Наука - Страсть на расстоянии

Начавшись с публикаций Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера в 1925–1926 годах, всего через десять лет квантовая механика превратилась в общепризнанную основу понимания явлений микро- и макромира в очень широком спектре областей – от ядерной физики до теории кристаллов. Теория столь уверенно двигалась от успеха к успеху, что практически все физики стали принимать ее как истину в последней инстанции.

Но имелись и несогласные. Альберту Эйнштейну не нравились в квантовой механике принципиально вероятностный характер, соотношение неопределенностей и вытекающая из него невозможность одновременного определения координат и скоростей частиц, отсутствие ясности в решении проблемы квантовомеханических измерений. Больше всего Эйнштейна раздражала несовместимость его собственных представлений о физической реальности с «копенгагенской» интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором. Согласно Бору, состояние любой квантовой системы нельзя расматривать безотносительно к аппаратуре, с помощью которой получена информация о ее поведении. Теория способна предсказать вероятности тех или иных исходов измерений квантовомеханических объектов, но ровно ничего не может сказать о том, каковы же значения измеряемых величин «на самом деле». Состояние «неизмеренной» системы не просто неизвестно – оно вообще не определено, а посему и рассуждать о нем не имеет смысла.

Эйнштейна не устраивала подобная логика, он пытался ее опровергнуть и изобретал воображаемые опыты, которые Бор успешно интерпретировал в свою пользу. Однако Эйнштейн не отступал. В 1935 году он опубликовал описание очередного мысленного эксперимента, который, по его расчетам, неопровержимо доказывал ущербность квантовой теории. Эта модель послужила предметом долгих дискуссий Эйнштейна со своим ассистентом Натаном Розеном и коллегой Борисом Подольским. Статья, фактически написанная Подольским, появилась в журнале Physical Review за подписями всех троих. Эта работа, которую цитируют как ЭПР, и проложила путь к концепции квантового спутывания. Сегодня ее относят к числу самых глубоких исследований теоретической физики XX века.

Авторы (ЭПР) исходили из двух самоочевидныx предпосылок. Во-первых, любой атрибут физической системы, который можно предсказать с вероятностью 100% , не возмущая эту систему в процессе измерений, является, по определению, элементом физической реальности. Во-вторых, полное описание системы должно включать в себя сведения обо всех таких элементах (ассоциированных именно с этой конкретной системой). Предположим, что мы изготовили пару одинаковых частиц А и В, которые начинают движение в строго противоположных направлениях с равными импульсами и, следовательно, скоростями. Принцип неопределенности не позволяет одновременно точно измерить положение и импульс каждой частицы, но это и не требуется. Позволим квантовым «близняшкам» удалиться друг от друга, а затем определим координаты частицы А, что в идеале можно сделать с нулевой погрешностью. Мы немедленно получаем достоверную информацию, где находилась в тот же момент и частица В. Наша аппаратура взаимодействовала исключительно с А, а состояние ее сестрицы оставалось невозмущенным. Следовательно, положение частицы В следует счесть элементом физической реальности.

Вместо того, чтобы выяснять координаты частицы А, мы можем измерить ее импульс, причем опять-таки идеально точно. Поскольку суммарный импульс пары равен нулю, мы автоматически узнаем и величину импульса частицы В, ни в коей мере ее не трогая. Следовательно, и эта величина – элемент физической реальности. Однако уравнения квантовой механики позволяют вычислить положение и импульс частицы лишь приближенно. А если это так, делают вывод ЭПР, то квантовомеханическое описание реальности не является полным. Что и требовалось доказать.

В начале 1950-х годов американский физик Давид Бом сформулировал новую версию ЭПР-эксперимента, которая упрощала математический анализ. Он рассмотрел пару одинаковых квантовых частиц с половинным спином, изготовленную так, чтобы их полный спин равнялся нулю (допустим, электроны). После распада они станут удаляться в различных направлениях. Поставим на их пути магнитные детекторы, измеряющие спин.

