Квантовая запутанность в современной физике и её обыденное понимание.
В научной фантастике такие элементы построения мира будущего, как телепортация и мгновенная квантово-механическая коммуникация, довольно распространены и часто подаются как нечто имеющее, если не научное обоснование, то какую-то научную основу из теорий или, хотя бы, гипотез.
И вот, уже в нашем 21-м веке, появляются новости об экспериментах по квантовой телепортации. Начав с одного метра, учёные ставят всё новые рекорды, на данный момент, «шагнув» уже за тысячу километров.
Будущее наступило? Определённо.
Но этой статьи не было бы, будь всё так просто и понятно.
Слово и дело в квантовой физике.
Одна из причин по которой вы видите статью по физике на канале, который рассказывает, в основном, об истории Великой Отечественной, в сходстве проблем понимания того, что значат термины «в быту», то есть, в привычном нам их значении, и в науке.
Разумеется, «в быту» никто никуда не телепортируется и на связь с другими галактиками не выходит, привычное нам значение термина «телепортация» и предполагаемые свойства «квантово-механической связи» задаются, по большей части, в рамках научной фантастики. И, как и в случае с историей, появляются люди, которые начинают паразитировать на сочетании достижений науки в познании окружающего мира и «бытовой» терминологии.
Те, кто читал предыдущую статью, о наблюдении в квантовой физике и смерти "демона Лапласа",
знают, что, например, наблюдение, измерение и взаимодействие в квантовой физике невозможно разделить на привычные нам «в быту» и даже на сформулированные в рамках классической физики понятия. Поскольку, в понятиях квантовой физики, невозможно ни наблюдать, ни измерить без взаимодействия, причём, верно и обратное, нельзя взаимодействовать, не измерив/пронаблюдав объект.
Квантовая телепортация, как и коммуникация*, столь же обманчива. На самом деле, о передаче того, что мы могли назвать чем-то вещественным, речь никогда не шла, как и о «сверхсветовых» скоростях.
- за этими словами стоит одно и тоже явление, на самом деле
Запутанные частицы, во всех экспериментах с ними, перемещались «своим пешком», ничем не отличаясь от «не запутанных», «передавалось» же состояние частицы. И кавычки тут стоят не просто так.
Эксперименты, которые заходят всё дальше и дальше.
Как бы мы ни представляли себе науку, но, в реальности, толчками для её развития становятся не столько концепции, сколько наблюдения и эксперименты. Это верно для науки исторической, опирающейся на материальные артефакты и документы, а не выдуманные истории, которым потом ищут какие-то подтверждения, это верно и для физики. Так теория относительности родилась не просто "в голове" Эйнштейна, а стала математическим объяснением результатов экспериментов и астрономических наблюдений ещё конца 19-го века, среди которых измерение скорости света и независимость этой самой скорости от направления, что расходилось с концепцией мирового эфира в абсолютном пространстве или, проще говоря, с "ньютоновской" физикой. И астрономическими наблюдениями, вроде парадоксального изменения наблюдаемого размера небесных тел в зависимости от их движения относительно наблюдателя.
Именно такая простейшая цепочка:
- наблюдение и эксперимент
- математическое решение и формулы
- трактовка
привела современную науку к совершенно безумным, на сторонний взгляд, концепциям. И эта же цепочка отделяет тех людей, кто читает лекции в университетах, от тех, кто рассказывает о своих представлениях о мироздании только Наполеону, Прокурору и санитарам, хотя звучит порой очень похоже.
Эта цепочка не обязательно должна быть последовательной, но она должна быть полной. Необходимый минимум - учёные должны стремится к её заполнению, даже, если потребуется очень много времени.
В основе открытия свойств квантовой запутанности лежит всё тот же двухщелевой эксперимент или опыт Юнга*,
который ещё в начале 19-го века выявил волновую природу света. Дополнив опыт детекторами, которые взаимодействовали с частицами за одной из щелей или за обеими, экспериментаторы получили на руки доказательства двойственности природы света, который вёл себя и как волна, и как частица, в зависимости от условий эксперимента.
Помимо влияния наблюдения/взаимодействия на свойства частицы, у эксперимента есть и ещё один интересный результат - это влияние частиц друг на друга. Ведь частица не проходящая через детектор также меняет своё поведение, следуя за "соседкой по волне" или ведёт себя как частица, если "соседка" встретила детектор. Условием такой связи между частицами и было наличие у них единой волновой функции или, иначе, квантовой запутанности, которая разрушалась при встрече одной из частиц с детектором.
