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

Как же можно практически использовать новые возможности квантовых каналов передачи информации? Давайте обратимся к оригинальному отрывку из книги известного американского физика Брайана Р. Грина «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности». В нем рассказывается, как герои телесериала «Секретные материалы» Малдер и Скалли получают странные одинаковые посылки инопланетного происхождения, в которых «находятся маленькие, защищенные от света титановые коробочки, пронумерованные от 1 до 1000, и письмо… письмо говорит, что каждая титановая коробочка содержит инопланетную сферу, которая сверкнет красным или синим в момент, когда будет открыта маленькая дверца на боку коробочки».

Далее Малдер разъясняет Скалли:

«Письмо говорит, что до того, как любая данная коробочка будет открыта, сфера имеет возможность сверкнуть или красным, или синим, и она делает выбор между двумя цветами в момент открытия дверки хаотически. Но здесь есть странная часть. Письмо говорит, что хотя твои коробочки работают точно таким же образом, как и мои, — хотя сферы внутри каждой из наших коробочек и выбирают хаотично между красным и синим сверканиями, — наши коробочки неким образом работают в тандеме. Письмо утверждает, что имеется таинственная связь, так что, если будет синяя вспышка, когда я открою мою коробочку 1, ты также обнаружишь синюю вспышку, когда ты откроешь твою коробочку 1; если я увижу красную вспышку, когда я открою коробочку 2, ты тоже увидишь красную вспышку в твоей коробочке 2 — и так далее».

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это физическое устройство, предназначенное для выполнения логических операций с помощью специально преобразованных квантовых состояний. Схематично работу квантового компьютера можно представить в виде следующего последовательного алгоритма: «ЗАПИСЬ» — подготовка начального состояния; «ВЫЧИСЛЕНИЕ» — преобразование начального состояния по специальной процедуре; «ВЫВОД» — детектирование результата измерения проецированного конечного состояния.

Единица информации

Информационная единица классических компьютеров — бит может иметь одно из двух состояний: 0 или 1; абстрактно бит можно представить стрелкой, направленной вверх или вниз.

Измерение квантовой информации

В микромире информация может измеряться с помощью особых единиц — квантовых битов — кубитов, которые имеют большое количество возможных состояний. Эти состояния можно представить стрелкой, указывающей на точку сферы. Северный полюс сферы эквивалентен 1, а южный — 0. Другие положения соответствуют квантовым суперпозициям 0 и 1. В общем, это стандартное представление для бита информации, имеющего единичное или нулевое значение, но с учетом вероятностного характера взаимодействующих квантовых подсистем.

Итак, Скалли и Малдер решительно открывают свои загадочные коробочки и «…сравнивая цвета, которые вспыхивают внутри каждой коробочки, Скалли и Малдер действительно находят соответствие, предсказанное в письме. Временами сфера в коробочке сверкает красным, временами синим, но при открывании коробочек с одинаковыми номерами Скалли и Малдер всегда видят вспышку одинакового цвета.

Малдер приходит во все большее возбуждение и ажиотаж от инопланетных сфер, но Скалли все это совершенно не впечатляет.

— Малдер, — мрачно говорит в телефон Скалли, — тебе в самом деле нужен отпуск. Это глупо. Очевидно, что сферы внутри каждой из наших коробочек запрограммированы, чтобы мигать красным, или они запрограммированы, чтобы мигать синим, когда дверца их коробочки открыта. И кто-то послал нам эти бессмысленно и одинаково запрограммированные коробочки, с тем чтобы ты и я обнаруживали одинаковые цвета вспышек в коробочках с одинаковыми номерами».

Малдер пытается возразить своей очаровательной партнерше-агентессе:

«— Ну нет, Скалли, письмо говорит, что каждая инопланетная сфера случайно выбирает между синими и красными вспышками, когда дверца открыта, а не то, что сфера предварительно запрограммирована на выбор одного или другого цвета.

— Малдер, — вздыхает Скалли, — мое объяснение имеет безупречный смысл и соответствует всем данным. Чего ты еще хочешь? И взгляни сюда, в конец письма. Это величайшая шутка. Инопланетяне информируют нас мелким шрифтом, что вспышка сферы внутри коробочки вызывается не только открыванием дверцы коробочки, но и любые другие действия с коробочкой, направленные на то, чтобы выяснить, как она работает, — например, если мы попробуем выяснить процесс образования цвета или химический состав сферы перед открытием дверцы, — также приведут к вспышке. Другими словами, мы не можем проанализировать предполагаемый случайный выбор красного или синего, поскольку любая такая попытка испортит сам эксперимент, который мы пытаемся провести».

Пример с любимыми многими кино- и телезрителями отважными расследователями жгучих тайн современности, заключенных в Х-файлах, Б. Грин снабжает следующим комментарием:

«Две частицы могут быть так переплетены квантовыми эффектами, что их хаотичный выбор между одним или другим свойством скоррелирован: точно как каждая из инопланетных сфер случайно выбирает между красным и синим, а затем каким-то образом цвета, выбранные сферами в коробочках с одинаковыми номерами, оказываются скоррелированными (обе мигают красным или обе мигают синим), свойства, выбранные случайно двумя частицами, даже если они удалены в стороны в пространстве, могут быть подобным образом совершенно упорядочены. Грубо говоря, хотя две частицы удалены друг от друга на большое расстояние, квантовая механика показывает: что бы ни сделала одна частица, другая сделает связанную вещь.

В качестве конкретного примера: если вы носите солнечные очки, квантовая механика показывает, что с вероятностью 50: 50 отдельный фотон — вроде того, который отразился от поверхности озера или от асфальтовой дороги, — сможет пробраться сквозь ваши уменьшающие яркость поляризованные линзы: когда фотон достигает стекла, он случайным образом „выбирает“ между тем, отразиться назад или пройти насквозь. Поразительная вещь в том, что фотон может иметь партнера-фотон, который мчится в милях отсюда в противоположном направлении, и, однако, когда он столкнется с той же вероятностью 50: 50 пройти сквозь другие поляризованные линзы солнечных очков, он каким-то образом повторит все, что бы ни сделал начальный фотон. Даже если каждый результат определен случайным образом и даже если фотоны разнесены в пространстве, если один фотон пройдет насквозь, так же сделает и другой. Это разновидность нелокальности, предсказанная квантовой механикой».