Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Но что такое нелокальное целое? Теперь вам стало понятнее? Скорее всего нет, только если вы не гений! Здесь слово «нелокальное» означает нечто, которое не может быть описано как две независимых и хорошо локализованных части. Конечно, Алиса и Боб со своими ящиками хорошо локализованы, как любые нормальные люди или ящики. Мы можем окружить их железобетонными стенами и покрыть свинцовой оболочкой или принять другие подобные меры, но мы не сможем описать их поведение отдельно друг от друга: вот так себя ведет прибор Алисы, а вот этак – прибор Боба. В самом деле, если бы каждый из них имел собственное поведение и, следовательно, руководствовался бы своей стратегией, выиграть в игру Белла было бы невозможно. И это утверждение остается справедливым, даже если стратегии и поведение оговорены и скоординированы заранее, еще до того, как приборы разнесли в пространстве.

И здесь мы подходим к замечательному выводу, который не так просто переварить. Если Алиса и Боб завершают игру со счетом более чем 3 из 4, мы вынуждены признать, что, несмотря на расстояние между ними и возможность идентифицировать двух игроков, такой результат их игры не может быть получен локально, отдельно на приборе Алисы и отдельно на приборе Боба. Эти результаты получаются нелокальным образом. Все происходит так, как будто прибор Алисы «знает» что делает прибор Боба, и наоборот.

Справка 6. Нелокальные расчеты. Выигрыш в игре Белла означает, что результаты Алисы и Боба соотносятся друг с другом таким образом, что удовлетворяют уравнению a + b = x × y чаще, чем 3 раза из 4. Иначе говоря, произведению x × y дается правильная оценка чаще, чем это было бы возможно локально, невзирая на то, что входные переменные x и y нигде не существуют вместе, то есть x известен только Алисе с ее прибором, а y – только Бобу с его прибором. Здесь на поверхность выходит идея удивительного вычислительного устройства – квантового компьютера, хотя эта история очень длинная и выходит далеко за пределы этой книги (и фактически приходится говорить скорее о квантовом процессоре, чем о настоящем универсальном компьютере).

Телепатия и истинные близнецы

В этом месте некоторые читатели могут подумать о телепатии или, быть может, о близнецах, которые, будучи разделены, принимают одинаковые решения и болеют одинаковыми болезнями. Но этот соблазнительный путь никуда не ведет.

Начнем с близнецов. Что характеризует близнецов, так это факт обладания ими одинаковым набором генов. Они несут в себе один и тот же генетический «чертеж» и потому имеют похожую внешность и довольно часто неотличимы друг от друга. Они похожи на локальных Алис и Бобов, которые руководствуются стратегиями, как близнецы – генетическими инструкциями. Но мы видели, что, какими бы ни были стратегии, избранные Алисой и Бобом или записанные в их приборах, друзья не могут выиграть. Точно так же два идентичных близнеца, даже если влияние среды на обоих в течение жизни было совершенно одинаковым, никогда не смогут победить в игре Белла. Таким образом, аналогия с близнецами прекрасна для понимания локальных корреляций, но никак не помогает понять, как же выиграть. Напротив, даже идеальные близнецы не могут выиграть игру Белла[19].

А что можно сказать про телепатию? Если бы это явление существовало, оно позволило бы двум людям мысленно общаться на расстоянии. Но для победы в игре Белла нам не нужно обмениваться информацией. Достаточно выдавать случайные результаты, но в организованном порядке. Каждый из приборов должен в некотором смысле «знать», что делает другой, но сами игроки не могут использовать это «знание» для передачи информации. Следовательно, чтобы выиграть, игроки не используют телепатию, даже если мы представим себе, что их приборы обладают этим даром.

Лично мне не нравится идея аппаратов, обладающих телепатией, потому что это ничего не добавляет к нашему пониманию. Мне представляется, что при этом одно слово («нелокальность») просто заменяют другим словом («телепатия»). Но если вам кажется, что подобная терминология поможет вам ухватить суть, то почему бы нет, но имейте в виду, что это не люди обладают телепатией, а приборы или встроенные в них кристаллы. Более того, эта терминология сбивает с толку, потому что само понятие телепатии подразумевает наличие передатчика и приемника. Позже мы увидим, что это вряд ли возможно. Ну и кроме того, в игре Белла и связанных с ней экспериментах симметрия между Алисой и Бобом идеальна, и нет возможности выделить потенциальный передатчик или приемник.

Координация – это не коммуникация

Говоря о нелокальном целом, мы невольно представляем мгновенный обмен информацией. Вспомните реакцию Ньютона на нелокальность в его всеобщей теории тяготения. В самом деле, если приборы Алисы и Боба выигрывают, то это происходит, потому что они координируют свои действия после того, как джойстики наклонены вправо или влево. Но так как они разделены большим расстоянием, эти приборы должны уметь координировать свои действия на расстоянии. Именно это Эйнштейн называл «призрачным действием на расстоянии» – выражение, которое отлично передает отношение мэтра к такого рода вещам! Проблема в том, что сегодня множество экспериментов противоречат интуиции Эйнштейна и подкрепляют квантовую теорию: природа действительно способна согласовывать два разнесенных в пространстве прибора.

Однако согласование, или координация, не означает коммуникацию. Но как же можно согласовать действия без обмена информацией? Мы, человеческие существа, конечно, не способны на такие трюки и с трудом можем вообразить, как это сделать. На самом деле, чтобы обеспечить координацию без коммуникации, приборы должны производить результаты случайно. Чтобы понять это, пойдем от обратного предположения, что приборы производят предопределенные результаты. Можно показать, что это позволит Алисе и Бобу осуществлять коммуникацию без физической передачи. Но мы ведь знаем, что такая коммуникация невозможна (см. справку 5), а потому должны заключить, что любая пара приборов, которая способна победить в игре Белла, не может выдавать предопределенные результаты.

