Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Это странно. Тридцатью годами ранее Эйнштейн сформулировал правила специальной теории относительности, согласно которой ни один сигнал не может передаваться быстрее скорости света. И все же мы утверждаем, что исходя из правил квантовой механики измерение, выполняемое Алисой здесь и сейчас, оказывает непосредственное влияние на кубит Боба, даже если он находится на расстоянии четырех световых лет от нас. Как кубит Боба узнает, что кубит Алисы был измерен и каков был результат этого измерения? Это и есть то самое «жуткое дальнодействие», о котором так незабываемо беспокоился Эйнштейн.

Но, возможно, все не так плохо, как кажется. Первое, о чем вы можете задуматься, узнав о «жутком дальнодействии», так это можно ли использовать этот феномен для мгновенной коммуникации на больших расстояниях. Можем ли мы сконструировать телефон, действующий по принципу квантовой запутанности, для которого даже скорость света не является ограничением?

Нет, не можем. И даже наш простой пример служит тому подтверждением: если Алиса в результате измерения получает верхний спин, то она сразу же знает, что и Боб получит верхний спин, как только выполнит измерение. Но Боб этого не знает. Чтобы он узнал, каков спин его частицы, Алиса должна послать ему результат своего измерения обычной связью – и скорость передачи этой информации ограничена скоростью света.

Вы могли бы подумать, что здесь есть лазейка: что, если Алиса не просто измерит свой кубит и узнает случайный ответ, но преднамеренно добьется того, чтобы у нее получился именно верхний спин? Тогда Боб тоже получит верхний спин. Складывается впечатление, словно информация действительно была передана мгновенно.

Проблема в том, что не существует простого способа взять квантовую систему в суперпозиции и измерить ее таким образом, чтобы преднамеренно получить нужный нам ответ. Если Алиса просто измерит свой спин, то будет иметь дело с равновероятными вариантами, без всяких «и», «но» и «если». Но Алиса может подправить свой спин до измерения: сделать так, чтобы он находился не в суперпозиции, а стопроцентно был верхним. Например, она может выстрелить в свой электрон фотоном с ровно такими свойствами, чтобы фотон не тронул электрон, если у того верхний спин, а если у того нижний спин – то обратил бы его в верхний. Теперь при измерении электрона Алисы определенно будет получен верхний спин. Но этот электрон больше не будет запутан с электроном Боба.

Квантовая запутанность перейдет на фотон, который окажется в суперпозиции состояний «не тронул электрон Алисы» и «столкнулся с электроном Алисы». На электрон Боба все это совершенно не повлияет, и при измерении его спина с вероятностью 50 % может быть обнаружен либо верхний, либо нижний спин, так что никакая информация передана не будет.

В этом заключается общая черта квантовой запутанности: так называемая теорема о бессигнальности, согласно которой пара запутанных частиц не может использоваться для передачи информации между двумя сторонами быстрее скорости света. Получается, что квантовая механика использует узкую лазейку, нарушая дух теории относительности (ничто не может перемещаться быстрее скорости света), но подчиняется ее букве (конкретные элементарные частицы, а также информация, которую они могли бы передавать, не в состоянии перемещаться быстрее скорости света).

⚪ ⚪ ⚪

Так называемый парадокс ЭПР (который на самом деле никакой не парадокс, а просто свойство квантовой механики) выходит за рамки обычного беспокойства по поводу «жуткого дальнодействия». Эйнштейн стремился показать не столько пугающую сторону квантовой механики, сколько ее неполноту, – по его мнению, квантовая механика была лишь полезным приближением некой всеобъемлющей, базовой модели.

Авторы ЭПР верили в принцип локальности – физические величины, описывающие природу, определяются в конкретных точках в пространстве-времени, а не распределены повсюду и непосредственно взаимодействуют лишь с другими физическими величинами, расположенными поблизости, а не на расстоянии. Другими словами, учитывая ограничение скорости света специальной теорией относительности, локальность, по-видимому, подразумевает, что ничто из того, что мы можем сделать с частицей в одном месте, не может мгновенно повлиять на измерения, которые мы могли бы выполнить с другой частицей очень далеко.

На первый взгляд тот факт, что две сильно удаленные друг от друга частицы могут находиться в состоянии запутанности, подразумевает, что в квантовой механике нарушается принцип локальности. Но авторы ЭПР хотели подойти к этой проблеме основательно и установить, что не существует такого хитрого обходного маневра, благодаря которому все казалось бы локальным.