Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

В развитие этой идеи делается допущение, что и любая пара запутанных частиц тоже соединена мостом Эйнштейна – Розена, но только таким, который имеет предельно малый (так называемый планковский) масштаб. Нелокальность квантовой механики тем самым понимается буквально как нелокальность, реализуемая в рамках теории гравитации (общей теории относительности). Фактически здесь предлагается новый взгляд на пространство – которое должно быть тогда испещрено этими червоточинами. А следующий логический шаг состоит в том, чтобы рассматривать пространство не как «самостоятельное» явление, а как производный феномен, создаваемый запутанностью – которая, таким образом, приобретает новое фундаментальное значение. Предпринимались, например, усилия по выводу идеи расстояния в пространстве (близко/далеко) из меры запутанности (много/мало). В оптимистическом сценарии подобные идеи могут пролить свет на квантовые свойства черных дыр и даже на квантовую природу гравитации.

Нашлись и более непосредственные способы пустить в дело нелокальный ресурс запутанности. Два из них на слуху, хотя один – благодаря не столько квантовой механике, сколько фантастике, а второй – отчасти (но только отчасти) по причине современного хайпа. Это квантовая телепортация и квантовый компьютер.

17 Что телепортируется, но не клонируется

Запутанность – своеобразная связь, отличающаяся от привычных взаимодействий посредством сил/полей. Силы, такие как гравитация, ослабевают с расстоянием, но свойство быть запутанным подобного ослабления не испытывает. Силы неизбирательны: притяжение Солнца сообщает одинаковое ускорение и мне, и стулу, на котором я сижу; притяжение Юпитера создает чрезвычайно малое, но тоже одинаковое ускорение для всех соседних предметов. Запутанность же максимально избирательна. Если два электрона запутаны друг с другом, то это касается только их, а не каких-то других электронов по соседству. Это, можно сказать, их личные отношения{71}.

Устанавливается же запутанность через локальный контакт. В самом простом варианте два запутанных объекта рождаются вместе. В более сложном случае так называемой перенесенной запутанности они рождаются по отдельности, но каждый – в запутанном состоянии со своим вспомогательным объектом; эти вспомогательные объекты потом встречаются друг с другом и совместно подвергаются специальному измерению, в результате которого запутанными оказываются два основных объекта.

При этом запутанность – нелокальный ресурс. Такой вывод из нарушения неравенств Белла делается в большинстве интерпретаций квантовой механики, если отбросить экстравагантные возможности типа сигнализации назад по времени. Запутанность представляет собой что-то вроде «моста» между удаленными участниками, хотя этот «мост» и наведен не в физическом пространстве. Однако нелокальность, связанная с запутанностью, не позволяет посылать СССМС – «сверхсветовые СМС», как мы видели в предыдущей главе. У квантовой механики нет априорных причин уважать специальную теорию относительности (согласно которой нельзя передавать сигналы, опережающие свет), но она умело избегает прямого противоречия с ней; в частности, от одного участника запутанной пары к другому не передается энергия.

Возможно, наилучшее приближение к СССМС с использованием запутанности – квантовая телепортация. Это – протокол, т. е. схема действий, приводящих к желаемому результату.

Квантовая телепортация не позволит капитану Кирку мгновенно перенестись вдоль специального луча с планеты, на которую он было высадился, но не нашел там разумной жизни, обратно на свой корабль. Она не позволит сделать это даже одному электрону. Точнее, не позволит сделать это мгновенно, но в остальном она работает не так плохо, если только «луч» – это набор запутанных пар, заранее разведенных между точками отправления и назначения.

Телепортировать на произвольное расстояние – из лаборатории А. в лабораторию Я. – мы будем спиновое состояние электрона. Оно, как всегда, представляет собой комбинацию двух возможностей, потому что спин ничего больше себе позволить не может. Чтобы говорить конкретнее, требуется выбрать какое-то опорное направление; если оно вертикальное, то спиновое состояние выражается как произвольная комбинация двух состояний: «спин вверх» и «спин вниз». Но комбинация состояний совершенно не обязательно означает, что они соединяются просто знаком плюс, как в большинстве примеров из других глав (где это часто вызвано соображениями простоты, а иногда отражает взаимоотношения спиновых состояний, определяемых по взаимно перпендикулярным направлениям). Сейчас в фокусе внимания как раз числа, сопровождающие каждую возможность – которых две, а потому и чисел два, и можно временно называть их ч₁ и ч₂. С математической точностью всякое спиновое состояние можно записать в виде

«ч₁ (спин вверх) плюс ч₂ (спин вниз)».