Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Например, хотя запутанные частицы не могут передать сигнал самостоятельно, их можно комбинировать с обычными световыми или радиосигналами, чтобы вместить в сообщение дополнительную информацию. В одном из экспериментов Цайлингер и его коллеги отправили сообщение, используя поток фотонов. Обычно каждый из фотонов может перенести один бит информации. Но при использовании целой кучи запутанных фотонов и процедуры, называемой «сверхплотным кодированием», физики смогли упаковать в каждый из отправленных ими фотонов по два бита. Фактически часть информации была передана посредством нелокальной связи.

Запутанные частицы также могут создать проблему для секретных служб, которые занимаются перехватом сообщений. Причина в том, что каждую пару запутанных частиц можно использовать строго один раз. Последовательность таких частиц позволяет вам отправить своему другу ключ от шифра. Как только ваш друг прочитает ключ, запутанность нарушается, как самоуничтожающиеся аудиокассеты в фильме «Миссияневыполнима». После этого ваш друг может отправить вам зашифрованное сообщение, имея абсолютную гарантию его конфиденциальности. Если тот, кто пытается вас прослушать, доберется до частиц первым, он не может не нарушить запутанность, и вы будете знать, что за вами наблюдают.

Конечно, мало пользы в защите персональных данных от секретных служб, если вы выкладываете их на веб-сайте. К счастью, запутанные частицы могут помочь и с этим тоже. В процедуре, известной как «безопасное» или «слепое» вычисление, вы можете передать данные веб-серверу, сохраняя содержание в строгой конфиденциальности. Например, предположим, что вы хотите открыть кредитную линию и сервер спрашивает, какая у вас зарплата, чтобы удостовериться в вашем соответствии требованиям. Вы можете отправить размер своей зарплаты в зашифрованной форме и доказать, что зарабатываете больше порогового значения, не раскрывая точного числа.

Все экспериментаторы, с которыми я говорил, называют эти явления нелокальными. Даже Цайлингер называет их так, несмотря на свои теоретические сомнения. Технически «нелокальность» для экспериментатора просто означает что-то, что отличает квантовые частицы от классических атомов. Это может быть не настоящая нелокальность, а иллюзия, порожденная, скажем, существованием параллельных вселенных. Но большинство экспериментаторов все еще представляют себе призрачные воздействия, прыгающие через пространство. Просто так легче думать.

В общем, нелокальность получает одобрение на практике, как когда-то происходило с законом тяготения Ньютона. Ньютон предупреждал, что нелокальность, которую подразумевает закон, может быть иллюзорной, но после открытия закона выросло новое поколение физиков, которые видели, насколько он полезен, и не чувствовали потребности в его оправдании. Они приняли силу тяжести как силу, возникающую на расстоянии. Как заметил психолог Уильям Джемс в XIX в., «мы обычно не верим в те факты и теории, которые для нас бесполезны». Но ученые быстро примут даже самый диковинный факт, если вы покажете им, как они могут его использовать. Выдающийся экспериментатор в области квантовой физики, Николя Жизан[18] из Женевского университета, отмечает, что его студенты растут со знанием о нелокальности и принимают ее как должное. «Молодые считают это захватывающим, но не изумляются, — говорит Жизан. — Местные дети говорят, что мир просто так устроен».

Кроме своей полезности нелокальность также выделяется среди других предложенных объяснений тем, что она вписывается в более общую картину. В следующей главе я расскажу о случаях нелокальности в других областях фундаментальной физики, но, даже если остановиться на квантовой механике, задумайтесь об интересном факте, который состоит в том, что запутанные частицы могут достичь желаемой последовательности результатов в 85% случаев, а не в 100%. Кажущаяся произвольность этого числа, по мнению многих, свидетельствует о том, что квантовая механика — только одна из целого класса возможных нелокальных теорий. Нелокальность как явление работает не по принципу «все или ничего», а имеет целый спектр возможных исходов.

Некоторые типы нелокальности слабее той разновидности, которую описывали Эйнштейн с Беллом. В той же самой статье, где был введен термин «запутанность», Шрёдингер описал, как запутанная частица может «руководить» своим партнером: это чрезвычайно тонкий вид дистанционного управления, который даже не приводит к особой последовательности результатов в экспериментах, построенных по принципу подбрасывания монет. С тех пор физики нашли другие способы «приглушить» нелокальность. Даже такой ослабленной нелокальности достаточно, чтобы выполнять полезные задачи, например избегать слежки со стороны властей.

В то же время физики придумали типы нелокальности, которые необычайно сильны. В своей статье, оказавшей большое влияние на науку в 1990-е гг., Санду Попеску из Бристольского университета и Даниэль Рорлих из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле описали «суперквантовые» монеты, которые достигают желаемой последовательности результатов больше чем в 85% случаев. Насколько мы знаем, суперквантовых частиц не существует, но они были полезным гипотетическим сценарием. Инженеры могли бы использовать такие частицы для создания устройств, которые без них были бы невозможны. Для примера рассмотрим одну из мелких неприятностей повседневной жизни: поиск подходящего всем времени для встречи. Это обманчиво трудная задача, и компьютеры (даже те, которые используют возможности квантовых частиц) сводят ее к просмотру календарей участников и сравнению расписаний, по одному дню за раз. Но компьютер, использующий суперквантовые частицы, мог бы найти подходящее всем время за один шаг.

Организаторы конференций и любители быстрых знакомств, конечно, были бы рады иметь немного таких суперквантовых частиц. Но за эту возможность пришлось бы заплатить. Мир, в котором могут существовать такие частицы, страдал бы от глубокой логической противоречивости или склонности сложных структур к распаду. Каким-то непостижимым образом человеческая жизнь была бы невозможна, если бы назначать даты встреч было слишком просто. Попеску и Рорлихдумают, что попытка точно определить, какого количества нелокальности было бы слишком много, позволила бы узнать, почему квантовая механика такова, какова она есть. Таким образом, понятие нелокальности демонстрирует свою способность порождать новые идеи, которую физики так высоко ценят.

Пожалуй, самый замечательный факт о спорах вокруг нелокальности состоит в том, что разнообразные альтернативы не так сильно отличаются от нее, как пытаются показать их сторонники. Призрачное воздействие. Абсолютная предопределенность. Предвидение. Параллельные вселенные. Нереалистичность. Вот это список! Какая бы из этих возможностей ни оказалась верной, физики остаются в выигрыше. Все они — даже те, которые якобы сохраняют локальность, — предполагают наличие уровня реальности, лежащего за пределами нашего обыденного понимания пространства. Все они связывают частицы и наблюдателей на противоположных сторонах лабораторного стола, Земли или видимой Вселенной. Единственная разница в том, как это делается.