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.

---

Подводя итог, скажем, что никакая локальная стратегия не поможет выиграть в игру Белла более чем три раза из четырех. Как сказал бы физик, никакая локальная корреляция не может нарушить неравенство Белла. Другими словами, если бы Алиса и Боб все же сумели выиграть более часто, чем три раза из четырех, этому явлению не было бы локального объяснения.

Как мы уже знаем, существует только два типа локальных объяснений: первый основан на непрерывном распространении воздействия от одной точки к другой через пространство, а второй основан на существовании общей причины, что также подразумевает непрерывное распространение воздействия в пространстве из некоего общего момента в прошлом. В нашем случае объяснения первого типа исключаются огромным расстоянием между Алисой и Бобом и, как мы только что видели, объяснение второго типа не позволяет выиграть в игру Белла более чем три раза из четырех.

Победить в игре Белла: нелокальные корреляции

Теперь представим, что Алиса и Боб играют очень давно и выигрывают в среднем гораздо чаще, чем три раза из четырех. Как раз это и становится возможным благодаря явлению запутанности в квантовой физике. Но пока мы отложим этот поразительный раздел физики в сторону и просто рассмотрим гипотезу о том, что Алиса и Боб выигрывают очень часто.

Мы уже исключили возможность их влияния друг на друга или какой-либо связи между их приборами даже посредством каких-либо еще не открытых волн (к этой важной гипотезе мы вернемся позже). Мы только что видели, что если приборы производят результат локально в зависимости от времени и положения джойстика, а значит, в зависимости от выбора оператора, то выиграть более, чем три раза из четырех невозможно. Другими словами, невозможно выиграть более, чем три раза из четырех, если пользоваться локальными стратегиями, что означает использование механизма последовательного распространения от точки к точке сквозь пространство.

Именно поэтому корреляции, которые позволяют выигрывать в игру Белла чаще, чем три раза из четырех, называют нелокальными. Но как Алиса и Боб могут сделать это со своими ящиками?

Если бы мы спросили об этом физика до открытия квантового мира, скажем до 1925 года, ответ был бы очень прост. Он сказал бы, что это совершенно невозможно. Чтобы выигрывать чаще, чем три раза из четырех, Алиса и Боб, или по крайней мере их приборы, должны были бы каким-то образом хитрить. Либо иметь возможность обмениваться информацией, либо оказывать влияние друг на друга, пусть даже неосознанно, как, зевнув сам, заставляешь зевать окружающих. Но если исключить всякую связь, для физика доквантовой эпохи такой результат был бы невозможен.

А вы? Вы понимаете, как выиграть больше, чем три раза из четырех? Вы верите, что это возможно? Сожалею, что приходится терзать ваше серое вещество этой игрой, но она действительно выражает суть нелокальности. Сейчас мы похожи на средневековых людей, которым сказали, что Земля круглая, как шар, и где-то на противоположной его стороне тоже живут люди. Как же они тогда с нее не падают? Сегодня каждый знает, что все предметы, включая людей, падают к центру Земли, а не просто сверху вниз. И люди на другой стороне планеты притягиваются к ней так же, как магниты к дверце холодильника. Благодаря магнитам мы можем себе представить, как Земля притягивает нас, так что ни австралийцы, ни европейцы не сорвутся.

Но как быть с игрой Белла? Где для нее аналог магнитов на холодильнике? Какая история могла бы объяснить это? К сожалению, я не могу дать вам интуитивно понятное объяснение того, как именно квантовая запутанность позволяет выигрывать чаще, чем три раза из четырех. Но я могу пригласить вас продолжить путешествие в мир атомов и фотонов, поиграть в эту странную игру и посмотреть, что интересного или даже полезного может из этого получиться. Давайте посмотрим, что это значит для нашей картины мироздания. Давайте разберем эти корреляции, так же как ребенок разбирает игрушку, чтобы посмотреть что у нее внутри.

Справка 4. Джон Белл: «Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы». По счастью, я довольно часто встречал Джона Белла. Вот история одной из наших первых встреч.

«Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы», – так начал разговор Белл во время нашей довольно необычной встречи в марте 1983 года. Я никогда не забуду эти слова! Джон Белл, знаменитый Джон Белл, представился инженером, то есть одним из тех практиков, которые знают, как заставить вещи работать. А для меня, недавно получившего докторскую степень в области теоретической физики, Джон Белл был гигантом среди теоретиков.

В 1983 году общество физических исследований кантона Во организовало ежегодную тренинг-сессию. На неделю в Монтане собрались преподаватели и физики-исследователи, посвящавшие половину времени катанию на лыжах, а вторую половину – лекциям известных ученых. В том году главной темой были основы квантовой физики, и это означало возможность встретиться с Аленом Аспе, первым человеком[14], который одержал победу в игре Белла, и несколько вечеров кататься с ним на лыжах. Джон Белл был в числе приглашенных, потому что не сделать этого было невозможно, но он не был заявлен в программе лекций, по особым для этой части научного сообщества причинам, что, очевидно, было страшной глупостью. Мы с другом попросили Белла устроить для нас импровизированное выступление. Сначала он отказывался, ссылаясь на то, что он не привез свои слайды, но в конце концов однажды вечером после ужина этот нелегальный экспромт состоялся – в подвале, на скорую руку оборудованном под лекционный зал, где слушатели разместились на полу. Инженер с принципами рассказывал нам о практическом применении физики в разработке приложений, в сложных или занятных экспериментах, а также для того, чтобы выявить эмпирические правила, которые прекрасно работают на практике. И еще рассказал о том, что нельзя упускать из вида главную цель научного познания: дать систематическое объяснение природы. С тех пор эта мысль всегда со мной.

Выигрыш в игре Белла не предполагает обмена информацией

Предположим, что Алиса и Боб выигрывают чаще, чем 3 раза из 4, а возможно, даже каждый раз. Могут ли они использовать это для обмена информацией[15]? Мы помним, что они разделены огромным расстоянием, и такая коммуникация подразумевает передачу информации со сколь угодно высокой скоростью.

Как Алиса могла бы передать некую порцию информации Бобу? Единственным средством является отклонение джойстика. К примеру, «налево» может означать «да», а «направо» – «нет». Но, с точки зрения Боба, его ящик, его прибор производит результаты лишь случайно. Каким бы ни было положение его джойстика, два возможных результата b = 0 и b = 1 возникают одинаково часто, и это остается справедливым при любом положения джойстика Алисы. Таким образом, не существует способа использовать корреляции в игре Белла для передачи послания от Алисы Бобу (или наоборот). Мы можем заметить корреляцию, только сравнив показания двух приборов. Вспомните наш странный «телефон» из главы 1.

Таким образом, Алиса и Боб не могут использовать свои приборы для общения[16]. Только сравнив свои результаты, то есть тогда лишь, когда они прекратили игру и встретились в конце дня, они могут установить, выиграли они или проиграли.

Таким образом, между Алисой и Бобом нет соединения, по которому они могли бы связываться. Общение исключительно через игру Белла подразумевало бы связь без какой-либо физической сущности для передачи сообщения от передатчика к приемнику. Но тогда это была бы коммуникация без передачи, что невозможно (см. справку 5).

Но, может быть, существует какой-то неизвестный вид связи, какая-то «невидимая нить», которая соединяет два прибора и позволяет если не общаться, то хотя бы просто выигрывать в игру Белла? Если бы такая связь существовала, мы бы сразу разгадали этот «фокус». Было бы жаль узнать, что это лишь обычная ловкость рук.

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.