Усложнение экспериментов с частицами и рост точности аппаратуры привели к постановке экспериментов условия которых были полностью "информационными".
- второе полупрозрачное зеркало - это условие создания интерференционной картины, оно исключает точную информацию о том, как двигалась частица до встречи с детектором, случайным образом отражая или пропуская световую волну
А затем и таких экспериментов, в которых путь до детектора превышал путь до экрана-поглотителя частиц. И в них не детектированная частица "изменяла" своё поведение ещё до того, как детектированная достигала, собственно, детектора. Экспериментаторы стали увеличивать расстояния между запутанными частицами, чтобы наверняка исключить взаимное влияние частиц "классическим" путём, то есть, передачей других частиц, что и положило начало гонке за рекордами расстояний.
- сейчас эта гонка обрела уже вполне прикладное значение в рамках квантовой криптографии
Теоретической базой экспериментов стало противоречие "эйнштейновской" физики и квантовой, которое сам Эйнштейн в соавторстве с Подольским и Розеном сформулировали, в качестве парадокса, ещё в 1935-м году.
- принцип неопределённости Гейзенберга сформулирован в 1927-м году, парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена сформулирован в 1935-м году, теоремы Белла, его решавшие, в 1964-1966-м году, поляризационные эксперименты с запутанными частицами ставятся с конца 1970-х годов, успешно с 1981-1982-го, опыты с квантовой телепортацией начались с 1997-го года
Ведь нет никакой проблемы измерить свойства частицы, не оказав на неё воздействия, если у экспериментаторов есть две частицы определяемых одной математической волновой функцией - измерить одну и вторая никуда не денется, её свойства можно будет рассчитать. Если, конечно, между собой они никак не взаимодействуют или не составляют, всё ещё, единое целое... Эксперименты, однако, сначала показали, что свойства запутанных частиц взаимно меняются, затем, что эти изменения не ограничиваются каким-то расстоянием и даже видимой последовательностью.
Итоги.
Именно это и было названо квантовой телепортацией. Мгновенное взаимное изменение свойств квантово-запутанных частиц на расстоянии.
С одной стороны, это открытие невероятно в плане познания законов окружающего мира, с другой, трудно придумать более неподходящий термин, чем телепортация, в отношении этого явления. Поскольку всё, что можно назвать материальным, в этих экспериментах движется самым обычным образом. И даже передача состояния частицы, хотя и фиксируется, если говорить формально, на деле же, свойства частиц закладываются в эксперимент с самого начала.
Несколько сложнее дела обстоят с квантовой коммуникацией, передача запутанными частицами информации, в самом привычном смысле слова, происходит с той скоростью, с которой частица движется, тут никакой фантастики нет и не предвидится. Однако, существует теоретическая возможность развести запутанные частицы на неограниченное расстояние, сохраняя их запутанность длительное время, никак их не измеряя, иначе говоря, оставляя их в состоянии суперпозиции. Тогда измерив одну частицу, можно изменить состояние и другой, и передать таким путём что-то... Само изменение ничего не скажет получателю, он не узнает о нём, пока не измерит частицу на своей стороне.
Хотелось бы в конце увидеть однозначный вывод о том, что учёные всё врут про эти коммуникации и телепортации. На деле, сказать уверенно про перспективную мгновенную квантовую коммуникацию возможно/невозможно у автора этих строк нет квалификации. Возможно, что ограничения в будущем, с новыми открытиями в квантовой механике, будет возможно обойти. В конце концов, учёные от запутывания частиц уже перешли к целым молекулам, что не так-то просто, ведь молекулу ещё надо "отцепить" от всей нашей Вселенной. А телепортация...
Телепортацией назвали лабораторный опыт, подчеркнув огромное значение тех результатов и сделанных из них выводов, что были получены по его итогам. И не вина научного сообщества, что термины употребляются по созвучию, а не по значению.
Во времена более старые, когда квантовая физика активно критиковалась, свойства запутанных частиц описывались словом "телепатически", видимо, чтобы подчеркнув мистичность и нематериальность предполагаемой связи между запутанными частицами, показать её невозможность. Вряд ли можно назвать совпадением, что астропаты и просто телепаты по страницам ныне классических научно-фантастических произведений бродили потом несколько десятилетий, только недавно окончательно переехав в космооперу и фэнтези.
- подержать канал можно лайком, добрым словом, рекомендуя его своим друзьям или финансово:
