«Господь изощрён, но не злонамерен» (Альберт Эйнштейн)
«Неужели возможно, что природа так безумно запутана?» (Вернер Гейзенберг)
«Запутанность — это не просто одна из особенностей, а скорее определяющая характеристика квантовой механики, та, что заставляет нас полностью отойти от классического способа мыслить» (Эрвин Шрёдингер)
В 2022 г. Алан Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике «за эксперименты с запутанными фотонами, установившие нарушение неравенств Белла и положившие начало квантовой информатике». О важности этого события много говорили журналисты и популяризаторы науки, привлекая внимание громкими заявлениями о «доказательстве нелокальности», «второй квантовой революции» и о том, что «Эйнштейн был неправ». Но подавляющее большинство людей как не понимало, так и не понимает, о чём вообще идёт речь. На этой почве процветает квантовый мистицизм, распространяющий ошибочные представления о квантовой запутанности как о свойстве макроскопических объектов. Также пользуются популярностью конспирологические теории о том, что «учёные снова пытаются нас запутать» и на самом деле мир устроен намного проще. К сожалению, реальность не так проста, как нам хотелось бы, а наш мозг не был заточен эволюцией на понимание квантовой механики. Но я всё же попробую объяснить квантовую запутанность простыми словами без страшных формул.
Английское слово entanglement переводится на русский как «запутанность», но иногда встречается более удачные термины «спутанность», «перепутанность», «связанность» и «сцепленность». Квантовая запутанность – одно из самых странных и трудных для понимания явлений микромира. Это особая связь двух и более частиц, необъяснимая с точки зрения классической физики. Она напрямую следует из принципа квантовой неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно точно измерить координату частицы и её импульс или спин частицы и её поляризацию. Если частицы взаимодействовали или образовались в результате одного квантового события, их уже нельзя описать по отдельности, поскольку измерение состояния одной из них определяет результат измерения состояния другой, даже когда их разделяют световые годы. Это ставит под сомнение как минимум два фундаментальных физических принципа – реализма и локальности. Неужели физики доказали, что наша Вселенная нелокальна или нереальна?
Ни одна аналогия из классической физики не может точно передать смысл квантовой запутанности. Ирландский физик Джон Белл в своё время придумал аналогию «носки Бертлманна», заметив, что его коллега приходит на работу в носках разного цвета. Заранее предсказать цвет носков было невозможно, но если вы видели на левой ноге розовый носок, то вы точно знали, что на правой носок будет каким угодно, только не розовым. Сейчас о цвете носков уже не вспоминают, зато в интернете популярна формула «как только вы надеваете один носок на левую ногу, второй автоматически становится правым». Конечно, это очень упрощённый пример, но он хорошо показывает, что носок является симметричным, т.е. находится в суперпозиции правого и левого состояний, пока вы его не наденете. Но здесь всё же может возникнуть сомнение: а вдруг носки изначально знают, какой из них левый, а какой правый? В таком случае лучше заменить носки перчатками: допустим, кто-то отправил вам одну перчатку из пары, а вашему другу – другую. Открывая посылку, вы находите левую перчатку и сразу узнаёте, что у вашего друга – правая. Но от вашего измерения здесь ничего не зависит, перчатки изначально были правой и левой.
Именно в этом направлении мыслили Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен, когда формулировали знаменитый ЭПР-парадокс. В 1935 г. они написали совместную статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой подвергли сомнению фундаментальность принципа неопределённости Гейзенберга и выступили против копенгагенской интерпретации Нильса Бора и Макса Борна. Это была одна из самых жарких дискуссий в истории науки. Сторонники Эйнштейна считали, что реальность вполне определённа и детерминирована, несовершенны лишь наши модели и методы её познания. Сторонники Бора настаивали, что от инструментов познания ничего не зависит, поскольку реальность в принципе невозможно определить до конца – она подчиняется только вероятности. Но такой подход был слишком радикальным, чтобы все сразу его приняли. В переписке с Бором Эйнштейн придумал знаменитую фразу «Бог не играет в кости», а Бор ответил не менее знаменитым «не указывайте Богу, что ему делать». Впоследствии Эйнштейн написал:
«Вы верите в бога, играющего в кости, я – в полный закон и порядок в мире, который существует объективно и который я чисто умозрительным путём пытаюсь охватить. Я твёрдо верю, но надеюсь, что кто-нибудь откроет более реалистичный подход или более приемлемую основу, чем удалось сделать мне. Даже огромный успех, выпавший вначале на долю квантовой теории, не убеждает меня в том, что в основе всего лежит игра в кости, хотя я отчётливо сознаю, что Ваши более молодые коллеги сочтут это проявлением старческого возраста».
