Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

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.

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.

Первые эксперименты по проверке теории квантовой запутанности связаны с именем профессора Венского университета Антона Зайлингера. Для своих опытов Зайлингер выбрал обыкновенные фотоны — кванты электромагнитного излучения, — попытавшись «телепортировать» эти элементарные частицы в иную точку пространства. Важным элементом экспериментов Зайлингера была подготовительная фаза, ведь необходимо, чтобы в некоторой точке пространства оказался фотон, изменяющий свои характеристики в ходе телепортации и точь-в-точь такой же, как исходная частица. Опыты Зайлингера были признаны удачными, и ему действительно, по мнению других независимых исследователей, удалось показать, что в экспериментах по квантовой телепортации происходит не перемещение материальных объектов, а своеобразная череда мгновенных превращений их состояний.

Тут можем прибегнуть к следующему сравнению: представим себе, что в точке выхода квантового «портала» находится зеркало. Что бы ни происходило с исходным фотоном, зеркало отражает его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Правда, аналогия здесь не полная, поскольку изображение в зеркалах отражается со скоростью света, а скорость квантовой телепортации пока еще считается практически неограниченной. Подчеркнем, что это не противоречит теории относительности, поскольку не происходит перемещение материальных предметов и информацию о свершившемся перемещении сторонние наблюдатели тоже могут получить только по обычным «световым» каналам связи.

Основным объектом телепортационных опытов профессора Зайлингера были пары особым образом приготовленных фотонов с перпендикулярными друг другу плоскостями колебаний. С этого момента предполагалось, что если один из фотонов поляризован по горизонтали, то другой должен колебаться лишь в вертикальной плоскости — и соответственно наоборот. Так получили пары завязанных в «квантовый узел» запутанных микрочастиц. Затем запутанная пара направлялась на полупроницаемое зеркало, так что частицы либо отражались от поверхности зеркала, либо проникали сквозь нее. Возможных вариантов событий было четыре: проходят оба, проходят по одиночке и полностью отражаются. В любом случае оба фотона были теперь связаны друг с другом. Значит, свойства фотонов автоматически передавались друг другу, и они становились точь-в-точь такими же, как свои прототипы, находившиеся на расстоянии в несколько метров. В конечном итоге по показаниям детектора определяли, что телепортация состоялась.

Конечно, по сравнению с телепортационными линиями связи из фантастических романов подобные эксперименты выглядят довольно блекло. Ведь в них не происходит никакого переноса элементарных частиц из одной точки пространства в другую, поскольку в приемном устройстве уже имеется свой фотон и передается лишь информация о его поляризации.

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, что такое квантовая информация и как микрочастицы ее копируют, мгновенно «телепатически чувствуя» происходящие друг у друга изменения состояний. Сейчас же заметим, что после нескольких лет проб и ошибок Зайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Тем временем французские физики уже начали проводить опыты по телепортации на атомарном уровне.

Фотоны, атомы… Что дальше?

«Я думаю, что в скором времени мы научимся связывать квантовым образом друг с другом даже крупные молекулы», — оптимистично утверждает профессор Зайлингер.

А недавно было показано, что при помощи запутанных состояний микрочастиц можно с невиданной точностью провести синхронизацию удаленных часов. Ученые сумели использовать пары запутанных фотонов для синхронизации с пикосекундной погрешностью (10-12 с) хронометров, разнесенных на несколько километров. Детектирование одного фотона означает, что другой фотон тоже может быть обнаружен в очень узком интервале времени и такая корреляция между ними может служить для синхронизации часов с очень большой точностью. Синхронизация часов очень часто используется в самых различных физических экспериментах, и повышение точности здесь является довольно старой проблемой. Подобные эксперименты демонстрируют принципиально новый подход и могут иметь множество приложений в фундаментальной и прикладной физике.

Однако проблем вокруг квантовой телепортации еще слишком много. Ведь одним из главных требований «правильного» запутывания является создание «дистиллированно» сверхчистой квантовой среды, а чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект неконтролируемо контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «классическую локализацию», и весь процесс квантового запутывания с последующей телепортацией теряет свой смысл.