Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Издательство благодарит Russian Quantum Center, Сергея Белоусова и Виктора Орловского за помощь в подготовке издания

Переводчик К. Ефимова

Редактор И. Лисов

Руководитель проекта А. Тарасова

Корректор Е. Аксёнова

Компьютерная верстка М. Поташкин

Дизайн обложки Ю. Буга

© Odile Jacob, 2012

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

Разумный человек приспосабливается к миру, неразумный – упорно пытается приспособить мир к себе. Поэтому прогресс зависит от неразумных людей.

Я могу представить себе такое будущее, в котором мы будем для роботов тем, чем сейчас являются собаки для людей.

Предисловие

«Любовь с первого взгляда!» – так Николя Жизан описал свои ощущения в день, когда он узнал о теореме Белла. Услышав это, я снова вернулся в тот осенний день 1974 года, когда, погруженный в изучение малоизвестной в то время работы Джона Белла, я понял, что спор между Бором и Эйнштейном об интерпретации квантовой механики может быть разрешен экспериментально. Не так уж много физиков были осведомлены о проблеме, поднятой Эйнштейном, Подольским и Розеном, немногие слышали о неравенствах Белла, и совсем мало было тех, кто считал вопросы основополагающих концепций квантовой механики достойными серьезного внимания. Работу ЭПР, опубликованную в 1935 году в журнале Physical Review, можно было легко найти в университетских библиотеках, чего нельзя было сказать о работе Белла, опубликованной в неизвестном новом журнале, которому суждено было исчезнуть после четвертого выпуска. В те времена, когда еще не существовало Интернета, работы, которые не были опубликованы в крупных журналах, приходилось распространять в фотокопиях. Моя собственная копия досталась мне из папки, которую собрал Кристиан Эмбер (Christian Imbert), молодой профессор Института Оптики, по случаю визита Эбнера Шимони (Abner Shimony), приглашенного в Орсэ Бернаром д’Эспанья (Bernard d’Espagnat). Очарованный идеями Белла, я решил, что моя докторская диссертация будет основана на экспериментальных тестах неравенств Белла, и Эмбер согласился взять меня под свое крыло.

В удивительно ясной работе Белла я увидел серьезный вызов для экспериментаторов: изменение ориентации поляризационных детекторов, в то время как запутанные частицы распространяются от источника в область измерения. Было необходимо исключить влияние ориентации поляризатора как на механизм излучения, так и на измерение, применяя для этого принцип релятивистской причинности, который запрещает распространение любых физических эффектов со скоростью выше скорости света. Такой эксперимент мог бы объяснить саму суть конфликта между квантовой механикой, с одной стороны, и мировоззрением Эйнштейна – с другой.

Эйнштейн защищал локальный реализм, сочетавший два принципа. Первый утверждал физическую реальность системы. Второй – гипотеза о локальности – что система не подвержена влиянию событий, происходящих в другой системе, отделенной от первой пространственно-подобным интервалом пространства-времени, поскольку в противном случае две системы должны были бы обмениваться воздействиями, распространяющимися быстрее света. В итоге наши эксперименты подтвердили предсказания квантовой механики, и физикам пришлось отказаться от локального реализма – от взгляда на мир, который так убедительно защищал Эйнштейн. Но от чего же следовало отказаться – от реализма или от локальности?

Идея отказа от понятия физической реальности не представляется мне убедительной. Я вижу роль ученого как раз в описании реальности мироздания, а не просто в предсказании результатов, которые покажут наши измерительные приборы. Но если в этой части квантовая механика находит подтверждение, – а сегодня этот вывод представляется неизбежным, – то означает ли это, что мы должны принять существование нелокальных взаимодействий, которые явным образом противоречат принципу релятивистской причинности Эйнштейна? И есть ли надежда когда-нибудь использовать эту квантовую нелокальность для передачи полезного сигнала, например включения лампы или размещения ордера на фондовой бирже, со сверхсветовой скоростью? Но как раз здесь проявляется другая характерная черта квантовой механики, а именно: существование фундаментальной квантовой неопределенности. Из-за нее становится совершенно невозможным повлиять на фактический результат любого эксперимента, если квантовая механика говорит о том, что возможны несколько результатов. Да, квантовая механика позволяет очень точно рассчитать вероятность каждого из возможных результатов, но эти вероятности имеют лишь статистический смысл при многократном повторении эксперимента, но ничего не говорят нам о результате одного конкретного эксперимента. Именно эта фундаментальная квантовая случайность запрещает возможность сверхсветовой коммуникации.

