На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

В самой простой версии запутанности две частицы А и В являются квантовыми близнецами и находятся в одинаковом состоянии до того, как разнестись друг от друга на произвольно большое расстояние таким образом, чтобы они не могли взаимодействовать (рисунок 2). Несмотря на удаленность друг от друга, обе частицы способны реагировать на измерение одной из них, демонстрируя прекрасную согласованность. Вначале наблюдаемое свойство не измерено ни для A, ни для В. После разнесения частиц в пространстве произведем измерение для A, результат которого, естественно, будет случайным. Запутанность предполагает, что это измерение сразу же станет справедливым и для В, хотя эта частица измерениям не подвергалась. Например, если мы определяем импульс A, то сразу же узнаем его и для В. После завершения измерения запутанность исчезает. Эйнштейн называл этот эффект «жутким дальнодействием», и он был для него одной из главных причин отклонения принятой интерпретации квантовой механики.

Хотя запутанность связывает частицы, скорость которых выше скорости света, скорость передачи информации между двумя исследователями подчиняется релятивистским ограничениям.

Если второй исследователь в это же время фиксирует положение В, то может сложиться впечатление, что принцип неопределенности Гейзенберга нарушается. Так, теперь наблюдателю известны и положение частицы В (благодаря прямому измерению), и ее импульс (благодаря измерению у частицы- близнеца A). Однако в действительности принцип неопределенности остается незыблем, поскольку он устанавливает, что две характеристики В — положение и импульс — не могут быть измерены в одно и то же время. Первый наблюдатель, измеряя импульс А, знает, каким будет этот импульс для В, но ничего не знает о положении В. И наоборот, когда второй наблюдатель фиксирует положение В, ему неизвестен результат измерения импульса А. Он узнает его лишь потом, когда коллега сообщит его ему Неопределенность выступает как функция ожидания информации. После измерений запутанность исчезает, и определить траекторию частиц становится невозможным (см. рисунок).

До измерения импульса А исследователь не знает, каким будет результат, поэтому он не сможет воспользоваться запутанностью, чтобы передать информацию быстрей скорости света. И даже если он мгновенно узнает импульс В, он сможет сообщить его второму исследователю только через условный коммуникационный канал, соблюдая лимит скорости с.

Еще один австрийский физик из Венского университета, Антон Цайлингер, на основании шрёдингеровской запутанности провел ряд крайне любопытных опытов в области квантовой информации. Он начал с трех запутанных фотонов, затем перешел к четырем. Со временем ученый установил рекордную пространственную разнесенность запутанных частиц, разместив их между островами Лас-Пальмас и Тенерифе (Канарские острова) на расстоянии 144 километра. Европейское космическое агентство приняло на рассмотрение его новый проект: еще более удалить запутанные частицы друг от друга, увеличивая дистанцию до 1500 километров. Цайлингер был одним из авторов вышеупомянутой идеи о тепловом нарушении суперпозиции для фуллеренов. Его исследования легли в основу технологии, связанной с использованием квантовых особенностей, в сфере информатики и криптографии. Также этот физик впервые осуществил квантовую телепортацию — метод, использующий запутанность, чтобы мгновенно передавать характеристики одной частицы другой. Принимая во внимание, что в атомной физике главное — сохранение свойств атома, а не его структуры, работа Цайлингера очень подстегивает воображение и сулит поистине фантастические перспективы.

Квантовые частицы вторгаются в наш уютный макромир не только под контролем ученых в лабораториях. Чем больше света проливается на квантовую теорию, тем больше вопросов она вызывает: Вселенная больше не соответствует классическим правилам, как мы считали раньше. Квантовое объяснение некоторых феноменов, таких привычных, как фотосинтез или чувствительность некоторых птиц к магнитному полю Земли, в конечном итоге может использоваться для проверки традиционных инструментов.

Из этого можно сделать вывод, что два главных противника интуитивного прочтения квантовой механики, Шрёдингер и Эйнштейн, очень помогли усовершенствованию теории. Ученые сконцентрировали внимание на самых уязвимых ее точках и с помощью парадоксов и мыслительных экспериментов помогли структурировать многие неясности. Их вклад определяется не только собственно открытиями, но и тем фактом, что даже встречая сопротивление коллег, они в интеллектуальной дискуссии достаточно глубоко прорабатывали свои идеи. Ученые направляли усилия на то, чтобы найти ответы на стоящие перед ними вопросы, но в результате существенно укрепили структуру, которую пытались подорвать.