Квантовая запутанность: «жуткое действие» Эйнштейна простыми словами

Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии» и терпеть не мог. Восемьдесят лет спустя на этом принципе строят квантовые компьютеры и нерушимые шифры. Но что такое запутанность на самом деле — и что она говорит о природе реальности?

Проблема, которую Эйнштейн не мог принять

Существует теория, которая работает безупречно, предсказывает результаты экспериментов с точностью до двенадцатого знака после запятой — и при этом никто, ни Бор, ни Фейнман, ни кто-либо сегодня, не понимает до конца, что она означает. Квантовая механика — это карта, которая доведёт вас куда угодно, не показывая самой местности.

Запутанность стоит в самом центре этой странности. Два частицы оказываются запутанными, когда взаимодействуют так, что квантовое состояние каждой из них нельзя описать независимо от другой — даже когда между ними огромное расстояние. Измерьте одну — и мгновенно узнаете нечто определённое о другой. Не потому что сигнал пробежал между ними. Не потому что они были запрограммированы заранее. Корреляция реальна — и она нелокальна.

Эйнштейн изложил своё возражение в 1935 году вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном в статье, известной как парадокс ЭПР. Их аргумент: либо квантовая механика неполна (существуют «скрытые переменные»), либо физика допускает влияния, распространяющиеся быстрее света. Оба варианта казались ему неприемлемыми. В выводе он ошибся — хотя, возможно, не в своём беспокойстве.

Теорема Белла: аргумент, расставивший точки

В 1964 году физик Джон Белл опубликовал одну из важнейших теорем в истории науки. Он математически доказал: если скрытые переменные существуют — если частицы несут заранее заданные ответы на все возможные измерения, — то корреляции между результатами измерений не могут превышать определённого предела. Это неравенство Белла.

Неравенство проверяемо. И оно проверялось. Самый известный эксперимент провёл Ален Аспе с коллегами в 1982 году: неравенства Белла были нарушены с высокой статистической достоверностью. Позднее «безупречные» эксперименты — прежде всего Хенсена и коллег в 2015 году с запутанными электронными спинами в алмазах, разнесёнными на 1,3 км, — закрыли оставшиеся возражения. Вселенная подлинно нелокальна в том смысле, который Эйнштейн отказывался признавать.

Чего это НЕ означает

Вот где популярные объяснения уходят в сторону. Запутанность не позволяет передавать информацию быстрее света. Когда вы измеряете свою частицу и узнаёте что-то о её партнёре, вы не можете выбрать результат — он случаен. Ваш партнёр, измеряя свою, также получает случайный результат. Корреляция обнаруживается лишь позже, когда вы сравниваете данные — по обычному каналу, ограниченному скоростью света. Нелокальность — в структуре корреляций Вселенной, а не в каком-либо сигнале.

Это тонко, странно и не особенно утешительно. Вселенная имеет корреляции, которые нельзя объяснить локальными причинами, — но использовать их для передачи информации невозможно. Природа устроена с почти намеренной иронией.

Почему это важно практически

Квантовое распределение ключей использует запутанность для создания криптографических ключей, где любая попытка перехвата нарушает квантовые состояния и потому обнаруживаема. Китай запустил спутник Micius в 2016 году и продемонстрировал квантовую криптографию на расстоянии 1200 км в 2017-м. Квантовые вычисления используют запутанность как вычислительный ресурс: запутанные кубиты исследуют множество вычислительных путей одновременно.

Философская тяжесть вопроса

Что означает, что Вселенная содержит корреляции без локальной причины? Одни физики выбирают инструментализм: математика работает, перестаньте спрашивать о смысле. Другие принимают интерпретацию многих миров Эверетта (1957), где каждое квантовое измерение расщепляет реальность на ветви. Третьи исследуют реляционную квантовую механику Ровелли. Ни одна из интерпретаций экспериментально не отличима от других.

Запутанность подсказывает: отдельность — идея о том, что объекты обладают независимыми свойствами, — возможно, менее фундаментальна, чем мы думаем. Связи могут быть столь же реальны, как и связанные ими вещи.

Часто задаваемые вопросы

В: Можно ли использовать квантовую запутанность для телепортации объектов?

О: Квантовая телепортация — реальное явление, но речь идёт о передаче квантовых состояний, а не материи. С помощью запутанности и классического канала можно перенести полное квантовое состояние частицы в другое место — но оригинал при этом уничтожается, и классический канал всё равно ограничен скоростью света. Никакая материя и никакая информация не перемещается быстрее света.

В: Доказана ли квантовая запутанность окончательно?

О: Безупречные тесты Белла 2015 года и последующие эксперименты исключили локальные теории скрытых переменных с чрезвычайно высокой достоверностью. Некоторые экзотические нелокальные теории скрытых переменных технически совместимы с наблюдениями, но в любом случае требуют принятия нелокальности — что и было первоначальным возражением Эйнштейна.

Любопытные умы находят друг друга. Познакомьтесь с теми, кто задаёт те же вопросы, на Good People Map.