Запутанные состояния

Что такое запутанные состояния, легко понять из такого наглядного примера: если не глядя расфасовать в коробочки черный и белый шар, а затем отправить их в пункты А и В, то если в пункте А окажется черный шар, то в пункте В со 100%-ной вероятностью окажется белый. Если перейти к квантовой реальности, то этот наглядный пример свидетельствует о следующем: если один квантовый объект в рожденной квантовой паре оказывается с заданной проекцией спина, то другой объект этой пары всегда будет иметь противоположный спин, поскольку в спаренном состоянии не может быть двух объектов, имеющих одинаковый спин в одном энергетическом состоянии. При расщеплении пары и сохранении согласованности спины оказываются все так же согласованными, то есть противоположными. В этом проявляется неравенство Белла (см. далее), которое для «запутанных» квантовых объектов свидетельствует о существовании глубинной внутренней связи между посланным в разные стороны объектами. Причем эта связь не зависит ни от расстояния, ни от времени: если два объекта были некогда «спутаны», то второй ведет себя так, как будто связь между ними сохраняется сколь-угодно долго. Можно сказать, что такие состояния вневременны.

Хотя понятие «запутанности» состояний прочно вошло в научную литературу, мне этот термин кажется не вполне удачным и адекватным — лучше реальное положение вещей, как мне кажется, отражают понятия «связанные», «породненные», «сцепленные», «спаренные», «взаимосогласованные» или «скоррелированные» состояния.

Запутанные состояния и связанные с ними «нелокальные эффекты» находятся в начальной стадии исследования, и поэтому любые гипотезы или формализации представляют большой интерес. Что до терминологии, то она также требует большей адекватности природе вещей: «запутаннсть» — это действительно генетическая «связанность» состояний их общим происхождением, «родственность» на понятном всем языке.

Квантовая «суперпозиции состояний» означает одновременное сосуществование у микрообъекта всех возможных состояний с определенной вероятностью для каждого. Принцип суперпозиции состояний считается одним из основных принципов квантовой теории. Скажем, если говорить об описании положения электрона, то «суперпозиция состояний» характеризует вероятность его нахождения в пространстве, то есть топологию электронного «облака» или форму электронной орбитали.

Главное различие классического и квантового объекта состоит в том, что мы всегда можем определить место и время прохождения первого через заданную точку, тогда как для квантового объекта можно говорить лишь о вероятности прохождения, причем реализуются все возможные вероятности, скажем квантовый объект (релятивистский электрон), как граф Калиостро, способен пройти одновременно через две или несколько точек.

Физически это связано с тем, что при скорости, равной скорости света, время взаимодействий (возмущений) квантового объекта становится равным нулю, то есть электрон способен одновременно взаимодействовать с разными влияющими на него факторами. Из-за того, что у электрона просто «нет времени» для выбора, он с классической точки зрения физически не может различить разные варианты взаимодействия, то есть одновременно участвует в двух взаимодействиях: один и тот же электрон проходит через две щели с разной плотностью волны в каждой и потом интерферирует между самим собой как две наложившиеся волны. Можно сказать, что, в отличие от монеты, для электрона «чет и нечет» могут реализовываться одновременно.

Детерминизм классического объекта определяется конкретным состоянием в пространстве и времени, тогда как квантового — только вероятностью, описываемой волновой функцией или вектором состояния *. (* Волновая функция — частный случай представления вектора состояния как функции координат и времени).

В этом контексте я практически не буду использовать понятие волновой функции и вот почему. Вектор состояния отличается от волновой функции отсутствием привязки к пространству и времени, в то время как в шредингеровском представлении волновой функции предполагается наличие канонических координат и импульсов. Поэтому в понятии волновой функции наряду с квантовым присутствует элемент редукции — классического подхода к реальности. Просто четкие локализации объекта заменены здесь вероятностями его нахождения. Отсюда и так называемый корпускулярно-волновой дуализм, также носящий на себе следы классического подхода. К чисто квантовым состояниям понятия пространства и времени вообще неприменимы, а редукция возникает лишь в процессе рематериализации нелокального источника реальности.

Вектор состояний определяет полный набор состояний, в которых может находиться замкнутая квантовая система). Впрочем, квантовый детерминизм касается лишь целостного описания «волны» электрона или кванта. Но, в виду отсутствия собственного времени для кванта, он взаимодействует абсолютно случайно, то есть нет никакого абсолютного критерия заранее предсказать результат измерения совокупности его параметров. Исходя из классического представления, он абсолютно недетерминирован.

