Квантовые коты на заре эры новой физики
Шутливый плакат кембриджских студентов
ГЛАВА ТРЕТЬЯКВАНТОВАЯ ПЕРЕПУТАНИЦА
Если две системы, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое взаимодействие, а затем разделяются вновь, то их уже нельзя описывать прежним образом, то есть утверждать, что каждая система пребывает в своем собственном состоянии. Я считаю это обстоятельство самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и классическую науку. Благодаря временному взаимодействию ранее независимые системы становятся запутанными.
СЛОЖНОСТИ НОВОЙ ФИЗИКИ
Давайте вспомним принцип неопределенности Гейзенберга и задумаемся над тем, как можно было бы попытаться обойти его в одном из мысленных экспериментов. Допустим, две одинаковые частицы образовались в результате распада третьей частицы. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это дает нам возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в ее движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, мы сумеем получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Таким образом, получается, что соотношение неопределенностей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и могут быть в будущем уточнены.
Однако теоретически существует возможность, при которой законы квантовой механики останутся абсолютными. Для этого нужно предположить, что две взаимодействовавшие частицы остаются каким-то образом связанными между собой. Тогда возмущения, вносимые измерением в состояние первой частицы, мгновенно перенесутся на состояние второй. Связанные таким образом частицы называются в квантовой механике запутанными и описываются единой волновой функцией, на каком бы расстоянии они ни находились. Передаваемое возмущение соответствует коллапсионной редукции волновой функции. Подобное мгновенное изменение описания квантового состояния микрообъекта, происходящее в процессе физических измерений, было детально описано в двадцатых годах прошлого века одним из создателей математического аппарата квантовой теории Джоном фон Нейманом.
Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (например, нескольких элементарных частиц), и представляет собой наложение друг на друга нескольких квантовых состояний. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях. Здесь еще очень много неясного и все еще не хватает экспериментальных данных. Однако удивительные свойства запутанных состояний подтверждены многими физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы принципиально новых электронно-вычислительных устройств — квантовых компьютеров.
В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Это можно сделать только в случае системы, части которой никогда не взаимодействовали друг с другом.
Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной классической точки зрения.
Система запутанных связей между блоками электронного агрегата
Квантовую запутанность часто сравнивают с множеством электронных связей, объединяющих радиоэлектронные элементы в единый прибор, как аналог целостной физической системы. Запутанное состояние — это несепарабельное (неразделимое) состояние составной системы, которую нельзя разбить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части.
Негатив
Квантовая запутанная система чем-то напоминает фотопластинку с непроявленным изображением. Это своеобразное физическое состояние объекта, когда видимая информация может появиться только после проявления фотопластинки (взаимодействия с окружением). Конечно, ситуация с запутанностью выглядит несколько сложнее, и там нет заранее отображенной «негативной» информации. Скорее это напоминает ситуацию, когда великое множество изображений равномерно распределено по фотонегативу и поэтому невидимо.
ГРАНИЦЫ КВАНТОВОГО МИРА
Вообще говоря, стоит отметить, что теория запутанных состояний касается не только главным образом квантовых микросистем, часть ее результатов можно было бы распространить и на произвольные макрообъекты (см. рис. 6 цв. вкл.). Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Для них квантовая запутанность проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае макрообъектов. Ситуация здесь напоминает применение понятия «волновая функция» в микро- и макромире.
Мера квантовой запутанности непосредственно связана с количеством информации, содержащейся в физической системе. Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать физические процессы изменения степени квантовой запутанности между компонентами системы как обмен информацией с ее окружением.
В целом наличие квантовой запутанности в макроскопических системах до сих пор является предметом бурных дискуссий. При этом наиболее интенсивно обсуждается вопрос квантового принципа несепарабельности — если системы взаимодействуют друг с другом, то они квантово-запутаны между собой (связаны нелокальными квантовыми корреляциями). При этом некоторые теоретики даже склоняются к мысли, что все акты взаимодействия в окружающем мире, вне зависимости от их масштабности, являются предпосылками для квантовой запутанности (несепарабельности) взаимодействующих объектов.
Однако следует четко осознавать, что пока еще физикам не удалось построить непротиворечивую общепризнанную схему нашей Вселенной, состоящей из несепарабельных материальных систем и объектов. В еще большей степени сказанное касается количественного описания макроквантовой запутанности в сопоставлении адекватности теоретических моделей с результатами физических экспериментов.
С понятием квантовой запутанности тесно связано явление декогеренции — потери слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов как когерентности квантовых суперпозиций в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Декогеренция объясняет, как происходит процесс взаимодействия с окружением и как возникает смесь, эквивалентная распределению квантовых объектов по различным состояниям со своими вероятностями.
Некогерентный оркестр
Если соотнести физическую систему с образом оркестра, то ее декогеренция будет напоминать диссонанс мелодии при запутывании системы с ее окружением, возникающий в процессе взаимодействия звуковой среды концертного зала и уличного шума. Представим себе, что вследствие такого запутанного диссонанса дирижер оркестра в ярости ломает дирижерскую палочку и сбегает со сцены. Тогда музыканты распавшегося оркестра начинают исполнять индивидуальные партитуры, а сама исходная система из запутанного начального состояния переходит в незапутанное смешанное состояние.
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ «ЗАПУТЫВАЕТСЯ»
Естественно, что у читателя уже давно должен был возникнуть вопрос: как такая «запутанная» квантовая теория согласуется с экспериментальными данными?
Если проводить опыты над полной системой, то отличить суперпозицию от смеси в принципе можно: суперпозиция приводит к некоторым интерференционным эффектам, которые отсутствуют в случае смеси. Это напоминает отбраковку посуды, когда контролер легкой металлической палочкой ударяет по бокалам и тарелкам. Если посуда цела (полная суперпозиция), возникает чистый тон, а если в стакане есть трещина, то слышен дребезжащий звук (смесь состояний).
Даже если некоторая система находится в состоянии, описываемом суперпозицией, но затем это состояние запутывается с состоянием окружения таким образом, что в окружении остается информация, позволяющая различить компоненты суперпозиции, то состояние системы подвергается декогеренции. Это значит, что оно становится смесью (а не суперпозицией) тех же компонент, причем никакими экспериментами, проведенными над системой (но не затрагивающими окружение, вызвавшее декогеренцию), невозможно выяснить, является ли смесь следствием имевшейся до этого суперпозиции, или она порождается неполным знанием о том, какая из компонент реально существует.