Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - Николя Жизан

• Те невероятные свойства запутанных пар квантовых объектов (которые были описаны в 1935 году в работе об ЭПР-парадоксе, но ни разу не наблюдались в действительности), они действительно соответствуют реальному поведению природы или в этом вопросе мы достигли пределов квантовой механики?

Именно ответы на эти вопросы, которые сначала дали экспериментаторы, а потом уточнили теоретики, привели ко второй, продолжающейся по сей день квантовой революции[1].

Поведение отдельных квантовых объектов давно являлось предметом оживленных дебатов среди физиков. В течение долгого времени большая часть ученого сообщества считала, что сам вопрос не имеет смысла и что он в любом случае неважен, так как никто не мог себе представить, что можно наблюдать отдельный квантовый объект, не говоря уже о том, чтобы управлять и манипулировать им. По словам Эрвина Шрёдингера[2], «с отдельными частицами не экспериментируют, так же как ихтиозавров не выращивают в зоопарках».

Но начиная с 1970-х годов экспериментаторы разработали способы, позволяющие наблюдать отдельные микроскопические объекты – электроны, атомы и ионы, манипулировать и управлять ими. Я помню всеобщее воодушевление на международной конференции по атомной физике в Бостоне в 1980 году, когда Петер Тошек представил первое изображение одного захваченного иона – его можно был непосредственно наблюдать по флюоресцентным фотонам, которые он испускал под воздействием луча лазера. Благодаря прогрессу экспериментальной физики мы можем прямо наблюдать квантовые скачки, что положило конец многолетним спорам. Мы также увидели, что квантовый формализм прекрасно описывает поведение отдельного квантового объекта – при условии, что мы правильно интерпретируем вероятностные результаты расчетов. Что касается второго вопроса о свойствах запутанности, то предсказания квантовой теории сначала были проверены на фотонных парах в серии экспериментов, условия проведения которых постепенно приближаются к идеальным, в соответствии с замыслом теоретиков вроде Джона Белла. Эти эксперименты полностью подтвердили предсказания квантовой теории, какими бы удивительными те ни были.

В 1980-х годах Николя Жизан собрал группу специалистов по прикладной физике для работы над оптоволоконными технологиями. Он всегда испытывал личный и теоретический интерес к основам квантовой механики (но держал его в секрете, по крайней мере от своего работодателя, так как в те времена постановка подобных вопросов не всегда считалась стоящим занятием), поэтому неудивительно, что Николя Жизан стал одним из первых в экспериментах с квантовой запутанностью фотонных пар в оптоволоконных кабелях. Обладая глубокими познаниями в оптоволоконных технологиях, он смог использовать коммерческие телекоммуникационные сети возле Женевы, чтобы продемонстрировать, к удивлению самих экспериментаторов, что явление запутанности можно наблюдать даже при расхождении на несколько десятков километров. Он провел несколько концептуально простых тестов и вывел совершенно поразительные черты запутанности между удаленными событиями, а также экспериментально реализовал протокол квантовой телепортации. Сочетая навыки теоретика в квантовой физике и эксперта в оптоволоконных технологиях, он был одним из первых, кто начал работать над практическими применениями явления запутанности, такими как квантовая криптография и генерация истинно случайных чисел.

Это сочетание талантов прослеживается в его увлекательной книге, где тонкие вопросы квантовой физики излагаются при помощи языка, доступного далекой от науки публике и без привлечения математического аппарата. Николя объясняет явления запутанности, квантовой нелокальности и квантовой случайности и описывает примеры практического применения. Но это не просто популярное изложение. Специалисты в квантовой области найдут здесь глубокие рассуждения об этих явлениях, истинная природа и последствия которых все еще непостижимы для нас.