Для лучшего понимания вопроса мы можем представить ситуацию, в которой прибор Алисы всегда выдает a = 0, а Боб выбирает y = 1. Если Боб получает результат b = 0, он знает, что a = b, и может сделать вывод, что Алиса, вероятно, выбрала x = 0. Напротив, если он получает b = 1, он знает, что a ≠ b, и может заключить, что Алиса, вероятно, выбрала x = 1. Действительно, только таким способом они могут получить очко в нашей игре. Справка 7 показывает, что это важное заключение остается верным, каким бы ни было отношение, определяющее результат Алисы как следствие ее выбора.

Из вышесказанного становится понятно, что если прибор Алисы производит результат a заранее определенным образом (следуя одной из четырех программ, рассмотренных выше) и Боб знает об этом, то Боб может сделать вывод, о том какой выбор сделала Алиса, исходя из результата, отображаемого на дисплее его прибора. Следовательно, согласно этой гипотезе, Боб может читать мысли Алисы на расстоянии. Ведь каждый раз, когда они получают очко, Боб может точно отгадать, каким был выбор Алисы. Если они выигрывают в игре Белла, то такой способ коммуникации должен быть вполне обычным.

Такая коммуникация будет практически мгновенной, так как время на передачу информации не зависит от расстояния между Алисой и Бобом. В частности, скорость передачи будет выше скорости света. Скорость света вообще не фигурирует в рассуждении, так как, увеличивая расстояние между Алисой и Бобом, можно превысить любую скорость. Что еще более важно, мы получаем нефизическую форму коммуникации, так как не будет нужно вообще передавать что-либо между приборами Алисы и Боба. А мы знаем, что коммуникация невозможна без передачи информации (см. справку 5).

В итоге если приборы Алисы и Боба могут координироваться на расстоянии, но таким способом, который Алиса и Боб не могут использовать для коммуникации, тогда результат Алисы не может быть произведен детерминистически. Он обязательно рождается случайно, в некотором нелокальном случайном процессе.

Справка 7. Детерминизм предполагал бы коммуникацию без физического переноса. Согласно гипотезе детерминизма, существует отношение, которое определяет результат, производимый каждым прибором, как следствие направления наклона джойстика. Но любое предопределенное отношение между направлением движения джойстика Алисы и ее результатом позволит Бобу узнавать выбор Алисы на расстоянии и, следовательно, получить коммуникацию без передачи информации. А поскольку такая коммуникация невозможна, детерминизм также невозможен. Чтобы убедиться в этом выводе, мы рассмотрим второй пример.

Представим, что, если Алиса наклоняет джойстик влево, ее прибор производит результат a = 0, а если вправо, то результат a = 1. Это соответствует стратегии № 3 из главы 2, то есть a = x. В этом случае если Боб двинет джойстик влево (y = 0), то из показаний своего прибора он может сделать вывод о направлении, в котором двинула свой джойстик Алиса. Если, к примеру, его результат b = 0, Боб понимает, что Алиса, скорее всего, наклонила джойстик влево, потому что только в этом случае они получат очко в игре Белла. В самом деле, при y = 0 мы должны иметь a = b для получения очка. Поэтому, если Боб видит b = 0, он делает вывод, что a = 0, но, так как этот результат возможен в нашем случае, только если x = 0, это значит, что Алиса двинула джойстик влево.

Чтобы убедиться, что это заключение остается верным при любом отношении, которое определяет результат a как следствие выбора x, достаточно заметить, что среди четырех переменных в уравнении a + b = x × y Бобу известны две: его выбор y и результат b. Если помимо этого он знает отношение a = f (x), то Боб может вычислить, какой выбор x сделала Алиса. К примеру, если a = x, тогда отношение a + b = x × y можно выразить так: x + b = x × y – и тогда, если Боб выбирает y = 0, мы имеем x = b, то есть результат, произведенный прибором Боба, равен значению выбора Алисы x.

Отношение, которое определяет результат Алисы как следствие выбора направления движения джойстика, может меняться от минуты к минуте, но в каждую минуту это отношение будет фиксированным, а в действительности – заданным задолго до этого. Если бы это было так, ничто не мешало бы Бобу знать это отношение в каждую отдельную минуту. Но для каждого отношения Боб может с высокой вероятностью угадать направление движения джойстика Алисы, а это, в сущности, то же самое, что читать ее мысли на расстоянии. Это и была бы коммуникация без передачи информации.

Нелокальная случайность

Мы только что увидели, что результаты Алисы и Боба должны возникать случайно, но эта случайность не является независимой в приборах Алисы и Боба, потому что на самом деле в двух приборах происходят одни и те же случайные события. Но это же поразительно! Случайность сама по себе является удивительной концепцией, но здесь одно и то же случайное событие проявляет себя в двух точках, разделенных значительным расстоянием. Это объяснение полностью противоречит здравому смыслу, но оно неизбежно. Если у вас это просто не укладывается в голове, знайте, что множество физиков находились в таком же положении, включая Альберта Эйнштейна, который никогда не верил в возможность победить в игре Белла.

Мы сосредоточим все внимание на «нелокальной случайности» в главе 5, а потом, в главе 6, попробуем объяснить эксперименты, которые дают нам возможность выиграть в игре Белла. В главе 9 мы подробно рассмотрим суть этих экспериментов и проверим, нет ли какой-нибудь лазейки, которая позволила бы нам сохранить понятие локальности.

Но, прежде чем закончить эту главу, вернемся обратно к нашему «объяснению». Я поставил это слово в кавычки, потому что сейчас мы подошли к моменту, когда нужно спросить себя: что мы подразумеваем под объяснением и чего мы требуем от него? Обычно объяснение – это история, которая что-то рассказывает о явлении, которое нужно объяснить. Читатель может возразить, и не без причины, что один лишь разговор о нелокальной случайности с трудом можно признать объяснением. Но вывод тем не менее неизбежен: мы не можем придумать такую историю, которая происходила бы локально в пространстве и беспрерывно во времени и при этом объясняла бы, как победить в игре Белла.

Вспомните современников Ньютона, когда их просили принять «объяснение» о том, что все на свете падает к центру Земли. Это ведь объяснение? И да, и нет. Объяснение через гравитацию имеет то достоинство, что оно происходит в нашем времени (мы падаем) и в нашем пространстве (к Земле), но оно оставляет открытым вопрос о том, откуда наше тело «знает» где находится Земля, особенно если наши глаза закрыты.