Кстати, словосочетание «жуткое дальнодействие» (spooky action at a distance) Эйнштейн придумал в 1947 г. в переписке с Максом Борном, имея в виду мгновенный коллапс волновой функции при измерении частицы экраном в опыте Юнга. По его мнению, волновая функция с одной стороны экрана не может «знать», что частица оставила след на другой стороне экрана. Впоследствии «жутким дальнодействием» стали называть именно квантовую запутанность, а нелокальность измерения объяснили тем, что коллапс волновой функции – не физический процесс, а всего лишь обновление вероятностей с точки зрения наблюдателя.
Эйнштейн считал, что квантовая механика – всего лишь приближённая модель, которая не может полностью описать состояние системы и точно предсказать результаты измерений проекции спина электрона. По его мнению, вероятности отражали только несовершенство наших измерительных приборов, на самом же деле значения спина были заранее детерминированы. Критикуя принцип неопределённости Гейзенберга, он привёл мысленный эксперимент с двумя частицами, образовавшимися вследствие распада третьей. Зная импульс исходной частицы и измерив импульс одной частицы из пары, мы получим информацию об импульсе второй частицы. Далее таким же образом можно узнать координату второй частицы, и тогда у нас будет полная информация о её состоянии, что нарушает принцип неопределённости. В другом варианте эксперимента можно приготовить два запутанных электрона, у которых полный спин равен 0. Спин измеряется двумя разными способами (вдоль оси X или вдоль оси Y) и принимает значение ½ или -½. Измерив направление спина первой частицы вдоль оси X, мы сразу узнаем направление спина второй частицы вдоль оси Y. Но, если принцип локальности остаётся в силе, квантовое состояние второй частицы ещё не разрушено. Измерив его вдоль оси Y, мы сразу же узнаем, что направление спина первой частицы противоположно. В итоге у нас есть проекция спина первой частицы на обе оси, что опять противоречит принципу неопределённости.
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена остаётся в силе до тех пор, пока мы строго придерживаемся двух основополагающих физических принципов: локальности и реализма. Принцип локальности (близкодействия) означает, что частицы взаимодействуют только путём прямого столкновения или посредством обмена другими частицами, скорость движения которых ограничена скоростью света. Нельзя просто так взять и мгновенно переместиться из одного места в другое. Принцип реализма в понимании физиков предполагает, что частицы наделены свойствами, которые существуют объективно до измерения, а при измерении можно определённо сказать, какое состояние было фактически получено, а какое – нет. Но ЭПР-парадокс разрешается, если отказаться от одного из этих принципов или хотя бы признать, что он не универсален. В первом случае можно допустить, что измерение состояния одной частицы мгновенно изменяет состояние второй, но это противоречит специальной теории относительности, запрещающей передачу информации со сверхсветовой скоростью. Во втором случае придётся признать, что реального направления спина не существует до измерения, есть только вероятность обнаружить частицу с определенной проекцией спина. Эйнштейн не мог согласиться ни с тем, ни с другим. По его мнению, запутанные частицы не могли находиться в суперпозиции, а должны были обладать скрытыми параметрами, то есть заранее «знать», какое у каждой из них будет состояние при измерении. Также теория скрытых параметров подразумевает наличие у частиц непрерывных траекторий.
Чтобы доказать, что будущее поведение запутанных частиц предопределено ещё до их разделения, Эйнштейн, Подольский и Розен предложили найти способ, как измерить скрытые параметры частицы косвенным путём, без воздействия на неё. При жизни Эйнштейна парадокс так и не был разрешён, поскольку никто не знал, как реализовать мысленный эксперимент на практике. Но в 1964 г. Джон Стюарт Белл вывел неравенства со скрытыми параметрами, нарушение которых в реальных экспериментах показало бы несовместимость принципов локальности и реализма. Он установил верхний предел силы корреляций между измерениями, при котором стандартная квантовая теория и теория скрытых параметров давали бы одинаковые предсказания. Последующие эксперименты Клаузера-Фридмана (1972) и Алана Аспе (1982) показали нарушение неравенств Белла. Это означало, что скрытых параметров действительно не существует до измерения, или наш мир нелокален и состояния запутанных частиц могут меняться быстрее скорости света. Последнее казалось более невероятным, поскольку с момента публикации Эйнштейном СТО в 1905 г. ни один эксперимент не опроверг аксиому о постоянстве и непреодолимости скорости света.
Большинство экспериментов по проверке неравенств Белла выглядит следующим образом. Сначала генерируется пара запутанных частиц, о которых известно, что их общий спин равен 0. Спин – это квантовое свойство, которое с большой натяжкой сравнивают с классическим моментом импульса. Главное, что он может принимать только дискретные значения: условно «вверх» или «вниз». Чтобы подтвердить нелокальную связь между запутанными частицами, их разносят по двум лабораториям, расположенным на большом расстоянии друг от друга. В каждой лаборатории есть магниты, которые определяют значение спина: частица с положительным спином полетит к северному полюсу, а с отрицательным – к южному. И если измерение одной из частиц показывает направление спина «вверх», то у второй автоматически получится «вниз». Но это не исключает возможность предварительного «сговора» запутываемых частиц о том, что у одной спин будет направлен «вверх», а у другой – «вниз». Чтобы исключить и такой вариант, учёные из обеих лабораторий вращают свои магниты и случайным образом выбирают три оси, вдоль которых измеряют спины. Если оба датчика стоят вертикально, одна частица отклоняется вверх, другая – вниз. Если датчики стоят горизонтально, одна частица отклоняется вправо, другая – влево. Если же датчики повёрнуты под углом 90° друг к другу (один вертикально, другой горизонтально), никаких корреляций не наблюдается. В итоге электроны не могут заранее договориться о направлениях, потому что их не знают заранее даже сами исследователи.
В другой версии эксперимента, проведённой Аланом Аспе в 1982 г. в научно-техническом центре Париж-Сакле, учёные измеряли поляризацию (направление колебаний электрического поля) двух запутанных фотонов. Поляризация может быть вертикальной, горизонтальной и диагональной (+45° или -45°). Сложение в равных пропорциях вертикальной и горизонтальной поляризаций даёт +45°, вычитание – -45°. Изначально оба фотона находятся в суперпозиции четырёх состояний. Затем они проходят через поляризаторы, то есть происходит измерение. Если у одного фотона вы измеряете вертикальную поляризацию, значит, у второго она автоматически будет горизонтальной. Но второй наблюдатель также может посмотреть в диагональном базисе, и он с равной вероятностью обнаружит +45° или -45°. Если же вы измерите диагональную поляризацию и получите +45°, то будете точно знать, что у второго наблюдателя -45°. Это подтверждает, что до момента независимого измерения состояния каждой частицы их можно описать только вероятностями.
Нарушение неравенств Белла в экспериментах Клаузера и Аспе ещё не означало, что на детерминизме можно поставить крест. Учёные нашли множество других «лазеек», каким образом запутанные фотоны могут заранее «договориться», какие им принимать значения спина, вплоть до гипотезы предопределённости выбора учёными оси измерения. Но все эти лазейки были закрыты одна за другой. Самым важным этапом стал эксперимент Антона Цайлингера, проведенный в 1998 г. в Институте экспериментальной физики Инсбрукского университета в Австрии с целью исключить т.н. лазейку выборки. В нём тоже использовались запутанные фотоны, но их пролёт длился гораздо дольше по времени, а измерение осуществлялось на основе истинно случайных чисел независимыми детекторами, синхронизированными по атомным часам. В 2015 г. независимые группы в Делфтском технологическом университете, Венском университете и Национальном институте стандартов и технологий (NIST) провели три эксперимента, устранив сразу несколько лазеек. Последние эксперименты в этом направлении должны были подтвердить истинную случайность измерения.
В 2016 г. в ходе «Большого эксперимента Белла» в 12 лабораторий на пяти континентах были направлены случайные числа, полученные на основе результатов онлайн-игры, в которую сыграли 100000 добровольцев. Все 13 поставленных экспериментов показали нарушение локального реализма, причём в экспериментах запутывались не только фотоны, но и одиночные атомы, группы атомов и даже сверхпроводящие устройства. В 2018 г. международная команда провела ещё один эксперимент, используя в качестве генераторов случайных чисел спектральные данные от двух квазаров, один из которых образовался 8 млрд лет назад, другой – 12 млрд лет назад. Неравенства Белла снова были нарушены, хотя квазары могли обменяться информацией не позже 7.8 млрд лет назад. После этого в теорию скрытых параметров продолжают верить только супердетерминисты и конспирологи, готовые признать, что эти скрытые параметры управляют действиями 100000 игроков со всех уголков планеты и что результат эксперимента был предопределён ещё на ранней стадии формирования Вселенной.
Когда физики окончательно разрешили спор Эйнштейна с Бором в пользу Бора, подтвердив тем самым правоту квантовой теории в целом, вокруг квантовой запутанности стали возникать всевозможные псевдонаучные спекуляции. На этот феномен ссылаются, чтобы доказать возможность обмена информацией быстрее скорости света, квантовой телепортации на другие планеты, путешествий во времени, юнговских синхроничностей и влияния на реальность силой мысли. Кто-то понимает запутанность как универсальную нелокальную связь всего со всем, подтверждающую голографическую природу Вселенной или существование других измерений. А кто-то верит в квантовую запутанность между «родственными душами» как основу телепатии. Эти заблуждения широко распространены до сих пор, хотя наука в вопросах квантовой запутанности уже давно расставила все точки над «i». Рассмотрим по пунктам, что является правдой, а что – мифами.
Миф №1. Сверхсветовая коммуникация. Квантовая запутанность не противоречит специальной теории относительности, потому что никакая информация быстрее скорости света не передаётся. Результат измерения одной частицы – это исключительно вопрос вероятности, вы не можете его заранее предсказать. Если Алиса отправит Боба с одной из запутанных частиц на Марс и проведёт измерение на Земле, она сможет точно узнать, что Боб получит результат, противоположный её результату. Но для Боба результат измерения будет непредсказуемым, если он не получит от Алисы сигнал, распространяющийся со скоростью света. В таком случае он узнает о результате Алисы, а Алиса о результате Боба – нет, пока Боб не отправит ей ответный световой сигнал. Так что межпланетной сверхсветовой коммуникации не получится. Но возможна квантовая телепортация, то есть передача состояния одной из двух запутанных частиц третьей частице.
Миф №2. Мгновенное дальнодействие. Со слов некоторых популяризаторов можно подумать, что измерение одной частицы мгновенно и независимо от расстояния определяет состояние другой. То есть вторая частица приобретает определённые свойства ещё до того, как её измерит Боб. Это невозможно, поскольку в квантовой механике частица в принципе не обладает определёнными свойствами до измерения. Суть в том, что результаты измерений двумя наблюдателями оказываются скореллированными, а вопрос «кто из них провёл измерение первым?», не имеет смысла. В СТО это называется относительностью одновременности в зависимости от системы отсчёта. Всегда можно найти такую систему отсчёта, в которой одно измерение происходит раньше, другое – позже.
Миф №3. Запутанность сохраняется навсегда. Нет. Квантовая запутанность – явление одноразовое, поэтому магический принцип «однажды в контакте – всегда в контакте» не работает. Нелокальная связь между частицами разрушается в результате измерения или взаимодействия хотя бы одной частицы с чем-то ещё. Это следует из фундаментальной теоремы о запрете клонирования квантового состояния. Наблюдатель может провести измерение только один раз, иначе он мог бы получить любое количество копий запутанной частицы, измерить спин каждой из них и посмотреть на статистическое распределение результатов. Соответственно если кто-то по пути перехватит частицу и измерит её, он тем самым прервёт связь. Это может происходить и случайно в результате взаимодействия запутанных частиц с окружением – декогеренции.
Миф №4. Запутанность макрообъектов. Стабильная квантовая запутанность возможна только для изолированных систем, состоящих из небольшого количества частиц. Не стоит рассчитывать получить и поддерживать запутанные частицы в такой хаотичной среде, как земная атмосфера или живой организм. Запутанность естественно возникает повсюду, но всего лишь на доли секунды. Сохранить её на более длительное время получается только в лабораторных условиях, в вакууме и при температурах, близких к абсолютному нулю. Разумеется, ни о каком целенаправленном запутывании макроскопических объектов не может быть и речи. Максимум, чего удалось достичь учёным – это ненадолго запутать колебательные состояния двух миллиметровых алмазов при комнатной температуре. Однако исследования квантовых биологов показывают, что квантовая запутанность поддерживается в сине-зелёных водорослях и в клетках фотосинтезирующих растений достаточно долго, чтобы запускать необходимые химические реакции.
Миф №5. Редкость квантовой запутанности. На самом деле всё наоборот: абсолютное большинство частиц во Вселенной находятся именно в запутанном (смешанном) состоянии, а незапутанные (чистые) состояния – редкое исключение. Запутанность возникает при каждом столкновении частиц, при распаде одной частицы на две или при расщеплении лазерного потока в нелинейном кристалле, запутанными являются электроны и ядра атомов. Но запутанность двух частиц разрушается, если хотя бы одна из них взаимодействует с окружающей средой, т.е. запутывается с чем-то другим.
Миф №6. Запутанность можно обнаружить, измерив одну частицу. Нет. Запутанность не является наблюдаемой величиной. Невозможно, измерив одну частицу, определить, запутана она с другой или нет. Чтобы обнаружить, что частицы запутаны, наблюдатели должны заранее договориться, что они будут проводить измерение каждый со своей стороны, и сверить результаты после измерения.
Миф №7. Нелокальная связь всего со всем. Запутанность двух частиц никак не затрагивает частицы вокруг этой пары, т.е. принцип нелокальности действует избирательно. В большинстве случаев запутанность возникает между двумя частицами одного типа, но в квантовых компьютерах создаётся запутанность трёх и более частиц, а в некоторых экспериментах удавалось запутать частицы разных типов или частицы и античастицы. Нелокальная связь запутанных частиц никак не зависит от расстояния, поэтому не может считаться особым видом взаимодействия. Как известно, гравитационное и электромагнитное взаимодействия убывают пропорционально расстоянию, а сильное и слабое взаимодействия сначала растут по мере увеличения расстояния, а потом исчезают.
Чтобы у вас не осталось иллюзий по поводу предопределённости и голографической «связи всего со всем», процитируем французского физика Николя Жизана. В книге «Квантовая случайность», сравнивая западную и восточную философию, он пишет:
«Прошло несколько веков, прежде чем атомистический взгляд на мир утвердился в Европе… В то же время в Китае этот взгляд на мир не нашел поддержки в
интеллектуальных кругах. Им казалось, что в мире, полном пустоты между атомами, мы бы не видели и не слышали, так как восприятие наших органов чувств подавлялось бы пустым пространством. Очевидно, что в древней китайской метафизике действие на расстоянии было вполне естественным и было свойством вселенской гармонии, которая связывала всё со всем. Квантовая физика не поддерживает такой холистический взгляд на мир. В квантовой физике не все запутано со всем и лишь некоторые редкие события коррелируют нелокальным способом. Кроме того, повторюсь, не существует причины, которая, находясь здесь, воздействовала бы на событие где-то там. Запутанность — это род «вероятностной причины», следствия которой могут проявиться в нескольких местах, не позволяя коммуникации на расстоянии. Запутанность определяет естественную склонность объектов производить те или иные коррелированные ответы на определенные вопросы. Эти ответы не предопределены, не записаны в состоянии объекта. Это просто записанная в самом состоянии объекта склонность выдавать такой-то и такой-то результат»
Также не следует понимать нелокальность как универсальный принцип, нарушающий запрет движения быстрее скорости света.
«природа недетерминистична и … 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 далёких друг от друга местах».
В 2016 г. Даниэла Фраухер и Ренато Реннер предложили расширенный вариант мысленного эксперимента «друг Вигнера» с двумя «вигнерами» и двумя «друзьями», каждый из которых измеряет одну из пары запутанных частиц. Учёные проанализировали, как бы эти персонажи рассуждали о результатах измерений друг друга, и пришли к выводу, что квантовая механика в нынешнем виде «не может последовательно описать использование самой себя», и что её «нельзя экстраполировать на сложные системы, по крайней мере, прямым способом». Проблема в том, что в некоторых случаях два друга не смогут прийти к согласию с двумя вигнерами о результатах измерений. То есть наблюдатели получают результаты измерений, которые не согласуются друг с другом. Такое возможно только при условии, что измерение не является физическим процессом. Кроме того, Фраухер и Реннер показали, что «одномировые интерпретации квантовой теории не могут быть самосогласованными». В 2018 г. Кацлав Брукнер вывел теорему о запрете фактов, независимых от наблюдателя. Если сравнивать утверждения различных наблюдателей в единой, независимой от наблюдателя, системе отсчёта, они будут противоречить друг другу.
В 2019 г. группа учёных из Эдинбурга проверила вывод экспериментально, используя в качестве «друзей» одиночные фотоны, а в качестве «вигнеров» - фотодетекторы. По итогам этих экспериментов в 2020 г. была сформулирована ещё одна теорема о запрете (no-go theorem), согласно которой одно из трёх утверждений ошибочно:
1) Отсутствие супердетерминизма (свобода выбора)
2) Локальность (близкодействие)
3) Абсолютность наблюдаемых событий (объективность результатов измерения)
Данная теорема вынуждает нас выбирать из трёх зол меньшее:
1) Супердетерминизм (асимметрия времени)
2) Нелокальность («жуткое дальнодействие»)
3) Относительность наблюдаемых событий (контрфактическая неопределённость)
Примечание: контрфактической определённостью (CFD) называют возможность осмысленно говорить о результатах измерений, которые не были получены, и рассматривать их наравне с фактическими результатами в статистических расчётах.
Каждая интерпретация квантовой механики решает эту трилемму по-своему. Копенгагенская интерпретация выбирает контрфактическую неопределённость, т.е. признаёт субъективность результатов измерения и вероятностную природу коллапса волновой функции. Многомировая интерпретация делает то же самое, хотя она даже фактически неопределённа и оспаривает сам постулат о коллапсе волновой функции. В некотором смысле ММИ обходит трилемму, допуская своего рода недо-реализм (волновая функция реальна, а результаты измерения субъективны), недо-локальность (корреляции между объектами из параллельных вселенных) и недо-детерминизм (детерминирован весь Мультивёрс, а не наблюдаемая вселенная). Обе интерпретации не считают нелокальность физически реальной и рассматривают корреляции между запутанными частицами как возможность наблюдателю моментально получать знание о том, что происходит в другом месте. Супердетерминизм сохраняет принципы локальности и реализма ценой полного отказа от свободы воли и независимости измерений, но в таком случае приходится признать, что природа может «заставлять экспериментаторов измерять то, что она хочет, и когда она хочет, скрывая то, что она не хочет показывать физикам». Некоторые интерпретации, как теория волны-пилота де Бройля-Бома, выбирают нелокальность как реальное свойство пространства-времени, допуская мгновенный обмен информацией между запутанными частицами. Однако все интерпретации квантовой механики сходятся в том, что запутанность создаёт корреляцию между измерениями и что у неё есть большой потенциал применения в квантовых коммуникациях, несмотря на запрет передачи информации на сверхсветовых скоростях.
Хотя… а что, если квантовую запутанность всё-таки можно использовать для сверхсветовых перемещений в пространстве-времени? Согласно гипотезе ER=EPR-дуальности, выдвинутой Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 г., запутанность двух частиц (ЭПР-парадокс) в квантовой теории дуальна микроскопической червоточине в пространстве-времени (мосту Эйнштейна-Розена) в общей теории относительности. Если бы речь шла о запутанных чёрных дырах, то два наблюдателя, пересёкшие горизонт событий каждый со своей стороны, встретились бы внутри чёрной дыры, даже если бы их разделяли световые годы. Разумеется, выбраться они бы не смогли, поскольку белых дыр в нашей вселенной не существует. Но на практике реализовать это всё равно невозможно, поскольку запутанность сохраняется только между чёрными дырами планковских размеров. Кроме того, невозможности наблюдать запутанность соответствует невозможность определить присутствие червоточины, соединяющей две черные дыры. Проще говоря, даже если гипотеза ER=EPR-дуализма верна, определить, является ли чёрная дыра входом в червоточину, невозможно, и для вас это всё равно будет путь в никуда.
Что касается сторонников теории де Бройля-Бома, рассматривающих запутанность как доказательство нелокальности и голографической природы Вселенной, то в чём-то они могут оказаться правы. Квантовую запутанность можно объяснить, рассматривая две частицы как одну, существующую в разных местах одновременно. Здесь нельзя не вспомнить гипотезу о Вселенной одного электрона, однажды предложенную Джоном Уилером в телефонном разговоре с Ричардом Фейнманом. Речь шла о том, что все электроны могут быть одним и тем же электроном со сложной самопересекающейся мировой линией в четырёхмерном пространстве-времени. Тогда вполне можно утверждать, что электроны являются всего лишь голографическими проекциями одного-единственного электрона, записанного на некой голографической пластинке. Но пока более удачной моделью описания реальности считается квантовая теория поля, которая характеризует отдельные электроны как локальные возмущения единого электронного поля.
Следующий шаг – создание квантовой теории гравитации, где запутанность, вероятно, будет играть ключевую роль. Сейчас большинство физиков-теоретиков, работающих над этой проблемой, склоняются к мысли, что геометрия пространства, времени и гравитации определяется именно запутанностью. В 1983 г. Дон Пейдж и Уильям Вуттерс нашли решение уравнения Уилера-ДеВитта, выведенного ещё в 60-х гг. в попытке объединить общую теорию относительности и квантовую механику, полностью исключив время. Пейдж и Вуттерс предложили рассматривать время как побочный продукт квантовой запутанности, помещающий все одинаковые показания часов (или любых объектов, которые можно использовать в качестве часов) в одну и ту же непротиворечивую историю. Позже, когда Хуан Малдасена сформулировал в рамках теории струн AdS/CFT-дуальность, Марк ван Рамсдонк выдвинул гипотезу, что четырёхмерное пространство-время является эмерджентным феноменом квантовых степеней свободы, которые запутаны между собой и записаны на трехмерной границе этого пространства-времени. Возможно, будущая теория квантовой гравитации покажет, что все наши представления о Вселенной неверны и что на самом деле она устроена совсем по-другому.
Таким образом, ЭПР-парадокс оказался вовсе не парадоксом, а фундаментальным свойством нашего мира. За последние 40 лет физики убедительно доказали, что между разнесёнными в пространстве запутанными частицами (фотонами, электронами и даже атомами) возможны нелокальные корреляции, как если бы две частицы были одной. На первый взгляд эти корреляции нарушают постулат специальной теории относительности о невозможности превысить скорость света. Но в действительности квантовая запутанность не противоречит СТО, поскольку с её помощью невозможно передать никакую информацию быстрее скорости света. Однако запутанность исключает существование у частиц скрытых параметров и требует одного из двух: отказаться от принципа локальности, согласно которому связь между удалёнными объектами возможна только при непосредственном взаимодействии, или отказаться от принципа реализма и признать, что свойства частиц не существуют до момента измерения. Это отнюдь не означает нелокальную связь всего со всем, реальность путешествий со сверхсветовой скоростью или отсутствие объективной реальности вне сознания наблюдателя. Квантовая запутанность – явление очень хрупкое и одноразовое. Тем не менее, исследователи с каждым годом разносят запутанные частицы на всё бОльшие расстояния, поддерживают запутанность на дольшее время и запутывают всё большее количество частиц, что открывает широкие перспективы применения запутанности в сфере квантовых коммуникаций. О квантовых вычислениях и квантовой телепортации я расскажу в следующей статье.