Среди многих популярных изложений последних достижений квантовой физики книга Николя Жизана подчеркивает ключевую роль фундаментальной квантовой случайности, не будь которой, мы бы могли рассчитывать на изобретение сверхсветового телеграфа. Если это научно-фантастическое изобретение когда-нибудь воплотится в жизнь, нам придется радикально пересмотреть все, что мы знаем о физике. Я совсем не имею в виду, что существуют неприкасаемые и непреложные физические законы, неподвластные никакому пересмотру. Совсем наоборот, лично я уверен, что каждая физическая теория однажды будет заменена другой теорией большего масштаба. Но некоторые из теорий настолько фундаментальны, что их пересмотр влечет за собой концептуальную революцию с далеко идущими последствиями. И хотя нам всем известны несколько примеров таких переворотов в истории человечества, они тем не менее столь исключительны, что к ним не следует относиться спокойно. В этом контексте объяснение, почему квантовая нелокальность, какой бы сверхъестественной она ни казалась, не может низвергнуть принцип релятивистской причинности, который запрещает сверхсветовую коммуникацию, кажется мне очень важной темой в книге Николя Жизана.

Тот факт, что эта книга занимает определенную позицию по этому вопросу, вразрез с другими популярными взглядами, неудивителен. Николя Жизан является одним из ключевых игроков в новой квантовой революции, которая произошла в последней четверти ХХ столетия.

Первая квантовая революция, в начале ХХ века, основывалась на открытии корпускулярно-волнового дуализма. Это открытие дало способ довольно точно описать статистическое поведение атомов, из которых состоит материя, облаков электронов, которые переносят электрический ток в металле или полупроводнике, и миллиардов и миллиардов фотонов в луче света. У нас появился инструментарий для понимания механических свойств твердых тел, в то время как классическая физика не могла объяснить, почему вещество, состоящее из положительных и отрицательных зарядов, которые притягивают друг друга, не сплющивается. Квантовая механика дала точное количественное описание электрических и оптических свойств материалов и предложила систему концепций, необходимую для описания таких удивительных явлений, как сверхпроводимость и странные свойства определенных элементарных частиц. В эту первую квантовую революцию физики изобрели новые приборы: транзистор, лазер, интегральные схемы, благодаря чему сегодня мы живем в информационном обществе.

Но уже к 1960-м годам физики начали задавать новые вопросы, которые в первую квантовую революцию оставались за кадром:

• Как можно применять квантовую физику, если все ее предсказания носят чисто статистический характер и относятся к отдельным микроскопическим объектам?

• Те невероятные свойства запутанных пар квантовых объектов (которые были описаны в 1935 году в работе об ЭПР-парадоксе, но ни разу не наблюдались в действительности), они действительно соответствуют реальному поведению природы или в этом вопросе мы достигли пределов квантовой механики?

Именно ответы на эти вопросы, которые сначала дали экспериментаторы, а потом уточнили теоретики, привели ко второй, продолжающейся по сей день квантовой революции[1].

Поведение отдельных квантовых объектов давно являлось предметом оживленных дебатов среди физиков. В течение долгого времени большая часть ученого сообщества считала, что сам вопрос не имеет смысла и что он в любом случае неважен, так как никто не мог себе представить, что можно наблюдать отдельный квантовый объект, не говоря уже о том, чтобы управлять и манипулировать им. По словам Эрвина Шрёдингера[2], «с отдельными частицами не экспериментируют, так же как ихтиозавров не выращивают в зоопарках».

Но начиная с 1970-х годов экспериментаторы разработали способы, позволяющие наблюдать отдельные микроскопические объекты – электроны, атомы и ионы, манипулировать и управлять ими. Я помню всеобщее воодушевление на международной конференции по атомной физике в Бостоне в 1980 году, когда Петер Тошек представил первое изображение одного захваченного иона – его можно был непосредственно наблюдать по флюоресцентным фотонам, которые он испускал под воздействием луча лазера. Благодаря прогрессу экспериментальной физики мы можем прямо наблюдать квантовые скачки, что положило конец многолетним спорам. Мы также увидели, что квантовый формализм прекрасно описывает поведение отдельного квантового объекта – при условии, что мы правильно интерпретируем вероятностные результаты расчетов. Что касается второго вопроса о свойствах запутанности, то предсказания квантовой теории сначала были проверены на фотонных парах в серии экспериментов, условия проведения которых постепенно приближаются к идеальным, в соответствии с замыслом теоретиков вроде Джона Белла. Эти эксперименты полностью подтвердили предсказания квантовой теории, какими бы удивительными те ни были.

