Для проведения предложенного Беллом эксперимента требовались технические решения, недоступные в середине 1960-х, и физик не рассчитывал увидеть его поставленным. Однако эти эксперименты провели уже к началу 1980-х гг. (с использованием фотонов вместо электронов). В результате было доказано, что неравенство Белла нарушается. С тех пор это подтверждено множеством подобных опытов на все более хитроумной технической базе.
Локальная реальность не является достоверным описанием нашего мира. Сам Джон Белл на конференции в Женеве в 1990 г. сказал: «Мне не известно ни об одной концепции локальности, которая работает с квантовой механикой. Поэтому я думаю, что мы обречены на нелокальность». Эйнштейн, возможно, считал, что «никакое разумное определение реальности» не может этого допустить, но мы вынуждены сделать вывод, что реальность, говоря его же словами, не является разумной. Однако самую впечатляющую особенность часто упускают из виду. Хотя стартовой точкой для теоремы Белла была попытка разобраться в квантовой физике, да и приведенные выше слова были сказаны на конференции по квантовой физике, результаты относятся не только к области этой науки. Они относятся ко всему миру — к нашей Вселенной. Не имеет значения, думаете ли вы, что когда-нибудь квантовую физику в качестве описания нашего мира может заменить что-нибудь другое, или нет. Эксперименты показывают, что локальная реальность не применима ко Вселенной. Чем вы предпочтете утешиться — сохранить реальность и принять нелокальность или сохранить локальность и отвергнуть реальность, — дело ваших личных предпочтений, как мы увидим позже. Но сохранить то и другое невозможно (хотя, в принципе, можно было бы отказаться сразу и от того и от другого, если вам хочется по-настоящему повредить мозг). Однако, прежде чем искать утешения для наших закипающих мозгов, стоит, пожалуй, довести историю запутанности до наших дней, поскольку из нее следует немало серьезных практических приложений.
К их числу относится, в частности, квантовая телепортация. В основе этого явления лежит уже доказанный экспериментально факт, что если два квантовых объекта, к примеру два фотона, запутаны, то, как бы далеко друг от друга они ни находились, происходящее с одним из них обязательно скажется на другом. По существу, они представляют собой отдельные части единого квантового объекта. Квантовой телепортацией нельзя воспользоваться для передачи информации быстрее скорости света, потому что в том, что происходит с каждой частицей, задействованы вероятность и случайность. Если один фотон перевести в некоторое случайное квантовое состояние, то второй одновременно примет другое квантовое состояние. Но любой наблюдатель возле второго фотона увидит лишь случайное изменение состояния, подчиняющееся правилам вероятности. Чтобы это изменение могло передать какую-то информацию, тот, кто вызвал изменение состояния первого фотона — кто бы это ни был, — должен прислать наблюдателю сообщение традиционными способами (медленнее скорости света) и сообщить ему, что происходит. Но если воздействовать на один фотон определенным образом, второй фотон можно превратить в точную копию первого (иногда ее называют клоном), в то время как состояние первого фотона рандомизируется. По сути дела, получается, что первый фотон телепортировался в локацию, где находился второй. Но поскольку состояние первого фотона при этом будет утрачено, назвать этот процесс дублированием нельзя. И опять-таки для его завершения также необходимо переслать наблюдателю информацию посредством какого-нибудь вида «досветовой» связи. Телепортация позволяет передать информацию, но требует наличия как «квантового канала» связи, так и «классического канала».
На создание подобных систем были направлены огромные усилия ученых, в первую очередь потому, что подобная технология обещает в будущем создание принципиально невзламываемых шифров, необходимых и бизнесу, и власти. Любая попытка прослушать квантовый канал вызвала бы искажение передаваемых данных, делая их бесполезными и раскрывая сам факт вмешательства. И неважно, если кому-то удастся прослушать традиционный канал: как отмечают специалисты по квантовой криптографии, его содержимое можно публиковать в газетах или выкладывать в социальных сетях для всех заинтересованных лиц. Для прочтения зашифрованной информации требуются оба канала. Кроме того, запутанность играет важную роль в разработке квантовых компьютеров — а эта тема в наши дни представляет большой интерес. Исследователи мечтают о полностью безопасном квантовом интернете, в котором квантовые вычисления, запутанность и телепортация будут обеспечивать абсолютно безопасную передачу информации.
Эксперименты такого рода уже вышли за стены лабораторий в большой мир — и даже за его пределы. В 2012 г. группа китайских ученых телепортировала квантовую информацию через озеро Цинхай на расстояние 97 км. В том же году группа европейских ученых телепортировала фотоны на 143 км между островами Пальма и Тенерифе в Канарском архипелаге. Оба эксперимента, заметим в скобках, подтвердили нарушение неравенства Белла; этот факт сегодня физики считают таким же само собой разумеющимся, как то, что яблоки падают с деревьев на землю.