Объяснение явлений нелокальной случайностью представляется даже менее убедительным, чем объяснение притяжения свободным падением. Но здесь основная мысль заключается в том, что нельзя сформулировать объяснение, которое основывалось бы исключительно на локальных сущностях. Победа в игре Белла как раз и показывает, что природа нелокальна.

Может быть, лучше оставить все попытки объяснения? Конечно же, нет! Нам просто нужно смириться с тем, что наше толкование включает нелокальные черты, такие как нелокальная случайность – неприводимая, или нередуцируемая, случайность, которая может проявлять себя в нескольких далеких друг от друга местах без переноса от точки к точке в пространстве[20]. Нелокальность заставляет нас расширить концептуальный инструментарий, который мы используем для описания механизмов природы.

Чтобы попытаться лучше понять это, представьте себе такую штуку, как нелокальные игральные кости, которые можно «бросить», наклонив любой из двух джойстиков. Этот «нелокальный кубик» производит результат a для Алисы, как только она сдвинула свой джойстик в направлении x, и результат b для Боба, когда он двигает свой джойстик в направлении y. Оба результата a и b случайны, но при этом с гарантией «притягиваются» друг к другу таким образом, что очень часто удовлетворяют цели игры Белла, то есть часто выполняется уравнение a + b = x × y.

Как только мы осознаем, что мир не является детерминистическим и, следовательно, нередуцируемая случайность действительно существует, мы также должны будем принять, что, с одной стороны, эта случайность совсем не обязательно подчиняется тем же законам, что и классические вероятности[21], и, с другой стороны, ничто не запрещает ей одновременно проявляться в нескольких местах в одно и то же время, при условии, что этот эффект нельзя использовать для коммуникации.

Истинная случайность

Мы только что узнали, что есть лишь один способ избежать ситуации, когда победа в игре Белла приводит к возможности коммуникации на запредельных скоростях: прибор Алисы не должен производить результаты каждую минуту как следствие предопределенных отношений, но должен генерировать их истинно случайным образом. Только гипотеза об нередуцируемой случайности может помешать Бобу узнать отношение между выбором Алисы и ее результатом. Если бы не истинная случайность, Боб и все физики мира обнаружили бы это отношение.

Поэтому отбросим идею, что прибор Алисы производит результат локально. Два прибора вместе производят пару результатов глобально, даже если с точки зрения каждого из партнеров их собственный результат кажется случайным.

Понятие истинной случайности заслуживает отдельного внимания. Типичный пример случайного события – это игра «орел или решка» с монеткой или бросание игральных костей. В обоих случаях сложность микроявлений, например удары молекул воздуха по монете или неровность поверхности, на которую бросают кость, не дает возможности предсказать результат на практике. Но эта невозможность не заложена в природе вещей: по сути она является следствием множества незначительных во всех остальных отношениях причин, сочетание которых и формирует конечный результат. Если бы мы смогли отследить детали движения игральной кости с надлежащей точностью и с адекватными средствами расчета, то, имея начальные условия броска, состояние молекул воздуха и поверхности, на которую кость падает, отскакивает и в конце концов останавливается, мы могли бы точно предсказать, какой стороной она упадет. Поэтому это не истинная случайность.

Другой пример покажет это различие еще лучше. Чтобы провести числовое моделирование, инженеры часто используют так называемые псевдослучайные числа. Используя этот метод, можно проанализировать многие проблемы. Возьмем, к примеру, разработку проекта самолета. Вместо того чтобы строить десятки прототипов и испытывать их один за другим, инженеры могут имитировать их поведение на больших компьютерах. Чтобы промоделировать условия полета, которые все время меняются из-за ветра и других непредсказуемых воздействий, инженеры используют псевдослучайные числа. Эти числа генерируются компьютерами, которые сами по себе являются детерминистическими машинами, так что случайностью там и не пахнет. Эти числа на самом деле не производятся случайно, но получаются такими, как если бы мы бросали кость, поэтому их и называют «псевдослучайными». Отношение между одним псевдослучайным числом и следующим предопределено, но оно достаточно сложно для того, чтобы его можно было предугадать.

На первый взгляд кажется, что этого достаточно и что нет реальной разницы между псевдослучайными числами, которые сгенерировал компьютер, и числами, произведенными истинной случайностью. Но это неверно! Есть прототипы самолетов, которые прекрасно ведут себя при моделировании на базе псевдослучайных чисел, но в реальности летают довольно плохо[22]. Такие случаи редки, но они существуют, и неважно, насколько умна и сложна программа, которая генерирует псевдослучайные числа. С другой стороны, такие патологические случаи не возникают, если числа произведены истинно случайным образом. Таким образом, существует вполне реальная разница между событиями, которые представляются случайными, вроде броска кубика, и истинно случайными, которые понадобятся нам для победы в игре Белла при запрете коммуникации. Мы также видим, что существование истинной случайности – это полезный ресурс для общества. Мы вернемся к этому в главе 7.

Истинная случайность разрешает существование нелокальности без коммуникации

Победа в игре Белла без коммуникации с необходимостью предполагает, что приборы Алисы и Боба производят результаты истинно случайным способом. Эта случайность фундаментальна и не может быть сведена к сложному детерминистическому механизму. Это означает, что природа способна на чистый акт творения!

Вместо того чтобы утверждать, как это делал Эйнштейн, что Бог не играет в кости, давайте лучше зададимся вопросом: зачем он играет в кости[23]? Ответ: таким образом природа может быть нелокальной, и это не приводит к возможности коммуникации без передачи информации. В самом деле, как только мы примем факт, что природа может производить истинно случайные события, у нас не будет причин ограничивать проявление этой случайности каким-то одним хорошо локализованным местом. Истинная случайность может проявлять себя в нескольких местах сразу. Поскольку мы не можем использовать такую нелокальную случайность для коммуникации, нет причин ограничивать природу в ее проявлениях.

