из них имел собственное поведение и, следовательно, руководствовался бы своей стратегией, выиграть в игру Белла было бы невозможно. И это утверждение остается справедливым, даже если стратегии и поведение оговорены и скоординированы заранее, еще до того, как приборы разнесли в пространстве.

И здесь мы подходим к замечательному выводу, который не так просто переварить. Если Алиса и Боб завершают игру со счетом более чем 3 из 4, мы вынуждены признать, что, несмотря на расстояние между ними и возможность идентифицировать двух игроков, такой результат их игры не может быть получен локально, отдельно на приборе Алисы и отдельно на приборе Боба. Эти результаты получаются нелокальным образом. Все происходит так, как будто прибор Алисы «знает» что делает прибор Боба, и наоборот.

Справка 6. Нелокальные расчеты. Выигрыш в игре Белла означает, что результаты Алисы и Боба соотносятся друг с другом таким образом, что удовлетворяют уравнению a + b = x × y чаще, чем 3 раза из 4. Иначе говоря, произведению x × y дается правильная оценка чаще, чем это было бы возможно локально, невзирая на то, что входные переменные x и y нигде не существуют вместе, то есть x известен только Алисе с ее прибором, а y – только Бобу с его прибором. Здесь на поверхность выходит идея удивительного вычислительного устройства – квантового компьютера, хотя эта история очень длинная и выходит далеко за пределы этой книги (и фактически приходится говорить скорее о квантовом процессоре, чем о настоящем универсальном компьютере).

Телепатия и истинные близнецы

В этом месте некоторые читатели могут подумать о телепатии или, быть может, о близнецах, которые, будучи разделены, принимают одинаковые решения и болеют одинаковыми болезнями. Но этот соблазнительный путь никуда не ведет.

Начнем с близнецов. Что характеризует близнецов, так это факт обладания ими одинаковым набором генов. Они несут в себе один и тот же генетический «чертеж» и потому имеют похожую внешность и довольно часто неотличимы друг от друга. Они похожи на локальных Алис и Бобов, которые руководствуются стратегиями, как близнецы – генетическими инструкциями. Но мы видели, что, какими бы ни были стратегии, избранные Алисой и Бобом или записанные в их приборах, друзья не могут выиграть. Точно так же два идентичных близнеца, даже если влияние среды на обоих в течение жизни было совершенно одинаковым, никогда не смогут победить в игре Белла. Таким образом, аналогия с близнецами прекрасна для понимания локальных корреляций, но никак не помогает понять, как же выиграть. Напротив, даже идеальные близнецы не могут выиграть игру Белла[19].

А что можно сказать про телепатию? Если бы это явление существовало, оно позволило бы двум людям мысленно общаться на расстоянии. Но для победы в игре Белла нам не нужно обмениваться информацией. Достаточно выдавать случайные результаты, но в организованном порядке. Каждый из приборов должен в некотором смысле «знать», что делает другой, но сами игроки не могут использовать это «знание» для передачи информации. Следовательно, чтобы выиграть, игроки не используют телепатию, даже если мы представим себе, что их приборы обладают этим даром.

Лично мне не нравится идея аппаратов, обладающих телепатией, потому что это ничего не добавляет к нашему пониманию. Мне представляется, что при этом одно слово («нелокальность») просто заменяют другим словом («телепатия»). Но если вам кажется, что подобная терминология поможет вам ухватить суть, то почему бы нет, но имейте в виду, что это не люди обладают телепатией, а приборы или встроенные в них кристаллы. Более того, эта терминология сбивает с толку, потому что само понятие телепатии подразумевает наличие передатчика и приемника. Позже мы увидим, что это вряд ли возможно. Ну и кроме того, в игре Белла и связанных с ней экспериментах симметрия между Алисой и Бобом идеальна, и нет возможности выделить потенциальный передатчик или приемник.

Координация – это не коммуникация

Говоря о нелокальном целом, мы невольно представляем мгновенный обмен информацией. Вспомните реакцию Ньютона на нелокальность в его всеобщей теории тяготения. В самом деле, если приборы Алисы и Боба выигрывают, то это происходит, потому что они координируют свои действия после того, как джойстики наклонены вправо или влево. Но так как они разделены большим расстоянием, эти приборы должны уметь координировать свои действия на расстоянии. Именно это Эйнштейн называл «призрачным действием на расстоянии» – выражение, которое отлично передает отношение мэтра к такого рода вещам! Проблема в том, что сегодня множество экспериментов противоречат интуиции Эйнштейна и подкрепляют квантовую теорию: природа действительно способна согласовывать два разнесенных в пространстве прибора.

Однако согласование, или координация, не означает коммуникацию. Но как же можно согласовать действия без обмена информацией? Мы, человеческие существа, конечно, не способны на такие трюки и с трудом можем вообразить, как это сделать. На самом деле, чтобы обеспечить координацию без коммуникации, приборы должны производить результаты случайно. Чтобы понять это, пойдем от обратного предположения, что приборы производят предопределенные результаты. Можно показать, что это позволит Алисе и Бобу осуществлять коммуникацию без физической передачи. Но мы ведь знаем, что такая коммуникация невозможна (см. справку 5), а потому должны заключить, что любая пара приборов, которая способна победить в игре Белла, не может выдавать предопределенные результаты.

Для лучшего понимания вопроса мы можем представить ситуацию, в которой прибор Алисы всегда выдает a = 0, а Боб выбирает y = 1. Если Боб получает результат b = 0, он знает, что a = b, и может сделать вывод, что Алиса, вероятно, выбрала x = 0. Напротив, если он получает b = 1, он знает, что a ≠ b, и может заключить, что Алиса, вероятно, выбрала x = 1. Действительно, только таким способом они могут получить очко в нашей игре. Справка 7 показывает, что это важное заключение остается верным, каким бы ни было отношение, определяющее результат Алисы как следствие ее выбора.

Из вышесказанного становится понятно, что если прибор Алисы производит результат a заранее определенным образом (следуя одной из четырех программ, рассмотренных выше) и Боб знает об этом, то Боб может сделать вывод, о том какой выбор сделала Алиса, исходя из результата, отображаемого на дисплее его прибора. Следовательно, согласно этой гипотезе, Боб может читать мысли Алисы на расстоянии. Ведь каждый раз, когда они получают очко, Боб может точно отгадать, каким был выбор Алисы. Если они выигрывают в игре Белла, то такой способ коммуникации должен быть вполне обычным.

Такая коммуникация будет практически мгновенной, так как время на передачу информации не зависит от расстояния между Алисой и Бобом. В частности, скорость передачи будет выше скорости света. Скорость света вообще не фигурирует в рассуждении, так как, увеличивая расстояние между Алисой и Бобом, можно превысить любую скорость. Что еще более важно, мы получаем нефизическую форму коммуникации, так как не будет нужно вообще передавать что-либо между приборами Алисы и Боба. А мы знаем, что коммуникация невозможна без передачи информации (см. справку 5).

В итоге если приборы Алисы и Боба могут координироваться на расстоянии, но таким способом, который Алиса и Боб не могут использовать для коммуникации, тогда результат Алисы не может быть произведен детерминистически. Он обязательно рождается случайно, в некотором нелокальном случайном процессе.

Справка 7. Детерминизм предполагал бы коммуникацию без физического переноса. Согласно гипотезе детерминизма, существует отношение, которое определяет результат, производимый каждым прибором, как следствие направления наклона джойстика. Но любое предопределенное отношение между направлением движения джойстика Алисы и ее результатом позволит Бобу узнавать выбор Алисы на расстоянии и, следовательно, получить коммуникацию без передачи информации. А поскольку такая коммуникация невозможна, детерминизм также невозможен. Чтобы убедиться в этом выводе, мы рассмотрим второй пример.