Запутанные состояния не следует путать со смешанными. Смешанные состояния означают, что система может быть с определенной вероятностью обнаружена в одном из состояний, но никак не в нескольких состояниях одновременно.

Запутанные (связанные, породненные, сцепленные, спаренные, взаимосогласованные, скоррелированные) состояния возникают в квантовой изолированной системе, части которой взаимодействовали, но затем система распалась на невзаимодействующие друг с другом подсистемы. Термины «запутанность» и «нелокальность» очень близки и означают наличие в системе квантовых корреляций, генетического сродства состояний.

Влияя на параметр одной «спутанной» частицы, или на ее волновую функцию, мы тем самым меняем состояние «связанной», «породненной» частицы, точно описываемое той же функцией. Идентичные волновые функции обеспечивает то, что вероятности для двух «породненных» частиц реализуются одинаково.

На бытовом языке можно сказать, что «родственность» квантовых объектов сохраняется, где бы они не находились и как бы далеко не разнесла их «судьба». Скажем, близкие родственники обладают свойством интуитивно чувствовать взаимные радости или горести, причем для этого нет необходимости в почте или времени передачи информации.

«Запутанное состояние» системы, состоящей, скажем, из двух частиц, проявляется в наличии самосогласованной корреляции между ними, сохраняющейся при их разнесении на любые расстояния. Наличие квантовых корреляций — главное свойство запутанных состояний, означающее наличие «вечной» и «нелокальной» связи между характеристиками квантовых объектов после их рождения или взаимодействия.

В отличие от запутанных, смешанные состояния возникают в результате измерений, выполненных над чисто квантовыми состояниями. Это результат «материализации» * (* На языке квантовой физики «рематериализация» носит название декогеренции, см. далее) чисто квантовых состояний. То есть смешанные состояния приводят к «материализации» — появлению классических объектов, воспринимаемых нашими органами чувств и классическими устройствами (приборами).

Надо иметь в виду, что чисто квантовые состояния возможны лишь в замкнутой (полностью изолированной) системе. Именно такие системы являются непроявленными, невидимыми. Здесь надо иметь в виду, что в случае чисто квантовых состояний любые корреляции являются квантовыми, то есть соответствуют запутанным состояниям *. (* И. В. Баргатин, Б. А. Гришанин, В. Н. Задков. Запутанные квантовые состояния атомных систем. УФН 171 (6), 625 (2001).

Запутанность и связанные с нею нелокальные квантовые корреляции возникают в результате взаимодействия системы со своим окружением, причем величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия, «степени родства». Существует много каналов квантовой запутанности с различной мерой их единства или несепарабельности (единства, сродства, неразделимости). Я обращаю внимание читателя на используемый язык, дабы подчеркнуть сложность передачи «квантовости» как явления языком обыденной речи — этому я посвящу отдельный раздел этой книги.

Главная, можно даже сказать — «сверхъестественная», особенность запутанных состояний состоит в том, что у них нет аналогов в классической физике, то есть, являясь неотъемлемой частью глубокой реальности, они полностью выходят за пределы привычных представлений о реальности (то есть здравого смысла). Между тем, именно запутанные состояния кардинально меняют наше миропонимание и выводят его на качественно новый уровень, в каком-то смысле превосходящий мистический или фантастический. Причем на практике речь уже идет не о построении новой теории, а о создании принципиально новых устройств, немыслимых для классической физики *. (* В качестве примеров таких устройств можно привести квантовый криптограф, обеспечивающий абсолютную защиту связи от подслушивания, или находящийся в разработке квантовый компьютер с совершенно неограниченными возможностями). В частности, гарантией успешности квантовой криптографии являются сами законы квантовой механики: невозможно расшифровать передаваемый код, не оставив следа, так как невозможно получить информацию о квантовой системе, не изменив ее состояния.

Квантовая запутанность присуща системе, состоящей из нескольких взаимодействующих подсистем, и представляет собой суперпозицию различимых состояний. Но запутанность — это не простое наложение различных квантовых состояний друг на друга, но такое их переплетение, когда нет возможности отделить одно состояние от другого. Можно сказать, что именно квантовая запутанность ведет к абсолютной согласованности (синхронности) поведения отдельных частей системы. В максимально запутанных состояниях элементы системы согласованы абсолютно, то есть не могут изменяться независимо один от другого.