Мы пришли к тому, что две несопоставимые на первый взгляд концепции – случайность и локальность – в действительности тесно связаны. Если бы не было истинной случайности, локальность была бы необходима, чтобы избежать возможности коммуникации без физической передачи информации. Поэтому мы запомним, что истинная случайность существует и может проявлять себя нелокальным образом. Нужно просто привыкнуть к идее случайности, которая может проявляться в нескольких местах, то есть нелокальной случайности, которая согласовывает результаты, которые получаются в двух удаленных друг от друга местах. Необходимо встроить в наше интуитивное восприятие мира идею, что нелокальная случайность не может быть использована для коммуникации. Примерно так Алиса и Боб могут «слышать» шум, производимый странным «телефоном», – шум, который совершенно невозможно использовать для коммуникации, но который тем не менее дает нам возможность выиграть в игру Белла.

Глава 4

Невозможность квантового клонирования

Нелокальность без коммуникации имеет и другие удивительные последствия. Один из примеров – это вопрос о квантовом клонировании. В нашем случае это подобно попытке создать копию прибора Боба. Этот относительно простой пример лежит в основе квантовой криптографии и телепортации, как мы увидим в главах 7 и 8. Следовательно, на это стоит посмотреть.

Клонирование животных стало обычным делом. Без сомнения, клонирование человека не за горами и будет осуществлено до конца этого века. Оставив за скобками вполне понятную эмоциональную реакцию и скандал, который наверняка поднимется, давайте посмотрим, возможно ли клонирование в квантовом мире. Другими словами, можем ли мы скопировать физическую систему, принадлежащую к миру атомов и фотонов? Смогут ли физики создать клон, то есть идеальную копию прибора Алисы или прибора Боба?

Но давайте будем точными. Было бы довольно глупо копировать электрон, ведь все электроны строго одинаковы. Когда мы говорим о копировании книги, мы не пытаемся изготовить еще одну книгу того же формата и с тем же количеством страниц. Копия должна содержать в точности ту же информацию, то есть тот же текст и те же иллюстрации. Клон электрона, таким образом, должен нести ту же «информацию», что и оригинал, то есть иметь ту же среднюю скорость и ту же неопределимость[24] этой скорости, и так же для всех остальных характеристик. Только среднее положение в пространстве будет отличаться, потому что оригинал останется здесь, а клон появится там.

В этой главе мы ответим на вопрос: можно ли действительно клонировать прибор Боба? Мы уже ознакомились с содержимым приборов и знаем, что главным элементом являются кристаллы, обладающие квантовой характеристикой, которую мы назвали «запутанностью». Поэтому клонирование прибора в итоге означает клонирование этих квантовых сущностей вместе с их квантовыми свойствами.

Справка 8. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Вернер Гейзенберг был одним из отцов квантовой теории. В частности, они известен формулировкой принципа неопределенности, согласно которому, если мы измеряем положение частицы с определенной точностью, мы с необходимостью оказываем влияние на ее скорость (импульс), и наоборот, если мы точно измеряем скорость частицы, мы с необходимостью вносим возмущение в ее положение. Поэтому мы не можем знать и положение, и скорость частицы в одно и то же время и с высокой точностью. Современная квантовая физика включила этот принцип в тот факт, что частица просто никогда не имеет точно определенного положения и точно определенной скорости. Поэтому мы предпочитаем говорить не о неопределенности, но о неопределимости[25]. Мы можем сохранить слово «неопределенность» в названии принципа Гейзенберга, но должны избегать описания физических сущностей как неопределенных. Мы скажем, что они неопределимы, и неопределенность становится неопределимостью.

Квантовое клонирование разрешило бы невозможную коммуникацию

Невозможность клонирования квантовой системы – ключевое утверждение для прикладных областей, таких как квантовая криптография и квантовая телепортация (мы поговорим об этом позже). Чтобы доказать невозможность клонирования, мы будем использовать логический прием reductio ad absurdum – доказательство от противного. Мы начнем с допущения, что квантовое состояние клонировать можно, но это повлечет за собой абсурдный вывод – в данном случае о возможности коммуникации без передачи информации. Отсюда мы сможем заключить, что поскольку такая коммуникация невозможна, то и квантовое клонирование исключено.

Представим, что Боб смог клонировать свой прибор. Точнее, представьте себе, что Боб смог клонировать кристалл, который обнаружил в сердце своего прибора, учитывая, что все остальное содержимое – просто сложный механизм, который нетрудно воспроизвести. И вот перед ним два прибора, обозначим их как «левый» и «правый». У каждого прибора есть джойстик, его можно отклонять влево и вправо, и через секунду каждый из приборов выдаст результат на дисплей. Если эти два прибора действительно идеальные копии, то для каждого из них результат будет скоррелирован с результатом на приборе Алисы, причем так, что каждый из приборов выиграет вместе с Алисой игру Белла. Однако если Боб решит не выбирать одну сторону, а попробовать разные одновременно? Левый джойстик – влево, а правый – вправо. А теперь мы объясним, как Боб может вывести из своих двух результатов тот выбор, который сделала Алиса на огромном расстоянии от него.

Начнем со случая, когда показания на приборах Боба идентичны, то есть либо дважды 0, либо дважды 1. В этом случае Алиса, вероятно, выбрала x = 0. Если бы Алиса выбрала x = 1, то результат на правом приборе Боба должен был бы отличаться бы от результата Алисы (так как (x, y) = (1, 1) ⇒ a ≠ b), тогда как результат на левом приборе должен был бы совпасть с показаниями прибора Алисы ((x, y) = (1, 0) ⇒ a = b). С другой стороны, если показания на приборах Боба разные, тогда Алиса, вероятно, выбрала x = 1. В справке 9 это рассуждение проводится при помощи простой двоичной арифметики.

Справка 9. Теорема о невозможности клонирования. Пусть b_left и b_right обозначают показания с приборов Боба, левого и правого соответственно.

Выигрыш в игре Белла означает, что часто удовлетворяются следующие два равенства: a + b_left = x × y_left и a + b_right =x × y_right. Сложив их, мы получим:

a + b_left + a + b_right = x × y_left + x × y_right.