В идеальной модели электроны движутся сквозь щель, пронизанную параллельными силовыми линиями постоянного, но неоднородного магнитного поля (на деле все несколько сложнее). Из-за своей квантовой природы до измерения спин вообще не имеет определенной ориентации, а после него он ориентируется либо в направлении поля, либо против него.

Пусть один детектор сообщил, что спин «его» электрона направлен вверх. Можно утверждать, что спин второго электрона глядит вниз. И опыт это подтверждает. Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Прибор с некоторой задержкой отметит, что спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности.

В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем, слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево. Однако странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению!

Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний – горизонтально. Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует горизонтальное значение спина. При повторении эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине – влево. Второй наблюдатель будет вправе заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы наблюдателей окажутся несовместимыми. Что же делать с физической реальностью?

С точки зрения Бора, парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне эксперимента. Вспомним, что мы вольны в выборе детекторов. Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят? Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу, что он проскочил через детектор. Но ведь физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться?

Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шредингера: квантовые корреляции сильнее классических. Тогда все встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шредингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато. Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений?

Впервые это сделал одаренный ирландский физик, имя которого не слишком известно широкой публике. Cотрудник ЦЕРНа Джон Стюарт Белл в 1960-х годах заинтересовался парадоксом ЭПР. Результатом стало доказательство фундаментальной теоремы, подтверждающей возможность надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла.

Белл показал, как можно подтвердить или же опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше – четыре. Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами.

Вот идеальная схема эксперимента. Имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях. Поставим там по паре спиновых детекторов, повернув их по отношению друг к другу произвольно. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно – заранее неизвестно.

А дальше – самое главное. Закодируем результаты каждого измерения по определенному правилу числами от –1 до + 1, подставим их в алгебраическую формулу и усредним результаты по всем измерениям. В итоге получим величину S, зависящую от угла, под которым установлены детекторы (речь идет о математическом ожидании). Теорема Белла утверждает, что для неспутанных частиц значения функции S при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от –2 до +2 (неравенство Белла). Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца. Если же электроны-партнеры вдали от источника связаны друг с другом, то выполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов S может быть как больше +2, так и меньше –2. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла открывает путь к решению проблемы.

Изготовление и регистрация спутанных состояний – непростая задача. Первые опыты по верификации теоремы Белла проводили с поляризованными фотонами. Вместо пар спутанных электронов использовали пары световых квантов с альтернативными модами поляризации (например, вертикальной и горизонтальной), а вместо магнитных детекторов – поляризационные фильтры. Подобные эксперименты начали ставить в 1970-е годы, однако однозначных результатов они не дали. Лишь в 1982 году аспирант Парижского университета Алан Аспект провел серию прецизионных опытов со спутанными фотонами, признанных убедительными. Он доказал, что S действительно может сильно зашкалить и за +2, и за –2. А значит, спутанные частицы ощущают присутствие друг друга на любом расстоянии.

В конце 1980-х американцы Дэниел Гринбергер и Майкл Хорн вместе с австрийским физиком Антоном Зайлингером теоретически доказали, что опыты с тройками спутанных частиц демонстрируют особенности этого явления лучше, чем «парные» эксперименты. В 1999 году в лаборатории Зайлингера в Венском университете впервые создали спутанные фотонные триады. С тех пор число спутанных в эксперименте частиц стало быстро расти. Пока рекорд держат физики из американского Национального инстиута стандартов и технологии, которые в конце прошлого года изготовили шестерку спутанных ионов бериллия. А в январе немецкие физики сообщили, что им впервые удалось «спутать» атом с фотоном.

Исследование феномена квантового спутывания имеет множество практических применений. Система спутанных частиц, как бы сильно она ни была размазана по пространству, это всегда единое целое. Поэтому такие системы – золотое дно для информационных технологий. Хотя они не позволяют передавать сигналы со сверхсветовой скоростью (этот запрет СТО остается нерушимым), с их помощью можно копировать состояние квантовых объектов на любом расстоянии (это называется квантовой телепортацией) и осуществлять передачу сообщений, полностью защищенных от перехвата (квантовая криптография). Феномен спутанности открывает путь и к созданию квантовых компьютеров. «Каждая элементарная ячейка классического компьютера существует сама по себе в одном из двух логических состояний, которые кодируют нуль и единицу.