Надо иметь в виду, что связь элементов квантовой системы определяется не посредством классических взаимодействий, ограниченных скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций, происходящих мгновенно (даже если они разделены в пространстве на сколь угодно большие расстояния). Сказанное полностью противоречит пресловутому здравому смыслу и выглядит магией в прямом смысле этого слова.

Квантовая запутанность — прямое следствие неразрывной целостности, единства или «родства» квантовой системы. Можно сказать, что мера единства или родства квантовой системы определяется степенью квантовой запутанности. Именно принципиальная невозможность разделить запутанное состояние на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части лежит в основе квантового мира.

Естественно, в популярной книге нет необходимости количественно описывать квантовую запутанность и меру такой запутанности, как это сделано в современной теоретической физике *, (* См., например, C. H. Bennett, H. J. Bernstein, S. Popescu, B. Schumacher. Phys. Rev. A 53, 2046 (1996), но теория таких состояний позволяет количественно работать с ними точно так же, как с другими физическими величинами.

Идея запутанных состояний принадлежит Д. Бому и описывает самосогласованное поведение «сцепленных» частиц: изменение состояния одной из них приводит к мгновенному изменению другой, сколь далеко бы она ни находилась от первой.

Такого рода квантовые корреляции в запутанных системах можно поставить в соответствие с «телепатической» передачей сигнала: один объект системы непосредственно «ощущает» свое единство с другими объектами таким образом, что любые внешние изменения «передатчика» мгновенно воспринимаются «приемником».

Согласно Д. Бому, «сцепленные» частицы взаимодействуют и меняют состояние на любом расстоянии не потому, что они обмениваются таинственными сигналами между собой, а потому, что их «разделенность» есть иллюзия: на более глубоком уровне реальности запутанные частицы — вовсе не отдельные объекты, а манифестации цельности, единства и синхронности квантовой системы.

Сказанное Д. Бом поясняет на визуальном примере аквариума с рыбкой. Если у нас есть возможность наблюдать ситуацию с помощью двух телекамер, снимающих рыбку в фас и в профиль, то мы увидим не один, а два объекта, находящихся между собой во взаимосвязи. Движение рыбки на первом мониторе самосогласовано с движением другой рыбки на втором. Если рыбка, плавая, не меняет курс, то мы всегда будем видеть ее или в анфас или в профиль. Если у нас нет информации о том, что мы наблюдаем за одной и той же рыбкой, то можно сделать ошибочный вывод о том, что две рыбки неведомым образом мгновенно сообщаются друг с другом.

Это не более чем сильно упрощенный образ для иллюстрации запутанных состояний. Есть ряд других — более сложных и специфических. Но все они явно недостаточны для того, чтобы описать управление нелокальными квантовыми корреляциями в системе или переходы из одного состояния в другое или из нелокальности в локальность.

Очень важный момент квантовой теории, без которого невозможно ее дальнейшее понимание: квантовые объекты являются непроявленными, невидимыми, «запредельными» — они существует «везде и нигде». Процесс «проявления» нелокальных квантовых состояний в локальные элементы реальности, представляет собой «материализацию» объекта «из ничего». И, наоборот, переход объекта из локального в нелокальное состояние внешне выглядит как его сверхъестественное исчезновение из физической реальности. Именно эти процессы я именую ре- и дематериализацией.

Фактически квантовая теория имеет дело с трансформациями «абсолютной пустоты» или «физического вакуума» в которых с точки зрения классической физики нет ни материи, ни вещества, ни поля, но в процессе их рематериализации всё это возникает.

Важно отметить, что при измерении возникает квантовая корреляция (запутывание) измеряемой системы с прибором, но при этом суперпозиция собственно квантовых состояний не меняется: и до измерения, и после него состояние представляет собой суперпозицию, разные компоненты которой соответствуют различным результатам измерения. Вместе с тем взаимодействие замкнутой квантовой системы с окружением может приводить как к повышению, так и к понижению меры запутанности (разрушению суперпозиции состояний, снижению сродства) между ее подсистемами, так что они могут «проявляться» в виде локальных объектов. Этот физический процесс называется декогеренцией (я бы сказал — «рематериализацией). Обратный процесс роста запутанности (рекогеренция, дематериализация) ведет к усилению квантовых проявлений системы — «концентрации» запутанности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: