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

На первый взгляд, исключить такое объяснение кажется невозможным. В лучшем случае мы можем провести новые эксперименты вроде того, что описан в главе 9 и устанавливает нижний предел скорости распространения этого гипотетического воздействия. Но мы можем быть умнее.

Действительно ли существование воздействий, распространяющихся быстрее света, обязательно влечет за собой возможность коммуникации со сверхсветовой скоростью? Ведь можно представить себе, что такие воздействия навсегда останутся скрытыми. Это звучит не слишком хорошо с точки зрения физики, но естественно предположить, что пока физики не могут контролировать эти гипотетические воздействия, они не смогут и использовать их для сверхсветовой коммуникации.

Удивительно, но этой простой гипотезы, согласно которой мы не способны на коммуникацию со скоростью выше скорости света, если не можем контролировать это воздействие, достаточно для доказательства того, что такие воздействия не могут существовать! Этот результат получили во время написания этой книги мой студент Жан-Даниэль Банкаль, малайзийский постдок Йонг-Ченг Лянг, трое моих бывших коллег – Стефано Пироньо из Брюсселя, Антонио Ачин из Барселоны и Валерио Скарани из Сингапура – и я. Это была кульминация большого приключения, которое началось более десяти лет назад. Не удивляйтесь, что это будет трудно понять, ведь даже у нас это заняло столько времени. Я постараюсь обобщить наши разработки, но вы можете сразу перейти к выводам. Просто поймите, что даже само предположение о воздействиях, распространяющихся на сколь угодно больших, но конечных скоростях, быстрее скорости света, но тем не менее конечных, – даже эту экстремальную гипотезу можно опровергнуть. Природа совершенно точно нелокальна.

Гипотеза сверхсветовых воздействий может воспроизвести все экспериментальные результаты между двумя партнерами, например нашими друзьями Алисой и Бобом. Так как мы не можем обеспечить идеальную синхронизацию в эксперименте, мы всегда можем предположить, что эти взаимодействия распространяются достаточно быстро, чтобы успеть скоррелировать два события. С тремя партнерами вопрос остается открытым[107]. Но с четырьмя партнерами, назовем их A, B, C и D, мы нашли такой довод. Представим, что в привилегированной системе отсчета первой производит измерение A, затем D, а потом и почти одновременно – B и C, так что воздействие от А успевает дойти до всех трех партнеров, а воздействие от D успевает дойти до B и C, но B и C не могут повлиять друг на друга. В этой конкретной ситуации корреляции ABD и ACD получаются такими же, как предсказывает квантовая теория в соответствии с предположением о скрытом воздействии. Однако корреляция B и C локальна. Нам удалось найти удивительное неравенство[108], которому удовлетворяют все четырехсторонние корреляции при условии, что корреляция BC является локальной, и которое не может быть использовано для коммуникации без передачи. Более того, это неравенство содержит только члены, основанные на корреляции между ABD и между ACD. Каждая из этих троек взаимосвязана гипотезой о скрытом воздействии, к примеру A влияет на D, которая влияет на B. Следовательно, в описанной выше конфигурации любая модель, использующая скрытые воздействия, распространяющиеся с конечной скоростью, выдает то же значение, что и квантовая теория для этого неравенства. Но квантовое предсказание нарушает наше неравенство, поэтому мы можем сделать вывод, что любая модель, содержащая скрытые воздействия, распространяющиеся с конечной скоростью, с необходимостью производит корреляции, позволяющие сверхсветовую коммуникацию.

Результат, обрисованный выше, завершает инициированную Джоном Беллом программу по объяснению квантовых корреляций через принцип непрерывности, согласно которому всё распространяется непрерывно из одной точки пространства в следующую. Рис. 10.1 иллюстрирует эту программу. Еще раз: неизбежный вывод состоит в том, что удаленные события соединены неким разрывным образом, и природа действительно нелокальна.

Заключение

Вот мы и подошли к концу книги. Как я предупреждал, вы поняли не всё. Никто не знает, почему квантовая физика нелокальна. С другой стороны, вы поняли, что природа недетерминистична и что она способна на подлинный акт творения. Другими словами, она может создавать истинно случайные события. Кроме того, раз мы подхватили идею, что эти события нередуцируемо случайны и не предопределены какой-то скрытой от нас силой, мы понимаем, что ничто не может помешать этой случайности проявиться в нескольких местах одновременно, при этом не подразумевая какой-либо коммуникации между этими местами.

Эти места не произвольны – они должны сначала быть запутаны. Запутанность переносится квантовыми объектами, такими как фотоны или электроны. Эти объекты движутся с конечными скоростями, меньшими или равными скорости света. В этом смысле понятия расстояний и пространства по-прежнему значимы, несмотря на то что нелокальная случайность может возникать в двух произвольно далеких друг от друга местах.

В этой книге я сказал, что нелокальные корреляции, кажется, появляются извне нашего пространства и времени – в том смысле, что ни одна происходящая в нашем мире история не может объяснить, как природа производит такие корреляции. В сущности, верно, что ни одна обычая история, рассказывающая нам, как предметы и события могут влиять друг на друга, двигаться и распространяться непрерывно из точки в точку, не может объяснить нам появление нелокальных корреляций. Но разве это значит, что физики должны оставить попытки понять природу? Я всегда удивляюсь, что многие ученые не особенно обеспокоены этим вопросом. Им достаточно того, что они могут провести все необходимые расчеты. Может быть, эти физики скажут, что компьютеры понимают природу?

А ведь для науки всегда был характерен поиск хорошего объяснения.

До открытия квантовой физики все корреляции, которые были предсказаны и наблюдались наукой, объяснялись причинно-следственными цепочками, которые непрерывно распространялись из точки в точку, то есть посредством локальных аргументов. Все эти доквантовые объяснения также отмечены детерминизмом. В принципе все определяется исходными условиями. Хотя на практике часто невозможно проследить все детали детерминистических причинно-следственных связей, физики никогда не сомневались в их существовании. Однако квантовая физика заставляет нас сформулировать новый вид хорошего объяснения для нелокальных корреляций.

Как мы можем объяснить нелокальность? Это было бы невозможно с нашими доквантовыми концептуальными инструментами, поэтому нам нужно больше инструментов. Один из способов – это говорить о нелокальной случайности, производимой запутанными объектами.

Представьте себе виртуальную игральную кость, примерно как те PR-приборы, которые мы обсуждали в главе 10. Ее может «бросить» как Алиса, так и Боб, а случайный результат получают они оба. Бросок этой нелокальной кости делает Алиса по своему выбору или Боб по своему выбору, чтобы провести измерение, путем отклонения джойстика на приборе Алисы или на приборе Боба. Говоря чуть более формально, случайный процесс может быть инициирован либо Алисой, которая решает сделать выбор x, либо Бобом, который решает сделать выбор y. Результаты a и b случайны, но они гарантированно соотносятся друг с другом так, что удовлетворяют основной корреляции игры Белла, выраженной в уравнении a + b = x × y. Если мы допускаем такое объяснение, то мы можем понять нелокальность, так же как мы в конце концов поняли всемирное тяготение, приняв утверждение, что все массы, и в частности люди, притягиваются к Земле. Естественно, когда дело доходит до всемирного тяготения, у нас есть знакомая аналогия с магнитом на холодильнике. Если квантовая криптография когда-нибудь станет столь же обычна, мы сможем сказать своим детям: «Понимаешь, нелокальность – это так же как квантовая криптография. Алиса не посылает тайный ключ Бобу, Боб не посылает тайный ключ Алисе, но Алиса и Боб, будучи разделенными огромным расстоянием, вместе производят тайный ключ, который материализуется одновременно у каждого из них».

Единственный ли это способ объяснить нелокальную случайность? Некоторые предпочитают говорить об обращении причинной связи, в том смысле, что выбор Алисы действует назад во времени на источник запутанности, который в свою очередь действует вперед во времени на квантовую систему Боба. То есть обратная причинная связь действует назад во времени, в прошлое. Она распространяется из одной точки в другую сквозь пространство, но при этом по направлению к прошлому. Лично я не сомневаюсь, что нелокальность, как и теория относительности, является источником некоторых сложностей для привычной нам концепции времени, но вывести отсюда хронологически обращенную причинную связь, которая развивается обратно во времени, представляется весьма радикальным шагом.