В эксперименте на Канарских островах участвовали наземные станции в горах на высоте около 2400 м над уровнем моря, где разреженный воздух заметно снижает атмосферные помехи. Выше воздух еще более разрежен, и на высоте менее 143 км над островом Пальма начинается граница космоса. В 2016 г. Китай вывел на орбиту спутник «Мо-цзы» (названный в честь древнего китайского философа), с которого запутанные пары фотонов посылались на две станции, расположенные высоко в горах Тибета на расстоянии 1200 км друг от друга. И хотя спутник двигался со скоростью, близкой к 8 км/с, фотонные пучки при этом направлялись точно в цель. Поведение фотонов следовало теореме Белла, что никого не удивило, но на самом деле это был подлинный триумф современной техники. Такая аппаратура работает только ночью, поскольку солнечный свет ослепляет детекторы, да и «уловить» на земле удается лишь один из каждых шести миллионов фотонов, посланных со спутника (к счастью, фотоны нынче недороги). Тем не менее уже есть планы по созданию группировки спутников с более мощными источниками фотонов, которые можно было бы улавливать даже днем (что стало бы основой для сети квантовой связи), а также по телепортации фотонов с Земли на спутник. Вероятно, к моменту, когда вы это прочтете, будут уже и новые успехи в этой области, и новые заголовки научных новостей. Но если технари могут и дальше следовать правилу «заткнись и считай», то физики не могут прийти к согласию между собой о том, что все это значит — почему мир таков, каков он есть.
Пора подробнее рассмотреть несколько направлений, в которых ученые ищут утешения. Но вернемся на землю и вспомним эксперимент с двумя отверстиями, в котором каждый электрон, кажется, «знает», сколько отверстий в этот момент открыто и куда он направляется. Может быть, и здесь дело не обходится без запутанности — пресловутого жуткого дальнодействия? Если пара фотонов, летящих в противоположных направлениях, представляет собой по существу часть единой квантовой системы, то нельзя ли рассматривать всю установку двухщелевого эксперимента и электрон (или все электроны?) как части единой квантовой системы? Быть может, электрон знает, какие отверстия открыты, потому что состояние отверстий тоже является частью состояния электрона. Впрочем, само понятие запутанности было еще неизвестно, когда физики впервые попытались найти утешение в одной из интерпретаций квантовой механики, которая на несколько десятилетий стала общепринятой.
Утешение 1Не такая уж распрекрасная копенгагенская интерпретация
Интерпретация квантовой механики, ставшая на несколько десятилетий определяющей точку зрения физиков, основана на идее волн — и во многом на отходе от оговорки «как если бы». В 1920-х гг. физики уже знали, что квантовый мир можно описать с помощью одного из двух математических методов. Первый из них, нашедший свое выражение в уравнении Шрёдингера, рассматривал волновые взаимодействия. Второй метод, оперировавший исключительно числами в виде таблиц (матрицами), основывался на работах Вернера Гейзенберга и Поля Дирака. Оба метода давали одинаковые ответы, и какой из них использовать — было делом вкуса и личного выбора. Поскольку физики в большинстве своем уже были знакомы с волновыми уравнениями, их в основном и выбирали. Однако в любых квантовых расчетах вычисляется отношение между двумя состояниями системы. При этом системой может быть электрон, эксперимент с двумя отверстиями или (в принципе) вся Вселенная, а также любой промежуточный вариант между электроном и Вселенной. Если у вас имеется набор параметров, описывающих систему в состоянии A, вы можете рассчитать вероятность того, что спустя некоторое время эта система окажется в состоянии B. Но при этом у вас нет никакой информации о том, что происходит между этими двумя моментами.
Архетипический пример — электрон в атоме. В некоторых случаях можно производить расчеты, как если бы (опять эта оговорка) электроны находились на круговых орбитах, соответствующих разным значениям энергии. Если атом излучает энергию в форме света, какой-то электрон исчезает с одной орбиты и появляется на другой, ближе к ядру атома. Если атом поглощает свет, электрон исчезает со своей орбиты и появляется на более удаленной от ядра атома. При этом электрон не движется с одной орбиты на другую. Только что он был здесь — и вот он уже там. Это явление известно как квантовый скачок[7]. По расчетам Шрёдингера, волновая теория должна была объяснить, что происходит в процессе такого скачка, но это не удалось, и исследователь сказал: «Если эти чертовы квантовые прыжки останутся с нами навсегда, я, наверное, пожалею, что вообще связался с квантовой теорией». Что ж, остается только посочувствовать прославленному физику — квантовые скачки никуда не делись и уже не денутся. Матричный подход более честен: он не обещает объяснить нам, что происходит в промежутке между состояниями A и B, но утешает меньше, чем уравнение Шрёдингера.