Запутанность — одно из самых известных и самых неверно понимаемых явлений микромира. О ней говорят как о «мгновенной связи всего со всем» и основе телепатии. Физический смысл скромнее, но и интереснее: это особый вид согласованности между частицами, у которого нет аналога в обычной жизни.
Спор, из которого выросло открытие
В 1935 году Альберт Эйнштейн с двумя соавторами опубликовал статью с мысленным опытом. Из уравнений квантовой механики следовало, что две частицы, однажды провзаимодействовав, могут оказаться в общем состоянии: свойства каждой по отдельности не определены, но связь между ними задана точно. Измерив одну, мы сразу знаем, что покажет измерение другой, как бы далеко она ни находилась.
Эйнштейну это казалось признаком неполноты теории. Он полагал, что у частиц заранее есть определённые свойства, просто теория о них не знает, — как у пары перчаток, разложенных по двум коробкам: открыв одну и найдя левую, мы сразу узнаём, что во второй правая, и ничего загадочного в этом нет.
Как проверить, перчатки это или нет
Долгое время спор считался философским. В 1964 году физик Джон Белл показал, что его можно решить опытом. Если свойства заданы заранее, как у перчаток, то совпадения результатов при разных настройках приборов не могут превышать определённого предела. Квантовая механика предсказывает, что этот предел будет нарушен.
Опыты начались в 1970-х годах и с тех пор много раз уточнялись. Результат один и тот же: предел нарушается, природа ведёт себя так, как предсказывает квантовая теория. Объяснение через заранее заготовленные свойства, которые каждая частица несёт при себе, не проходит. За эти работы Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике 2022 года.
Почему нельзя послать сигнал
Раз результаты на двух концах согласованы, хочется использовать это для связи быстрее света. Не выйдет, и причина проста. Каждый отдельный результат измерения случаен. Экспериментатор не может заставить свою частицу дать нужный ответ — он лишь узнаёт, какой получился. На другом конце наблюдатель тоже видит случайную последовательность, неотличимую от подбрасывания монеты.
Согласованность обнаруживается только тогда, когда оба сравнивают записи. А для этого их нужно передать обычным способом — по радио, по кабелю, письмом, — то есть не быстрее света. Теория относительности остаётся в силе.
По той же причине запутанность не объясняет телепатию или «связь душ». Она возникает в специально подготовленных условиях и очень хрупка: взаимодействие с окружающей средой быстро её разрушает.
Что из этого получают
Тем не менее запутанность — не только предмет для размышлений, но и рабочий инструмент.
- Защищённая связь. С помощью запутанных частиц света две стороны могут создать общий секретный ключ для шифрования. Попытка подслушать неизбежно нарушает квантовые состояния и оставляет заметные следы.
- Квантовая телепортация. Так называют перенос состояния одной частицы на другую, удалённую. Переносится не вещество, а именно состояние, причём исходное при этом исчезает, а для завершения процедуры нужен обычный канал связи. С фантастической телепортацией общего здесь только название.
- Квантовые вычисления. В квантовых компьютерах запутанность между элементами позволяет решать некоторые задачи иначе, чем это делают обычные машины. Такие устройства пока остаются предметом исследований.
Что остаётся удивительным
Запутанность показывает, что описать мир как набор отдельных предметов, каждый со своим полным перечнем свойств, удаётся не всегда. Иногда определённым оказывается только целое, а о частях можно говорить лишь через их соотношение.
Это утверждение проверено в лабораториях и не нуждается в украшениях. Оно не обещает чудес, зато показывает, что привычные представления о «здесь» и «там» в микромире приходится пересматривать.