Теперь вспомним, что все эти символы представляют собой биты (0 или 1) и что суммирование выполняется по модулю 2, поэтому результат также является битом. Следовательно, a + a = 0. Мы также помним, что Боб передвигает джойстик на левом приборе влево, то есть y_left = 0, а джойстик правого прибора – вправо, то есть y_right = 1. В итоге мы получаем b_left + b_right = x. Так Боб может определить выбор Алисы x с высокой вероятностью, просто сложив два результата на своих приборах.

Следовательно, если бы Боб сумел клонировать свой прибор, он мог бы угадать выбор Алисы с высокой вероятностью, и это несмотря на то расстояние, которое их разделяет. То есть мы стали бы очевидцами коммуникации без передачи информации, причем на произвольной скорости. Некоторые могут заметить, что Боб может и ошибиться, когда угадывает выбор Алисы, ведь Алиса и Боб получают общий счет не 4, а лишь значительно больше 3. Конечно, Боб может иногда ошибаться. Однако того факта, что он угадывает правильно гораздо чаще, чем 1 раз из 2, достаточно, чтобы сделать коммуникацию возможной[26]. Линия связи будет довольно шумной, и им придется много раз повторять посылку (при этом Алиса должна каждый раз делать один и тот же выбор), но в конце концов Боб сможет угадать выбор Алисы с почти полной уверенностью. На самом деле как раз это и происходит уже сейчас во всей цифровой коммуникации. Интернет и другие протоколы связи режут наши сообщения на маленькие кусочки, которые отсылают затем приемнику, и так как всегда есть маленькая возможность ошибки, сообщение отсылается несколько раз, пока вероятность любой ошибки не станет пренебрежимо малой.

Итак, возможность победы в игре Белла влечет невозможность клонирования квантовых систем. Физики называют это теоремой о запрете клонирования. Это исключительно важный результат квантовой физики. Ее очень просто доказать математически, но уже мы видели, что эта теорема также прямо следует из существования нелокальности без коммуникации, что еще раз подчеркивает важность этой идеи.

Почему же можно клонировать ДНК?

Можно задать вопрос, почему мы можем клонировать животных, если мы не можем клонировать квантовые системы. Ведь очевидно, что биологическая макромолекула, известная как ДНК, сама по себе является квантовой системой! Интересно, что именно этот вопрос привел нобелевского лауреата, физика Юджина Вигнера к вопросу о квантовом клонировании[27]. И он-то как раз сделал вывод о невозможности клонирования в биологии, но это была ошибка. ДНК – это действительно квантовая система (по крайней мере, на это очень похоже, и хотя это никогда не демонстрировалось в эксперименте, вряд ли хоть один физик подвергнет это сомнению). Однако генетическая информация закодирована в ДНК с использованием лишь очень малой части возможностей, разрешенных в квантовой физике, и фундаментальных препятствий к клонированию такого небольшого объема информации не существует[28]. Очень интересно ставить вопросы относительно роли квантовой физики в биологии, и это очень популярная тема для исследований.

Отступление от темы: неточное клонирование

Чтобы закончить эту главу, позвольте мне сделать несколько замечаний, которые не так важны для главной темы, но могут быть интересны любопытному читателю.

Отметим (но в этот раз без доказательства), что квантовая теория разрешает неточное клонирование, что-то вроде создания плохой копии, и что самое лучшее возможное клонирование ограничено таким условием: оно должно быть достаточно плохим, чтобы гарантировать отсутствие коммуникации без физической передачи[29].

Теорема о запрете клонирования тесно связана со многими аспектами квантовой теории. В частности, как мы писали выше, она является существенной для таких прикладных областей, как квантовая криптография (глава 7) и квантовая телепортация (глава 8). Она также необходима, чтобы знаменитые соотношения неопределенностей Гейзенберга имели какой-то смысл (справка 8). В самом деле, если бы мы смогли идеально клонировать квантовую систему, мы могли бы измерить положение, к примеру, оригинала и скорость копии. Тем самым мы получили бы и положение, и скорость частицы одновременно, что не запрещено принципом неопределенности[30].

Другое важное следствие теоремы о запрете клонирования состоит в том, что вынужденное испускание частицы, которое лежит в основе луча лазера, невозможно без спонтанного испускания частицы. Если бы это было не так, кто-то мог бы использовать вынужденное испускание фотона для того, чтобы идеально скопировать его состояние (к примеру, поляризацию). И вновь соотношение между вынужденным и спонтанным излучением находится в точности на границе оптимального клонирования, совместимого с нелокальностью без коммуникации[31]. Все складывается очень аккуратно, и квантовая теория удивительно согласованна и элегантна.

Кстати, Эйнштейн был первым, кто описал соотношение между вынужденным (индуцированным) и спонтанным излучением. Он был бы поражен, если бы узнал, что эта формула прекрасно выводится из понятия нелокальности, которой он так противился.

И последнее замечание относительно отношений между клонированием и нелокальностью. Мы видели, что невозможность коммуникации без физической передачи накладывает ограничение на качество клонирования прибора Боба. Что произойдет, когда мы заменим игру Белла игрой (или неравенством), в которой Боб имеет больше возможностей? Представим, например, что джойстик можно двигать в n направлениях. В этом случае невозможность коммуникации без передачи накладывает предел на клонирование прибора Боба в n копиях, и мы снова приходим к пределу оптимального квантового клонирования. Из этого следует, что для демонстрации нелокальности и Бобу, и Алисе нужно иметь большее число возможных выборов, чем приборов, чтобы выбор был настоящим. Они не могут просто сделать все выборы параллельно[32]. Здесь мы впервые видим важность свободной воли, или, выражаясь прозаичнее, важность того, что Алиса и Боб могут делать выбор независимо друг от друга. Без независимого выбора не существовало бы нелокальности.

Глава 5

Квантовая запутанность

В квантовой физике объяснением возможности победы в игре Белла в смысле получения счета больше 3 является запутанность. Эрвин Шрёдингер, один из отцов-основателей квантовой физики, был первым, кто заметил, что запутанность – это не просто одна из черт квантовой физики среди прочих, а ее основная характеристика[33]:

Запутанность – это не просто одна из особенностей, а скорее определяющая характеристика квантовой механики, та, что заставляет нас полностью отойти от классического способа мыслить.

В этой главе мы рассмотрим это замечательное свойство мира атомов и фотонов[34].

Квантовый холизм

Грубо говоря, странная теория квантовой физики говорит нам, что вполне возможно и даже обычно для двух разделенных пространством объектов образовывать в действительности единое целое! Это и называется запутанностью. Если мы потревожим одну из двух частей, среагируют обе. Но заметьте прежде всего, что, когда мы «стимулируем» квантовую сущность, то есть проводим измерение, она выдает ответ – реакцию – совершенно случайным образом, один результат из определенного диапазона возможностей, с хорошо определенной вероятностью, которую квантовая теория предсказывает с великолепной точностью. Так как это случайное событие, никто не может использовать то, что связанная сущность реагирует как целое, для передачи информации. Приемник будет получать лишь шум, чисто случайное трепетание. Мы снова убеждаемся в важности истинной случайности. Вы можете возразить, что если мы не трогаем первый объект, то второй так и останется в покое. Раз так, можно посылать информацию, просто делая выбор – воздействовать на первый объект или нет. Но есть проблема: откуда мы узнаем, что второй объект отреагировал? Мы можем узнать об этом лишь проведя измерение, а это само по себе заставит его «дернуться». Короче говоря, не важно, насколько противоестественно это звучит, но мы не можем запросто опровергнуть идею, что два запутанных объекта по сути составляют единое целое.

Теоретически запутанным может быть любой объект, но на практике физики продемонстрировали запутанность атомов, фотонов и некоторых элементарных частиц. Самые большие объекты, которые удалось связать, – это кристаллы, вроде тех, из приборов для игры Белла. Этот феномен проявляет себя примерно одинаково вне зависимости от того, какие объекты оказались запутанными. Мы будем иллюстрировать это почти волшебное свойство квантового мира на примере электронов – крошечных частиц, которые переносят электрический ток.

Квантовая неопределимость

Я начну с примера. Электрон может оказаться в состоянии, в котором его положение невозможно определить. То есть у него просто нет точного местонахождения, как у облака. Естественно, у облака есть среднее положение (положение центра массы, как сказали бы физики). У электрона тоже есть некая средняя позиция. Но, и в этом значительное отличие от облака, электрон не сделан из множества микроскопических капелек воды, и вообще из какого-либо рода капелек. Электрон неделим. А еще, помимо того что он неделим, у него нет определенного положения, а только облако возможных положений. Если, несмотря на это, мы решим измерить его положение, электрон тут же ответит: «Я здесь!» Но это будет ответ, созданный в момент измерения и совершенно случайный. У электрона не было определенного положения, но во время измерения мы заставили его ответить на вопрос, который до тех пор не имел ответа: квантовая случайность это истинная, нередуцируемая случайность.

Формально говоря, неопределимость выражается посредством того, что известно как принцип суперпозиции. Если электрон может быть здесь или в метре отсюда, тогда этот электрон может быть в состоянии суперпозиции «здесь» и «на метр правее», то есть и «здесь», и «на метр правее». В этом примере он делокализован и находится в двух местах одновременно. Он может ощущать, что происходит здесь (например, в одной из щелей Янга[35]), и ощущать, что происходит на метре правее, во второй щели Янга. Таким образом, он действительно находится и здесь, и в метре справа. Однако, если мы измерим его положение, мы обнаружим его только в одном из этих мест, причем совершенно случайным образом.

Квантовая запутанность

Мы только что увидели, что у отдельного электрона может не быть положения. Точно так же определенного положения может не быть и у каждого из двух квантово запутанных электронов. Однако благодаря запутанности расстояние между двумя электронами все же может быть точно определенным. Можно сказать, что, когда бы мы ни измерили положения двух электронов, мы получаем два результата, каждый из которых совершенно случаен, но их разность все время будет одна и та же! Иначе говоря, относительно своих средних положений два электрона всегда дадут один и тот же результат, хотя этот результат и является истинно случайным. Если один электрон обнаружен чуть правее от среднего положения, второй также будет найден чуть правее и на точно таком же малом расстоянии, как и первый, то есть на том же самом расстоянии от его центра массы. И этот порядок не будет нарушен, даже если два электрона удалены очень далеко друг от друга.

Таким образом, положение одного электрона относительно второго хорошо определено, хотя мы и не знаем точно позиции каждого из них. В общем случае запутанные квантовые системы могут находиться в точно определенном состоянии, даже если состояние каждой в отдельности неопределимо. Когда измерения производятся на двух запутанных системах, результаты определяются случаем – но одним и тем же случаем! Квантовая случайность нелокальна.

Запутанность также можно определить как способность квантовых систем выдавать один и тот же результат, если мы измеряем одну и ту же физическую характеристику каждой из них. Мы говорим здесь о применении принципа суперпозиции одновременно к нескольким системам. Например, пара электронов может находиться в состоянии «один здесь, другой там», а может находиться в состоянии «один на метр вправо отсюда, а другой на метр вправо оттуда». Согласно принципу суперпозиции, эти два электрона могут также находиться в суперпозиции состояний «один здесь, а другой там» и «один на метр вправо отсюда, а другой на метр вправо оттуда». Это – запутанное состояние. Но запутанность включает в себя намного больше, чем принцип суперпозиции, ведь именно запутанность вводит в физику нелокальные корреляции. В упомянутом примере ни один из электронов не имеет предопределенного положения, но если измерение положения первого электрона дает результат «здесь», то положение другого немедленно определяется как «там», и нам даже не нужно измерять положение второго электрона.

Как же это возможно?

Как могут два электрона иметь хорошо определенное относительное положение, если ни один из них в отдельности определенного положения не имеет? В мире, к которому мы привыкли, это невозможно. Можно подумать, что квантовая физика просто не способна дать нам полное описание координат электронов и что более полная теория сможет описать электроны как объекты, всегда имеющие хорошо определенное, но скрытое положение. Это интуитивное желание лежит в основе теории о скрытых локальных переменных. Их называют локальными, потому что каждый электрон занимает свое положение независимо от других электронов.

Тем не менее в гипотезе о скрытых положениях полно своих проблем. Ведь положение электрона – не единственная измеримая переменная. Мы можем измерить его скорость, которая тоже неопределима. Конечно же, у электрона есть средняя скорость, но скорость, которую мы получим в результате измерения, зависит от случая и может принимать любое значение из широкого спектра возможных, точно так же, как и позиция в пространстве, которое мы фиксируем в момент измерения положения. И снова запутанность позволяет двум электронам в отдельности не иметь определенной скорости, но при этом оба они могут иметь в точности одну и ту же скорость, и это остается справедливым, даже если электроны разнесены на очень большое расстояние друг от друга.

Но запутанность предлагает и более сильную возможность. Два электрона по отдельности могут не иметь ни определенного положения, ни определенной скорости, но они могут быть запутаны так, что разности между их положениями и между их скоростями будут точно определены. Если есть скрытые положения, то должны быть и скрытые скорости, не правда ли? Но это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга – основополагающей части математического описания квантовой теории (справка 8). Вернер Гейзенберг, его учитель Нильс Бор и их друзья выступили категорически против предположения о существовании скрытых положений и скоростей, которые предлагались в качестве скрытых локальных переменных. С другой стороны, Эрвин Шрёдингер, Луи де Бройль и Альберт Эйнштейн поддержали гипотезу о скрытых переменных, ведь она казалась более естественной, чем гипотеза о запутанности, подразумевающей чистую случайность, которая проявляется одновременно в нескольких местах.

В то время и в последующие 30 лет, с 1935 до 1964 года, никто не смог придумать ничего похожего на аргумент Джона Белла, который мы обсудили в главе 2. Как следствие, никакой физический эксперимент не мог разрешить этот спор экспериментальной проверкой, к примеру ответом на вопрос: возможно ли выиграть в игру Белла чаще, чем три раза из четырех? Если бы скрытые локальные переменные существовали, то квантовые системы никогда не смогли бы выиграть. Скрытые локальные переменные (как гены близнецов) сыграли бы роль программ, которые определяли бы локально показания на приборах наших друзей. Но мы уже знаем, что если результаты определяются локально, то Алиса и Боб не могут выиграть чаще, чем три раза из четырех.

В то время как экспериментальная проверка была невозможна, этот вопрос стал предметом жаркого спора. Шрёдингер писал, что если идея запутанности верна, то он сожалеет, что когда-то приложил к ней руку. А чтобы понять как был обеспокоен Бор, достаточно прочесть его ответ на опубликованную в 1935 году работу Эйнштейна, Подольского и Розена (где был сформулирован парадокс ЭПР[36]) и увидеть, что он воспринял спор очень близко к сердцу и готов был защищать причинно-следственную связь до последней капли крови.

Эйнштейн является величайшим из великих ученых потому, что он смог создать локальную теорию гравитации спустя столетия после того, как Ньютон озвучил эту проблему. До открытия общей теории относительности в 1915 году физики описывали гравитацию нелокально, подразумевая, что если кто-то сдвинет с места камень на Луне, то это моментально повлияет на наш вес[37] на Земле. В принципе таким способом мы могли бы мгновенно передавать информацию на любые расстояния во Вселенной. Но, по теории Эйнштейна, гравитация, как и другие физические явления, известные в 1915 году, распространяется с конечной скоростью от одной точки пространства к другой. То есть, по Эйнштейну, Земля и остальная Вселенная будут проинформированы о том, что мы подвинули на Луне камень, гравитационной волной, которая распространяется со скоростью света. Поэтому вес землянина изменится не сразу, а более чем через секунду, ведь Луна находится приблизительно в 380 000 км от Земли.

Но всего через десять лет после своего выдающегося открытия Эйнштейн – человек, который вернул локальность в физику, – опять наткнулся на нелокальность. И, несмотря на то что квантовая нелокальность очень сильно отличается от нелокальности ньютоновской гравитации, он дрогнул перед новой угрозой той теоретической конструкции, которую он создал. Можно понять его реакцию, и в тех обстоятельствах она была вполне логичной: почему нужно доверять соотношению неопределенностей Гейзенберга, а не привычным детерминизму и локальности?

Как запутанность способствует успеху в игре Белла

Слово «квант», которым мы называем новую физику 1920-х годов, появилось потому, что возможные значения энергии атома квантуемы. Энергия не может принимать любое значение – оно должно быть выбрано из определенного набора значений. Помимо энергии, существует и множество других физических величин, которые могут принимать только конечное множество определенных значений, и о них тоже говорят, что они квантуются. Обычная и простая ситуация, в которой существует только два возможных значения, – ситуация, которая порождает квантовый бит, на физическом жаргоне – кубит.

Различные измерения, которые можно выполнить над кубитом, могут быть представлены «направлением». Например, в случае поляризации фотонов это направление прямо зависит от ориентации поляризатора[38]. Мы можем представить эти направления в виде углов на окружности, как показано на рис. 5.1.а. Каждый раз, когда мы измеряем кубит в одном из этих направлений, мы получаем либо результат 0, который означает, что кубит «параллелен» интересующему нас вектору, либо результат 1, который означает, что кубит «антипараллелен» этому направлению, то есть направлен в противоположную сторону. Если мы изменим направление измерения на противоположное, то 0 и 1 просто поменяются местами, так как результат 0 в одном направлении – это то же самое, что результат 1 в противоположном. Нужно отметить, что мы вольны выбирать направление, в котором будем проводить измерение, для каждого кубита в отдельности. Так как измерение возмущает кубит, мы не сможем измерить тот же самый кубит снова в каком-то другом направлении. Но мы можем создать множество кубитов, причем все – одним и тем же образом; физик сказал бы, что они находятся в одном и том же состоянии. Проверяя разные направления измерения на отдельных кубитах этого множества, мы можем собрать статистику для заданного состояния.

Вероятность того, что кубит даст результат 0, зависит от исходного состояния кубита. Но каким бы ни было это состояние, вероятности, что кубит выдаст результат 0 в двух близких направлениях, также близки. Другими словами, вероятность результата характеризуется непрерывностью, будучи функцией от направления измерения.

Если мы возьмем два запутанных кубита[39] и будем измерять их в одном направлении, результат всегда будет одинаковым: либо 0 для обоих, либо 1. Почему? В этом и заключается «магия» запутанности. В разделе «Квантовая запутанность» я рассказывал, что каждый кубит связан с облаком потенциальных результатов, но разность между результатами для двух запутанных кубитов всегда равна нулю. Следовательно, если Алиса и Боб поделили между собой пару запутанных кубитов и если Алиса измеряет свой кубит в некотором направлении А, а Боб измеряет свой в некотором направлении В, близком к А, то вероятность, что оба результата будут равны, близка к 1. Предположим, что направление, в котором измеряет свой кубит Боб, находится немного правее, чем направление, в котором измеряет свой кубит Алиса, как показано на рис. 5.1.а. Теперь представим, что Алиса использует второе направление Ã, которое также близко к направлению Боба, но находится с другой стороны от него. Эти два направления опять достаточно близки друг к другу, и вероятность получения одинаковых результатов снова близка к 1.

Мы можем продолжать двигаться по кругу от точки к точке, пока последнее направление Боба не окажется строго напротив первого направления для Алисы. Но поскольку эти направления противоположны, результаты с необходимостью также будут противоположны! Вот здесь мы и находим идею, лежащую в основе игры Белла. Результаты почти всегда одинаковы, кроме ситуации, в которой они различаются. В игре Белла этот особенный случай, когда результаты должны быть противоположны, соответствует ситуации, когда и Алиса, и Боб двигают джойстики вправо. В примере же с двумя запутанными кубитами он соответствует тому, что Алиса использует свое первое направление, а Боб – последнее. В зависимости от количества рассматриваемых направлений измерения мы получаем разные неравенства Белла. Для игры Белла Алиса и Боб используют только два направления, как показано на рис. 5.1b, и эта стратегия позволяет им получить счет 3.41.

Квантовая нелокальность

Подведем итог. Квантовая теория предсказывает, и многие эксперименты это подтверждают, что в природе возможны корреляции между двумя удаленными событиями, которые нельзя объяснить ни влиянием одного события на другое, ни общей локальной причиной. Здесь надо уточнить, что при этом исключается любое воздействие, которое распространяется последовательно и непрерывно из точки в точку пространства с любой скоростью, не превышающей скорость света (в главах 9 и 10 мы увидим, что этот результат распространяется и на любые конечные скорости, даже сверхсветовые, если только они конечны). Сходным образом мы должны исключить и общие причины, следствия которых также могли бы последовательно передаваться в пространстве от точки к точке. Говорят, что эти два типа объяснения базируются на локальных переменных, потому что все происходит локально и развивается от точки к точке. Отсюда и возникли стандартные термины «локальное объяснение» и «локальные переменные»[40].

Действительно замечательная штука состоит в том, что, как только мы исключаем объяснения каким-либо воздействием или общей причиной с указанными свойствами, больше никаких локальных объяснений не остается. Это означает, что нельзя объяснить это явление, рассказав историю, которая разворачивалась бы во времени и пространстве и могла бы описать, как могут быть созданы эти знаменитые корреляции. Грубо говоря, эти нелокальные корреляции в некотором смысле прорываются в наше пространство-время извне!

Но не делаем ли мы поспешного вывода? И что же такое эти нелокальные корреляции? Начнем с последнего вопроса, менее сложного. Так как эти корреляции не имеют локального объяснения, их называют нелокальными. Более строго, нелокальный означает «не описываемый через локальные переменные». Определение «нелокальный», таким образом, является негативным: оно не говорит, чем эти корреляции являются на самом деле, но сообщает лишь, чем они быть не могут. Представьте себе, что нам сказали, что некий предмет не красный. Это ничего не говорит о цвете предмета, кроме того, что он не является красным.

Еще один важный аспект негативности данного определения заключается в том, что оно вовсе не значит, что нелокальные корреляции могут использоваться для коммуникации и обмена информацией, ни мгновенной, ни на скорости выше скорости света или же ниже ее. Нелокальные квантовые корреляции вообще ни в коем случае не являются средством коммуникации. Ничто из того, чем мы можем управлять в экспериментах с нелокальными корреляциями, не движется быстрее света. Если нет передачи, то нет и коммуникации. Но результаты, которые мы получаем в эксперименте, невозможно объяснить локальными моделями, то есть их нельзя описать историей, развивающейся в пространстве и времени.

Факт отсутствия коммуникации спасает квантовую физику от прямого конфликта с теорией относительности. Некоторые даже говорят, что они мирно сосуществуют[41] – весьма удивительный способ говорить о двух краеугольных камнях современной физики. Тем не менее эти краеугольные камни покоятся на основаниях, которые полностью противоречат друг другу. Квантовая физика случайна по своей сути, в то время как теория относительности совершенно детерминистична. Квантовая физика предсказывает существование корреляций, которые просто невозможно объяснить при помощи локальных переменных, а в теории относительности все локально самым фундаментальным образом.

Происхождение квантовых корреляций

Чтобы закончить эту главу, давайте ответим на вопрос, как в математическом представлении квантовой физики описываются нелокальные корреляции. Уравнения-то работают очень хорошо, пусть и не объясняют, откуда появились эти нелокальные корреляции.

Согласно формально-математическому описанию, эти особенные корреляции возникают благодаря запутанности, а она, в свою очередь, описывается особым типом волны, которая распространяется в пространстве гораздо большей размерности, чем наше трехмерное. Пространство, в котором распространяются такие «волны», известно в физике как конфигурационное пространство, имеет количество измерений, зависящее от количества запутанных частиц, а конкретно – в три раза больше, чем это количество. В конфигурационном пространстве каждая точка представляет положения всех частиц, даже если они находятся на значительном удалении друг от друга. Таким образом, локальное событие в конфигурационном пространстве может задействовать очень далекие друг от друга частицы. Но мы, простые человеческие существа, не можем воспринять конфигурационное пространство, мы видим только тени происходящего в нем.