Квантова механіка іноді виглядає як різноманітна суміш дивних речей. Існує корпускулярно-хвильовий дуалізм, коли квантові об’єкти іноді виглядають як маленькі компактні частинки, а іноді – як розлогі хвилі. Існує суперпозиція, коли об’єкти здаються двома речами одночасно.
Існує принцип невизначеності, згідно з яким Всесвіт ніби змовляється, щоб завадити нам знати кожну деталь квантового об’єкта. А потім є заплутування.
Альберт Ейнштейн знаменито описав це як «моторошну дію на відстані», коли дія з однією з пари заплутаних частинок миттєво впливає на властивості іншої, незалежно від того, наскільки далеко вона знаходиться.
Істина полягає в тому, що жоден із цих описів квантових явищ не є цілком правильним. Усі вони насправді лише спроби використовувати нашу повсякденну мову, щоб говорити про речі, які нею не можна описати.
Особливо це стосується заплутування, яке зовсім не є “моторошною дією на відстані”.
Це те, що важко описати нашою повсякденною інтуїцією. Але варто спробувати зрозуміти, тому що, як сказав Ервін Шредінгер, це «…характерна риса квантової механіки, яка змушує повністю відійти від класичних напрямків мислення».
Крім того, заплутаність є ключовим інгредієнтом новомодних технологій, про які ми чуємо все більше: надпотужні квантові комп’ютери та незламне шифрування даних за допомогою квантової криптографії. Скоро це стане цілком реальним для всіх.
Так що ж таке заплутаність?
Я думаю, що з деякими ілюстраціями та анімаціями ми зможемо зрозуміти це трохи краще. І починаємо це прямо зараз…
Заплутаність звучить як сплутані пари людей. Якщо Аліса і Боб одружуються – вони буквально заплутуються, зав’язуючи себе узами шлюбу. Тож припустімо, що Боб трагічно загинув. Аліса перетворюється з дружини на вдову. Те, що відбувається з Бобом, також змінює статус Аліси.
Але те, що означає заплутаність для квантових частинок, набагато дивніше.
Ось чому: уявіть собі, що частинки — це електрони, які мають квантову властивість, що називається спіном, завдяки якій вони діють як маленькі магніти. Якщо ми виміряємо цей спін для електрона, ми завжди виявимо, що він спрямований лише в одному чи іншому напрямку: скажімо, вгору чи вниз. Тепер ми можемо уявити, що два електрони переплутані так, що їхні спіни завжди спрямовані в протилежні сторони. Якщо електрон 1 обертається, електрон 2 повинен обертатися і навпаки. Кажуть, що ці два спіни корельовані. Вони як пара рукавичок — якщо один правша, то інший має бути лівшею.
Тепер, скажімо, ми заплутали два електрони таким чином і вистрілили їх у протилежних напрямках. Ми не знаємо, хто з пари обретається вліво, а яка вправо, поки не виміряємо це. Якщо ми виявимо, що електрон 1 обертається вліво, ми знаємо, що спін електрона 2 має бути вправо. Це не є незвичайним, оскільки ми могли б зробити те саме з рукавичками. Ми могли б покласти одну в пакунок і надіслати Алісі, а іншу — Бобу. У той момент, коли Аліса відкриває пакунок і знаходить праву рукавичку, вона знає, що у Боба має бути ліва.
Ручність (правість/лівість) рукавичок, як і спіни електронів, корельована.
Але в цій аналогії є велика різниця. Ручність рукавичок в упаковці була задані з самого початку. Це ніколи не змінювалося. Алісі завжди надсилали праву рукавичку. Якщо хтось перехопить пакунок до того, як його отримає Аліса, ця особа побачить, що це була рукавичка для правої руки.
З заплутаними частинками це не так.
Згадайте, що все, що ми робили на початку, це переконалися, що заплутаність змусила їх корелювати таким чином, щоб їхні спіни вказували в протилежних напрямках. Ми не визначили, чи був електрон під номером 1 чи 2. Можна було б подумати, добре, але це, очевидно, одне чи інше – просто ми не знали, який є який, поки не виміряли один із них.
Але це не зовсім так.
Скажімо, ми встановили електрон так, щоб він міг мати спін вгору або вниз, коли ми його вимірюваємо. Це називається суперпозицією. Тоді орієнтація спіна електрона просто не визначається, доки не буде зроблено вимірювання. Справа не тільки в тому, що ми ще не знаємо – так чи інакше – немає однозначної відповіді.
Як ми знаємо, що суперпозиція реальна, а не просто ілюзія через наше незнання?
Втім, одна експериментальна підказка походить від експерименту з подвійною щілиною. Цей експеримент показує, що частинка справді розповсюдується як хвиля, яка може бути в багатьох місцях, перш ніж її виміряють.
Але після вимірювання частинка стає чіткою та локалізованою.
Це явище досить дивне для однієї частинки. Але із заплутаними частинками все ще дивніше, тому що тоді здається, що вимірювання на одній частинці визначає результат не лише для цієї частинки, а й для обох.
Коли ми виміряли лише електрон 1, вимірювання не лише змусило Всесвіт вибирати між спіном вгору та спіном вниз для цієї частинки – воно також змусило зробити протилежний вибір для електрона 2 через їхню кореляцію.
Альберт Ейнштейн придумав такий експеримент у 1935 році у співпраці з двома молодшими вченими, Борисом Подольським і Натаном Розеном. Їх скорочено називають EPR, поєднуючи перші літери їхніх прізвищ. Вони зробили це не для того, щоб показати, наскільки дивна квантова механіка. Вони зробили це, щоб показати, що квантова механіка може бути неповною.
У цьому експерименті виглядає так, ніби, виконуючи вимірювання на частинці 1, ми запускаємо певний ефект, який впливає на спін частинки 2. І згідно з квантовою механікою, це відбувається миттєво: не потрібно часу, щоб відчути ефект іншою часткою.
Але це неможливо, тому що спеціальна теорія відносності Ейнштейна, розроблена 20 роками раніше, стверджувала, що ніякий вплив не може передаватися швидше, ніж швидкість світла. Це було так, ніби, як сказав Ейнштейн, на відстані, яка миттєво пройшла між частинкою 1 і частинкою 2, відбулася якась неможлива моторошна дія.
Через це EPR вважає, що вся ідея про те, що властивості квантових об’єктів залишаються невизначеними, поки їх не виміряють, не має сенсу. Вони прийшли до висновку, що повинно бути щось – те, що Ейнштейн назвав прихованими змінними, – що постійно фіксує орієнтацію спінів. І що ми насправді не можемо виміряти ці змінні, щоб дізнатися орієнтацію обертів. Тому вони приховані. Але вони повинні існувати, вважає EPR.
Таким чином, явище, яке вони відкрили, яке стало відомим як заплутаність, здавалося б, пробило діру в логіці квантової механіки.
Але інші, як-от датський фізик Нільс Бор, казали, що Ейнштейн просто помилявся. Бор сказав, що не існує прихованих змінних, і той факт, що заплутаність, здається, створює ці дивні кореляції між частинками, — це просто те, що ми повинні прийняти як реальність.
Не було очевидного способу визначити, хто правий.
Думки вчених залишилися розділеними. Немає сенсу проводити експеримент, запропонований ЕПР, тому що просте вимірювання обертів не скаже вам, чи ці спіни були фіксованими весь час, як вважав ЕПР, чи вони стали на місце після вимірювання, як вважав Бор.
Лише майже через 30 років, у 1964 році, ірландський фізик Джон Белл зрозумів, як поставити переконливий експеримент, щоб визначити, хто правий.
Це передбачало проведення експерименту знову і знову на парах заплутаних частинок, тоді як самі експериментатори – Аліса та Боб – щоразу змінювали спосіб вимірювання. Потім ви дивитеся, наскільки сильна кореляція між результатами вимірювання під час внесення цих змін.
Белл довів, що квантова механіка передбачила сильніші статистичні кореляції в результатах цих вимірювань, ніж будь-яка теорія прихованих змінних.
Достатньо сказати, що коли в 1970-х роках фізиками Джоном Клаузером і Стюартом Фрідманом з Каліфорнійського університету в Берклі вперше провели експеримент Белла в лабораторії, він показав, що не існує жодних ознак прихованих змінних і що дійсно результати визначаються лише самим актом вимірювання. І в наступні роки цей аспект квантової механіки знову і знову виявлявся правильним. Бор був правий, а ЕПР помилялися.
Тепер ви можете думати, як саме сплутати два квантові об’єкти для початку?
Найпростіший спосіб зробити це — сплутати їх від народження – можна сказати, як близнюки.
Як правило, дослідники створюють пару фотонів за один квантовий стрибок, наприклад, коли атом, який отримав додаткову енергію, втрачає її, випускаючи два фотони одночасно. Існують розумні способи зробити це за допомогою лазерів, як це зробили Фрідман і Клаузер.
Але є й інші способи створення зв’язку між об’єктами, як-от атоми чи електрони. Найпростіший спосіб — просто зібрати частинки разом і дати їм взаємодіяти.
Якщо ви зроьите так, щоб одна частинка впливала на кінцевий стан другої частинки, тоді, коли ви поміщаєте першу частинку в квантову суперпозицію, пара частинок може оп инитися в спільній суперпозиції – заплутаній парою.
Ось що насправді таке заплутаність: квантова суперпозиція більш ніж одного об’єкта.
Отже, чи означають тести Белла, що моторошна дія Ейнштейна на відстані реальна?
Ви можете почути таке твердження, але це неправильно. EPR думав про заплутування неправильно. Це не дивно, тому що те, що вони припускали, було просто здоровим глуздом – настільки, що вони навіть не усвідомлювали, що це припущення.
Вони думали про дві частинки як про окремі об’єкти. А чому б і ні? Адже їх направляють летіти в протилежних напрямках простору. І в принципі, перш ніж вимірювати, ви можете почекати, доки їх розділить багато світлових років.
Але як тільки об’єкти заплутані, вони не розділяються. У певному сенсі вони є двома частинами одного об’єкта. Ось що це означає. У квантовій механіці об’єкти описуються хвильовими функціями: математичними виразами, які інкапсулюють усе, що можна сказати про об’єкт.
Цю хвильову функцію можна розповюдити в просторі. Ось чому частинки можуть діяти як хвилі. Але якщо ми сплутаємо дві частинки, вони описуються однією хвильовою функцією. І оскільки два заплутані об’єкти описуються однією хвильовою функцією, математично кажучи, вони є одним і тим же об’єктом.
Ось що насправді означає заплутаність, і тому властивості частинок взаємозалежні.
Якщо ви щось робите з однією з частинок, наприклад вимірюєте її, ви змінюєте хвильову функцію, а отже, змінюєте й іншу частинку, оскільки вона також описується тією ж хвильовою функцією.
Тепер ви можете запитати: як дві спочатку окремі частинки можуть, взаємодіючи, якимось чином поєднати свої дві хвильові функції в одну?
Це справді зводиться до математики. До взаємодії частинок ми можемо розділити хвильову функцію всієї системи обох частинок на частину, яка описує частинку 1, і частину, яка описує частинку 2. Але після їх взаємодії це більше не відповідає дійсності.
Ми не можемо вказати на будь-яку частину повної хвильової функції та сказати, що цей біт є частинкою 1, а інший біт є частинкою 2. Це змішування відбувається майже для будь-якого виду взаємодії між ними. Отже, якщо дві частинки заплутані, ми не можемо нічого сказати про одну з них, не враховуючи всю хвильову функцію. Це так, наче їхні властивості тепер розподілені на обох.
Ось чому не має значення, на якій відстані одна від одної розташовані заплутані частинки – вони все одно переплетені своєю спільною хвильовою функцією.
Це дійсно дивна річ. Ми звикли, що властивості об’єкта знаходяться в цьому об’єкті або на ньому. Якщо моя футболка блакитна, синява на футболці – вона локалізована там.
Якщо у мене синя чашка для кави, це синя чашка для кави, а не футболка.
Але для заплутаних квантових об’єктів їх властивості можуть бути нелокальними – поширюватися між обома об’єктами. Частина блакитного відтінку футболки може бути в чашці кави, і навпаки. Це підводить нас до того, чому заплутаність лежить в основі квантової механіки, оскільки вона говорить нам, що квантовий світ має особливість, яка називається нелокальністю.
Речі в одному місці не залежать лише від того, що відбувається поблизу цього місця, як це відбувається в класичному світі.
Здається, існує миттєвий зв’язок між різними регіонами та частинками, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного.
Тоді чому це не «моторошна дія на відстані»? Це тому, що в інтерпретації Ейнштейна щось в одному місці якимось чином передає свій ефект в інше місце — швидше за світло.
Але квантова нелокальність є альтернативою цій картині.
Насправді це говорить про те, що ми не можемо вважати ці два місця різними: квантова механіка об’єднує їх в одне ціле. У цьому сенсі квантова механіка, здається, робить безглуздим наше звичайне відчуття простору.
Фактично, деякі дослідники підозрюють, що квантова заплутаність є більш фундаментальною, ніж сам простір, і що наше уявлення про простір насправді виникає з квантової заплутаності, яка з’єднує об’єкти у величезну мережу взаємодії.
Як щодо використання квантової заплутаності для спілкування?
Спокусливо уявити, що заплутаність дозволить нам спілкуватися швидше за світло. Скажімо, ми створюємо пару заплутаних частинок і розділяємо їх на тисячі миль, так що в Аліси частинка 1 у Китаї, а у Боба – частинка 2 у США.
Якщо Боб проводить вимірювання в США, чи не означає це, що частинка Аліси в Китаї миттєво впливає? Ну, так, здається, що так.
Але коли Аліса вимірює свою частинку, це здасться їй абсолютно випадковим. Немає нічого значущого в вимірюванні, яке робить Аліса, доки вона не дізнається, наскільки воно корелює з тим, що виміряв Боб. І єдиний спосіб зробити це — обмінятися інформацією про їхні вимірювання, надіславши звичайне повідомлення. Електронна пошта, звичайна пошта, поштовий голуб – як би вони не вирішили.
Вони ніколи не зроблять це швидше, ніж світло. Ось чому неможливо використовувати кореляцію між заплутаними частинками для миттєвої передачі будь-якої інформації.
Тепер у використанні заплутаних частинок для надсилання повідомлень є принаймні одна перевага: ви можете зашифрувати повідомлення таким чином, що його неможливо перехопити та розшифрувати без виявлення цього розшифрування. І вони знатимуть, що їх повідомлення не було безпечним. Ось чому квантово-заплутані фотони, що надсилаються по оптичних волокнах або супутниковими сигналами, зараз використовуються для шифрування конфіденційних повідомлень, таких як фінансові дані, у захищеному від втручання квантовому Інтернеті, який все ще будується.
Заплутаність також є ключем до квантових обчислень. Було показано, що квантові комп’ютери лише з кількома десятками переплутаних квантових бітів виконують обчислення за секунди, на які звичайним суперкомп’ютерам знадобилися б століття. Ймовірно, це зіграє велику роль у нашому житті.