Касательно вопроса о том, должны ли мы после экспериментального опровержения локального реализма отбросить физическую реальность или идею локальности[3], я придерживаюсь того же мнения, что и Николя Жизан: даже если считать концепцию локального реализма целостной и разумной, было бы странно делить ее на две части и сохранять лишь одну из них. Как можно определить автономную физическую реальность системы, которая находится в определенном месте пространства-времени, если эта система подвержена влиянию событий в другой системе, отделенной от нее пространственно-подобным интервалом? Эта книга предлагает более изящное решение, показывая, что если принимать во внимание существование фундаментальной квантовой случайности, то нелокальная физическая реальность может вполне мирно сосуществовать с релятивистской причинностью, что была так дорога Эйнштейну. Поэтому даже те ученые, кто хорошо знаком с этими проблемами, найдут в книге Николя Жизана пищу для размышлений. А простого читателя, лишь открывающего для себя тайны запутанности и квантовой нелокальности, ждет погружение во все тонкости этого сложного вопроса, описанного просто и ясно одним из ведущих мировых экспертов[4].

Преамбула

Если бы вы жили во времена ньютоновской научной революции, хотели бы вы быть в курсе дела? Сегодня квантовая физика дает нам шанс пережить концептуальную революцию сравнимой значимости. Эта книга поможет вам понять происходящее, с одной стороны не погружаясь в математику, а с другой – не скрывая концептуальных сложностей. Физики используют математику для поиска следствий из их гипотез и для точных расчетов вытекающих из них предсказаний, но разве нужна математика для того, чтобы поведать великую историю физики? Ведь самое интересное в физике – это не математика, а идеи. Цель этой книги не забросать вас уравнениями, а помочь понять.

Некоторые главы потребуют от читателя истинного умственного усилия. Каждый поймет кое-что, но никто не поймет все! В этой области знания сама идея понимания представляется зыбкой и размытой. Тем не менее, я уверен, что каждый может, пусть лишь частично, понять концептуальную революцию, которая происходит прямо на наших глазах, и получить удовольствие от этого понимания. Просто примите, что не все будет очевидно, и, конечно, не стоит исходить из распространенного мнения, что понять физику – безнадежное дело.

Если какая-то часть повествования покажется вам слишком сложной, просто продолжайте читать. Скорее всего, продолжение внесет ясность. А может быть, это один из трудных моментов, которые я приберег для коллег-физиков, чтобы им тоже было интересно читать эту книгу. При необходимости возвращайтесь назад и перечитывайте те отрывки, которые вызывали сложности. Ведь важно получить общее представление, а не разобрать все досконально. В итоге однажды вы с удивлением обнаружите, что многое из квантовой физики можно понять, не прибегая к математике!

Квантовая физика всегда была предметом пространных объяснений и путаных философских трактатов. Единственный способ не попасть в эти ловушки – руководствоваться здравым смыслом. Ведь что такое эксперимент? Это вопрос, который ученые задают окружающей действительности. Физик решает, какой вопрос и когда задать. Получив ответ, в виде, к примеру, появившегося красного огонька, он не задается вопросом, красный ли огонек на самом деле и не является ли он иллюзией того или иного рода. Ответ: «красный», и точка.

Читатель увидит, что одни и те же истории всплывают в разных главах книги. Мой учительский опыт говорит, что повторение важных вещей в разных контекстах очень полезно. Ведь моя книга не претендует на историческую точность. Любые замечания относительно моих знаменитых предшественников отражают лишь мои личные впечатления, приобретенные за более чем тридцать лет профессиональной работы в качестве физика.

Введение

В самом нежном возрасте каждый узнает, что существует лишь две возможности взаимодействовать с чем-то, до чего никак не дотянуться рукой. Нужно или переместиться в сторону объекта, то есть подползти к нему, как это делают младенцы, или найти какой-нибудь длинный предмет вроде палки, который позволит расширить пределы досягаемости. Позже мы открываем для себя более сложные механизмы, которые можно использовать, к примеру письмо можно опустить в почтовый ящик. Его заберет почтальон, служащий на почте положит его в нужную стопку, потом грузовик, поезд или самолет перевезет письмо в нужный город, и в итоге оно будет доставлено к двери человека, имя которого обозначено на конверте. Интернет, телевидение и многие другие примеры, с которыми мы сталкиваемся каждый день, говорят нам, что в итоге любое взаимодействие и коммуникация между двумя пространственно разделенными объектами распространяется непрерывно, от точки к точке, посредством некоторого механизма. Этот механизм может быть сложным, но всегда следует непрерывной траектории, которую, по крайней мере теоретически, можно проследить в пространстве и времени.