А в квантовом компьютере состояние ячейки является суперпозицией, смесью двух базисных состояний, нуля и единицы. Такой ячейкой – кубитом – может быть любая квантовая система с двумя возможными состояниями, скажем, электрон с его двумя спиновыми ориентациями, – рассказал «Популярной механике» профессор физики Мичиганского университета Марк Дыкман. – Кубиты можно по-разному связать друг с другом, создав тем самым множество спутанных состояний. Для связанной системы двух кубитов имеются уже четыре возможных состояния, трех – восемь, четырех – шестнадцать и так далее. Так что с ростом числа кубитов число состояний компьютера увеличивается по экспоненте. Поэтому квантовый компьютер в принципе позволит решать задачи, которые никогда не будут доступны его классическим предшественникам. Спутанные состояния чрезвычайно деликатны, физики-экспериментаторы столкнулись с этим давно. Для работы квантового компьютера нужно сначала создать спутанное состояние многих кубитов и затем изменять его в ходе процесса вычисления. Поэтому для практического изготовления квантового компьютера необходимо, чтобы спутанные, когерентные кубиты жили достаточно долго и чтобы их можно было надежно контролировать. В этом и заключается одна из главных физических и технических проблем создания квантовых компьютеров. Это очень сложно… и чрезвычайно интересно».

Реакция столпов физического сообщества на работу ЭПР была жесткой. Вольфганг Паули написал Гейзенбергу, что Эйнштейн поставил себя в дурацкое положение. Бор стал придумывать опровержение. Через три месяца на страницах того же журнала он провозгласил, что мысленный эксперимент ЭПР не отменяет соотношения неопределенностей и не создает никаках препятствий для применения квантовой механики. Бор подчеркнул, что Эйнштейн вправе полагать квантовую теорию неполной, но ее практическая эффективность от этого не уменьшается. С Бором согласились почти все теоретики, кроме Эрвина Шредингера. Он пришел к выводу: «Если две системы, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое взаимодействие, а затем разделяются вновь, то их уже нельзя описывать прежним образом, то есть утверждать, что каждая система пребывает в своем собственном состоянии.

Я считаю это обстоятельство самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и классическую науку. Благодаря временному взаимодействию ранее независимые системы становятся спутанными». Так выглядело первое появление на публике этого самого «спутывания». Шредингер осознал, что логический анализ парадокса ЭПР ведет к важнейшему выводу: квантовая механика допускает такие состояния физических систем, при которых корреляции между их элементами оказываются сильнее любых корреляций, допускаемых классической физикой! Эти состояния он и назвал спутанными.

Новейшей демонстрацией уникальных особенностей спутанности стало квантовое телеклонирование, перенос состояния квантового объекта на два или несколько пространственно удаленных объектов той же природы, или телепортация по нескольким адресам. В теории эта процедура была предложена еще в 1999 году. Выполненный в феврале 2006 года в Токийском университете эксперимент начался с изготовления спутанных световых лучей A, B и C. Луч A был смешан с подлежащим клонированию лучом X, а B и C посланы в других направлениях. Приборы измеряли смешанное световое поле и посылали эту информацию модуляторам фазы и амплитуды на путях B и C. Каждый из них после такого воздействия превратился в клон луча X. Квантовую телепортацию можно выполнить идеально точно, а телеклонирование из-за принципа неопределенности – только приближенно. Амплитудные и фазовые характеристики луча X можно было перенести на B и C максимум на две трети. Токийские физики не дотянули до этого предела, им удалось воспроизвести луч X лишь на 58%. Но если бы они изготавливали клоны без использования спутывания, точность не превысила бы 50%: квантовые корреляции сильнее классических.