В 1980-х годах Николя Жизан собрал группу специалистов по прикладной физике для работы над оптоволоконными технологиями. Он всегда испытывал личный и теоретический интерес к основам квантовой механики (но держал его в секрете, по крайней мере от своего работодателя, так как в те времена постановка подобных вопросов не всегда считалась стоящим занятием), поэтому неудивительно, что Николя Жизан стал одним из первых в экспериментах с квантовой запутанностью фотонных пар в оптоволоконных кабелях. Обладая глубокими познаниями в оптоволоконных технологиях, он смог использовать коммерческие телекоммуникационные сети возле Женевы, чтобы продемонстрировать, к удивлению самих экспериментаторов, что явление запутанности можно наблюдать даже при расхождении на несколько десятков километров. Он провел несколько концептуально простых тестов и вывел совершенно поразительные черты запутанности между удаленными событиями, а также экспериментально реализовал протокол квантовой телепортации. Сочетая навыки теоретика в квантовой физике и эксперта в оптоволоконных технологиях, он был одним из первых, кто начал работать над практическими применениями явления запутанности, такими как квантовая криптография и генерация истинно случайных чисел.

Это сочетание талантов прослеживается в его увлекательной книге, где тонкие вопросы квантовой физики излагаются при помощи языка, доступного далекой от науки публике и без привлечения математического аппарата. Николя объясняет явления запутанности, квантовой нелокальности и квантовой случайности и описывает примеры практического применения. Но это не просто популярное изложение. Специалисты в квантовой области найдут здесь глубокие рассуждения об этих явлениях, истинная природа и последствия которых все еще непостижимы для нас.

Касательно вопроса о том, должны ли мы после экспериментального опровержения локального реализма отбросить физическую реальность или идею локальности[3], я придерживаюсь того же мнения, что и Николя Жизан: даже если считать концепцию локального реализма целостной и разумной, было бы странно делить ее на две части и сохранять лишь одну из них. Как можно определить автономную физическую реальность системы, которая находится в определенном месте пространства-времени, если эта система подвержена влиянию событий в другой системе, отделенной от нее пространственно-подобным интервалом? Эта книга предлагает более изящное решение, показывая, что если принимать во внимание существование фундаментальной квантовой случайности, то нелокальная физическая реальность может вполне мирно сосуществовать с релятивистской причинностью, что была так дорога Эйнштейну. Поэтому даже те ученые, кто хорошо знаком с этими проблемами, найдут в книге Николя Жизана пищу для размышлений. А простого читателя, лишь открывающего для себя тайны запутанности и квантовой нелокальности, ждет погружение во все тонкости этого сложного вопроса, описанного просто и ясно одним из ведущих мировых экспертов[4].

Преамбула

Если бы вы жили во времена ньютоновской научной революции, хотели бы вы быть в курсе дела? Сегодня квантовая физика дает нам шанс пережить концептуальную революцию сравнимой значимости. Эта книга поможет вам понять происходящее, с одной стороны не погружаясь в математику, а с другой – не скрывая концептуальных сложностей. Физики используют математику для поиска следствий из их гипотез и для точных расчетов вытекающих из них предсказаний, но разве нужна математика для того, чтобы поведать великую историю физики? Ведь самое интересное в физике – это не математика, а идеи. Цель этой книги не забросать вас уравнениями, а помочь понять.

Некоторые главы потребуют от читателя истинного умственного усилия. Каждый поймет кое-что, но никто не поймет все! В этой области знания сама идея понимания представляется зыбкой и размытой. Тем не менее, я уверен, что каждый может, пусть лишь частично, понять концептуальную революцию, которая происходит прямо на наших глазах, и получить удовольствие от этого понимания. Просто примите, что не все будет очевидно, и, конечно, не стоит исходить из распространенного мнения, что понять физику – безнадежное дело.

Если какая-то часть повествования покажется вам слишком сложной, просто продолжайте читать. Скорее всего, продолжение внесет ясность. А может быть, это один из трудных моментов, которые я приберег для коллег-физиков, чтобы им тоже было интересно читать эту книгу. При необходимости возвращайтесь назад и перечитывайте те отрывки, которые вызывали сложности. Ведь важно получить общее представление, а не разобрать все досконально. В итоге однажды вы с удивлением обнаружите, что многое из квантовой физики можно понять, не прибегая к математике!

Квантовая физика всегда была предметом пространных объяснений и путаных философских трактатов. Единственный способ не попасть в эти ловушки – руководствоваться здравым смыслом. Ведь что такое эксперимент? Это вопрос, который ученые задают окружающей действительности. Физик решает, какой вопрос и когда задать. Получив ответ, в виде, к примеру, появившегося красного огонька, он не задается вопросом, красный ли огонек на самом деле и не является ли он иллюзией того или иного рода. Ответ: «красный», и точка.

Читатель увидит, что одни и те же истории всплывают в разных главах книги. Мой учительский опыт говорит, что повторение важных вещей в разных контекстах очень полезно. Ведь моя книга не претендует на историческую точность. Любые замечания относительно моих знаменитых предшественников отражают лишь мои личные впечатления, приобретенные за более чем тридцать лет профессиональной работы в качестве физика.

Введение

Глава 1

Аперитив