Квантовая запутанность и червоточины могут быть тесно связаны. Квантовая запутанность простыми словами

Появилось много популярных статей, где рассказывается о квантовой запутанности. Опыты с квантовой запутанностью весьма эффектны, но премиями не отмечены. Почему вот такие интересные для обывателя опыты не представляют интереса для учёных? Популярные статьи рассказывают об удивительных свойствах пар запутанных частиц - воздействие на одну приводит к мгновенному изменению состояния второй. И что же такое скрывается за термином «квантовая телепортация», о которой уже начали говорить, что она происходит со сверхсветовой скоростью. Давайте рассмотрим все это с точки зрения нормальной квантовой механики.

Что получается из квантовой механики

Квантовые частицы может находиться в двух типах состояний, согласно классическому учебнику Ландау и Лифшица - чистом и смешанном. Если частица не взаимодействует с другими квантовыми частицами, она описывается волновой функцией, зависящей только от её координат или импульсов - такое состояние называют чистым. В этом случае волновая функция подчиняется уравнению Шредингера. Возможен другой вариант - частица взаимодействует с другими квантовыми частицами. В этом случае волновая функция относится уже ко всей системе взаимодействующих частиц и зависит от всех их динамических переменных. Если мы интересуемся только одной частицей, то её состояние, как показал Ландау ещё 90 лет назад, можно описать матрицей или оператором плотности. Матрица плотности подчиняется уравнению, аналогичному уравнению Шредингера

Где - матрица плотности, H - оператор Гамильтона, а скобки обозначают коммутатор.

Его вывел Ландау. Любые физические величины, относящиеся к данной частицы, можно выразить через матрицу плотности. Такое состояние называют смешанным. Если у нас есть система взаимодействующих частиц, то каждая из частиц находится в смешанном состоянии. Если частицы разлетелись на большие расстояния, и взаимодействие исчезло, их состояние все равно останется смешанным. Если же каждая из нескольких частиц находятся в чистом состоянии, то волновая функция такой системы есть произведение волновых функций каждой из частиц (если частицы различны. Для одинаковых частиц, бозонов или фермионов, надо составить симметричную или антисимметричную комбинацию см. , но об этом позже. Тождественность частиц, фермионы и бозоны – это уже релятивистская квантовая теория.

Запутанным состоянием пары частиц называется такое состояние, в котором имеется постоянная корреляция между физическими величинами, относящимися к разным частицам. Простой и наиболее часто распространенный пример - сохраняется некая суммарная физическая величина, например, полный спин или момент импульса пары. Пара частиц при этом находится в чистом состоянии, но каждая из частиц - в смешанном. Может показаться, что изменение состояния одной частицы сразу скажется на состоянии другой частицы. Даже если они разлетелись далеко и не взаимодействуют, Именно это высказывается в популярных статьях. Это явление уже окрестили квантовой телепортацией, Некоторые малограмотные журналисты даже утверждают, что изменение происходит мгновенно, то есть распространяется быстрее скорости света.

Рассмотрим это с точки зрения квантовой механики, Во-первых, любое воздействие или измерение, меняющее спин или момент импульса только одной частицы, сразу же нарушает закон сохранения суммарной характеристики. Соответствующий оператор не может коммутировать с полным спином или полным моментом импульса. Таким образом, нарушается первоначальная запутанность состояния пары частиц. Спин или момент второй частицы уже нельзя однозначно связать с таковым для первой. Можно рассмотреть эту проблему с другой стороны. После того, как взаимодействие между частицами исчезло, эволюция матрицы плотности каждый из частиц описывается своим уравнением, в которое динамические переменные другой частицы не входят. Поэтому воздействие на одну частицу не будет менять матрицу плотности другой.

Имеется даже теорема Эберхарда , которая утверждает, что взаимное влияние двух частиц невозможно обнаружить измерениями. Пусть имеется квантовая система, которая описывается матрицей плотности. И пусть эта система состоит из двух подсистем A и B. Теорема Эберхарда гласит, что никакое измерение наблюдаемых, связанных только с подсистемой A, не влияет на результат измерения любых наблюдаемых, которые связаны только с подсистемой B. Впрочем, доказательство теоремы использует гипотезу редукции волновой функции, которая не доказана ни теоретически, ни экспериментально. Но все эти рассуждения сделаны в рамках нерелятивистской квантовой механики и относятся к различным, не тождественным частицам.

Эти рассуждения не работают в релятивистской теории в случае пары одинаковых частиц. Еще раз напомню, что тождественность или неразличимость частиц – из релятивистской квантовой механики, где число частиц не сохраняется. Однако для медленных частиц мы можем использовать более простой аппарат нерелятивистской квантовой механики, просто учитывая неразличимость частиц. Тогда волновая функция пары должна быть симметричной (для бозонов) или антисимметричной (для фермионов) по отношению к перестановке частиц. Такое требование возникает в релятивистской теории, независимо от скоростей частиц. Именно это требование приводит к дальнодействующим корреляциям пары одинаковых частиц. В принципе протон с электроном тоже могут находиться в запутанном состоянии. Однако если они разойдутся на несколько десятков ангстрем, то взаимодействие с электромагнитными полями и другими частицами разрушит это состояние. Обменное взаимодействие (так называют это явление) действует на макроскопических расстояниях, как показывают эксперименты. Пара частиц, даже разойдясь на метры, остается неразличимой. Если вы проводите измерение, то вы точно не знаете, к какой частице относится измеряемая величина. Вы проводите измерения с парой частиц одновременно. Поэтому все эффектные эксперименты проводились именно с одинаковыми частицами – электронами и фотонами. Строго говоря, это не совсем то запутанное состояние, которое рассматривают в рамках нерелятивистской квантовой механики, но что-то похожее.

Рассмотрим простейший случай – пара одинаковых невзаимодействующих частиц. Если скорости малы, мы можем пользоваться нерелятивистской квантовой механикой с учетом симметрии волновой функции по отношению к перестановке частиц. Пусть волновая функция первой частицы , второй частицы - , где и - динамические переменные первой и второй частиц, в простейшем случае – просто координаты. Тогда волновая функция пары

Знаки + и – относятся к бозонам и фермионам. Предположим, что частицы находятся далеко друг от друга. Тогда локализованы в удаленных областях 1 и 2 соответственно, то есть вне этих областей они малы. Попробуем вычислить среднее значение какой-нибудь переменной первой частицы, например, координаты. Для простоты можно представить, что в волновые функции входят только координаты. Окажется, что среднее значение координат частицы 1 лежит МЕЖДУ областями 1 и 2, причем оно совпадает со средним значением для частицы 2. Это на самом деле естественно – частицы неразличимы, мы не можем знать, у какой частицы измеряются координаты. Вообще все средние значения у частиц 1 и 2 будут одинаковы. Это значит, что, перемещая область локализации частицы 1 (например, частица локализована внутри дефекта кристаллической решетки, и мы двигаем весь кристалл), мы воздействуем на частицу 2, хотя частицы не взаимодействуют в обычном смысле – через электромагнитное поле, например. Это простой пример релятивистской запутанности.

Никакой мгновенной передачи информации из-за этих корреляций между двумя частицами не происходит. Аппарат релятивистской квантовой теории изначально построен так, что события, находящиеся в пространстве-времени по разные стороны светового конуса, не могут влиять друг на друга. Проще говоря, никакой сигнал, никакое воздействие или возмущение не могут распространяться быстрее света. Обе частицы на самом деле являются состоянием одного поля, например, электрон-позитронного. Воздействуя на поле в одной точке (на частицу 1), мы создаем возмущение, которое распространяется подобно волнам на воде. В нерелятивистской квантовой механике скорость света считается бесконечно большой, оттого возникает иллюзия мгновенного изменения.

Ситуация, когда частицы, разнесенные на большие расстояния, остаются связанными в паре, кажется парадоксальной из-за классических представлений о частицах. Надо помнить, что реально существуют не частицы, а поля. То, что мы представляем, как частицы – просто состояния этих полей. Классическое представление о частицах совершенно непригодно в микромире. Сразу же возникают вопросы о размерах, форме, материале и структуре элементарных частиц. На самом деле ситуации, парадоксальные для классического мышления, возникают и с одной частицей. Например, в опыте Штерна-Герлаха атом водорода пролетает через неоднородное магнитное поле, направленное перпендикулярно скорости. Спином ядра можно пренебречь из-за малости ядерного магнетона, пусть изначально спин электрона направлен вдоль скорости.

Эволюцию волновой функции атома нетрудно рассчитать. Первоначальный локализованный волновой пакет расщепляется на два одинаковых, летящих симметрично под углом к первоначальному направлению. То есть атом, тяжелая частица, обычно рассматриваемая, как классическая с классической траекторией, расщепился на два волновых пакета, которые могут разлететься на вполне макроскопические расстояния. Заодно замечу – из расчета следует, что даже идеальный эксперимент Штерна-Герлаха не в состоянии измерить спин частицы.

Если детектор связывает атом водорода, например, химически, то «половинки» - два разлетевшихся волновых пакета, собираются в один. Как происходит такая локализация размазанной частицы – отдельно существующая теория, в которой я не разбираюсь. Желающие могут найти обширную литературу по этому вопросу.

Заключение

Возникает вопрос – в чем смысл многочисленных опытов по демонстрации корреляций между частицами на больших расстояниях? Кроме подтверждения квантовой механики, в которой давно уже ни один нормальный физик не сомневается, это эффектная демонстрация, производящая впечатление на публику и дилетантов-чиновников, выделяющих средства на науку (например, разработку квантовых линий связи спонсирует Газпромбанк). Для физики эти дорогостоящие демонстрации ничего не дают, хотя позволяют развивать технику эксперимента.

Литература
1. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). - Издание 3-е, переработанное и дополненное. - М.: Наука, 1974. - 752 с. - («Теоретическая физика», том III).
2. Eberhard, P.H., “Bell’s theorem and the different concepts of nonlocality”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта

• Перевод

Квантовая запутанность – одно из самых сложных понятий в науке, но основные её принципы просты. А если понять её, запутанность открывает путь к лучшему пониманию таких понятий, как множественность миров в квантовой теории.

Чарующей аурой загадочности окутано понятие квантовой запутанности, а также (каким-то образом) связанное с ним требование квантовой теории о необходимости наличия «многих миров». И, тем не менее, по сути своей это научные идеи с приземлённым смыслом и конкретными применениями. Я хотел бы объяснить понятия запутанности и множества миров настолько просто и ясно, насколько знаю их сам.

I

Запутанность считается явлением, уникальным для квантовой механики – но это не так. На самом деле, для начала будет более понятным (хотя это и необычный подход) рассмотреть простую, не квантовую (классическую) версию запутанности. Это позволит нам отделить тонкости, связанные с самой запутанностью, от других странностей квантовой теории.

Запутанность появляется в ситуациях, в которых у нас есть частичная информация о состоянии двух систем. К примеру, нашими системами могут стать два объекта – назовём их каоны. «К» будет обозначать «классические» объекты. Но если вам очень хочется представлять себе что-то конкретное и приятное – представьте, что это пирожные.

Наши каоны будут иметь две формы, квадратную или круглую, и эти формы будут обозначать их возможные состояния. Тогда четырьмя возможными совместными состояниями двух каонов будут: (квадрат, квадрат), (квадрат, круг), (круг, квадрат), (круг, круг). В таблице указана вероятность нахождения системы в одном из четырёх перечисленных состояний.

Мы будем говорить, что каоны «независимы», если знание о состоянии одного из них не даёт нам информации о состоянии другого. И у этой таблицы есть такое свойство. Если первый каон (пирожное) квадратный, мы всё ещё не знаем форму второго. И наоборот, форма второго ничего не говорит нам о форме первого.

С другой стороны, мы скажем, что два каона запутаны, если информация об одном из них улучшает наши знания о другом. Вторая табличка покажет нам сильную запутанность. В этом случае, если первый каон будет круглым, мы будем знать, что второй тоже круглый. А если первый каон квадратный, то таким же будет и второй. Зная форму одного, мы однозначно определим форму другого.

Квантовая версия запутанности выглядит, по сути, также – это отсутствие независимости. В квантовой теории состояния описываются математическими объектами под названием волновая функция. Правила, объединяющие волновые функции с физическими возможностями, порождают очень интересные сложности, которые мы обсудим позже, но основное понятие о запутанном знании, которое мы продемонстрировали для классического случая, остаётся тем же.

Хотя пирожные нельзя считать квантовыми системами, запутанность квантовых систем возникает естественным путём – например, после столкновений частиц. На практике незапутанные (независимые) состояния можно считать редкими исключениями, поскольку при взаимодействии систем между ними возникают корреляции.

Рассмотрим, к примеру, молекулы. Они состоят из подсистем – конкретно, электронов и ядер. Минимальное энергетическое состояние молекулы, в котором она обычно и находится, представляет собой сильно запутанное состояние электронов и ядра, поскольку расположение этих составляющих частиц никак не будет независимым. При движении ядра электрон движется с ним.

Вернёмся к нашему примеру. Если мы запишем Φ■, Φ● как волновые функции, описывающие систему 1 в её квадратных или круглых состояниях и ψ■, ψ● для волновых функций, описывающих систему 2 в её квадратных или круглых состояниях, тогда в нашем рабочем примере все состояния можно описать, как:

Независимые: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Запутанные: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Независимую версию также можно записать, как:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Отметим, как в последнем случае скобки чётко разделяют первую и вторую системы на независимые части.

Существует множество способов создания запутанных состояний. Один из них – измерить составную систему, дающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы договорились быть одной формы, не зная при этом, какую именно форму они выбрали. Это понятие станет важным чуть позже.

Более характерные последствия квантовой запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают из-за её взаимодействия ещё с одним свойством квантовой теории под названием «принцип дополнительности». Для обсуждения EPR и GHZ позвольте мне сначала представить вам этот принцип.

До этого момента мы представляли, что каоны бывают двух форм (квадратные и круглые). Теперь представим, что ещё они бывают двух цветов – красного и синего. Рассматривая классические системы, например, пирожные, это дополнительное свойство означало бы, что каон может существовать в одном из четырёх возможных состояний: красный квадрат, красный круг, синий квадрат и синий круг.

Но квантовые пирожные – квантожные… Или квантоны… Ведут себя совсем по-другому. То, что квантон в каких-то ситуациях может обладать разной формой и цветом не обязательно означает, что он одновременно обладает как формой, так и цветом. Фактически, здравый смысл, которого требовал Эйнштейн от физической реальности, не соответствует экспериментальным фактам, что мы скоро увидим.

Мы можем измерить форму квантона, но при этом мы потеряем всю информацию о его цвете. Или мы можем измерить цвет, но потеряем информацию о его форме. Согласно квантовой теории, мы не можем одновременно измерить и форму и цвет. Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем. Это и есть суть принципа дополнительности, такая, как её сформулировал Нильс Бор.

В результате квантовая теория заставляет нас быть осмотрительными в приписывании свойствам физической реальности. Во избежание противоречий приходится признать, что:

Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему

II

Теперь опишем две образцовые, но не классические, иллюстрации странностей квантовой теории. Обе были проверены в строгих экспериментах (в реальных экспериментах люди меряют не формы и цвета пирожных, а угловые моменты электронов).

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (EPR) описали удивительный эффект, возникающий при запутанности двух квантовых систем. EPR-эффект объединяет особую, экспериментально достижимую форму квантовой запутанности с принципом дополнительности.

EPR-пара состоит из двух квантонов, у каждого из которых можно измерить форму или цвет (но не то и другое сразу). Предположим, что у нас есть множество таких пар, все они одинаковые, и мы можем выбирать, какие измерения мы проводим над их компонентами. Если мы измерим форму одного из членов EPR-пары, мы с одинаковой вероятностью получим квадрат или круг. Если измерим цвет, то с одинаковой вероятностью получим красный или синий.

Интересные эффекты, казавшиеся EPR парадоксальными, возникают, когда мы проводим измерения обоих членов пары. Когда мы меряем цвет обоих членов, или их форму, мы обнаруживаем, что результаты всегда совпадают. То есть, если мы обнаружим, что один из них красный и затем меряем цвет второго, мы также обнаруживаем, что он красный – и т.п. С другой стороны, если мы измеряем форму одного и цвет другого, никакой корреляции не наблюдается. То есть, если первый был квадратом, то второй с одинаковой вероятностью может быть синим или красным.

Согласно квантовой теории, мы получим такие результаты, даже если две системы будет разделять огромное расстояние и измерения будут проведены почти одновременно. Выбор типа измерений в одном месте, судя по всему, влияет на состояние системы в другом месте. Это «пугающее дальнодействие», как называл его Эйнштейн, по-видимому, требует передачу информации – в нашем случае, информации о проведённом измерении – со скоростью, превышающей скорость света.

Но так ли это? Пока я не узнаю, какой результат получили вы, я не знаю, чего ожидать мне. Я получаю полезную информацию, когда я узнаю ваш результат, а не когда вы проводите измерение. И любое сообщение, содержащее полученный вами результат, необходимо передать каким-либо физическим способом, медленнее скорости света.

При дальнейшем изучении парадокс ещё больше разрушается. Давайте рассмотрим состояние второй системы, если измерение первой дало красный цвет. Если мы решим мерить цвет второго квантона, мы получим красный. Но по принципу дополнительности, если мы решим измерить его форму, когда он находится в «красном» состоянии, у нас будут равные шансы на получение квадрата или круга. Поэтому, результат EPR логически предопределён. Это просто пересказ принципа дополнительности.

Нет парадокса и в том, что удалённые события коррелируют. Ведь если мы положим одну из двух перчаток из пары в коробки и отправим их в разные концы планеты, неудивительно, что посмотрев в одну коробку, я могу определить, на какую руку предназначена другая перчатка. Точно так же, во всех случаях корреляция пар EPR должна быть зафиксирована на них, когда они находятся рядом и потому они могут выдержать последующее разделение, будто бы имея память. Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.

III

Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Зейлингер открыли ещё один прекрасный пример квантовой запутанности. ОН включает три наших квантона, находящихся в специально подготовленном запутанном состоянии (GHZ-состоянии). Мы распределяем каждый из них разным удалённым экспериментаторам. Каждый из них выбирает, независимо и случайно, измерять ли цвет или форму и записывает результат. Эксперимент повторяют многократно, но всегда с тремя квантонами в GHZ-состоянии.

Каждый отдельно взятый экспериментатор получает случайные результаты. Измеряя форму квантона, он с равной вероятностью получает квадрат или круг; измеряя цвет квантона, он с равной вероятностью получает красный или синий. Пока всё обыденно.

Но когда экспериментаторы собираются вместе и сравнивают результаты, анализ показывает удивительный результат. Допустим, мы будем называть квадратную форму и красный цвет «добрыми», а круги и синий цвет – «злыми». Экспериментаторы обнаруживают, что если двое из них решили измерить форму, а третий – цвет, тогда либо 0, либо 2 результата измерений получаются «злыми» (т.е. круглыми или синими). Но если все трое решают измерить цвет, то либо 1 либо 3 измерения получаются злыми. Это предсказывает квантовая механика, и именно это и происходит.

Вопрос: количество зла чётное или нечётное? В разных измерениях реализовываются обе возможности. Нам приходится отказаться от этого вопроса. Не имеет смысла рассуждать о количестве зла в системе без связи с тем, как его измеряют. И это приводит к противоречиям.

Эффект GHZ, как описывает его физик Сидни Колман, это «оплеуха от квантовой механики». Он разрушает привычное, полученное из опыта ожидание того, что у физических систем есть предопределённые свойства, независимые от их измерения. Если бы это было так, то баланс доброго и злого не зависел бы от выбора типов измерений. После того, как вы примете существование GHZ-эффекта, вы его не забудете, а ваш кругозор будет расширен.

IV

Пока что мы рассуждаем о том, как запутанность не позволяет назначить уникальные независимые состояния нескольким квантонам. Такие же рассуждения применимы к изменениям одного квантона, происходящим со временем.

Мы говорим об «запутанных историях», когда системе невозможно присвоить определённое состояние в каждый момент времени. Так же, как в традиционной запутанности мы исключаем какие-то возможности, мы можем создать и запутанные истории, проводя измерения, собирающие частичную информацию о прошлых событиях. В простейших запутанных историях у нас есть один квантон, изучаемый нами в два разных момента времени. Мы можем представить ситуацию, когда мы определяем, что форма нашего квантона оба раза была квадратной, или круглой оба раза, но при этом остаются возможными обе ситуации. Это темпоральная квантовая аналогия простейшим вариантам запутанности, описанным ранее.

Используя более сложный протокол, мы можем добавить чуть-чуть дополнительности в эту систему, и описать ситуации, вызывающие «многомировое» свойство квантовой теории. Наш квантон можно подготовить в красном состоянии, а затем измерить и получить голубое. И как в предыдущих примерах, мы не можем на постоянной основе присвоить квантону свойство цвета в промежутке между двумя измерениями; нет у него и определённой формы. Такие истории реализовывают, ограниченным, но полностью контролируемым и точным способом, интуицию, свойственную картинке множественности миров в квантовой механике. Определённое состояние может разделиться на две противоречащие друг другу исторические траектории, которые затем снова соединяются.

Эрвин Шрёдингер, основатель квантовой теории, скептически относившийся к её правильности, подчёркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, измерение которых может дать чрезвычайно разные результаты. Его мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» постулирует, как известно, квантовую неопределённость, выведенную на уровень влияния на смертность кошачьих. До измерения коту невозможно присвоить свойство жизни (или смерти). Оба, или ни одно из них, существуют вместе в потустороннем мире возможностей.

Повседневный язык плохо приспособлен для объяснения квантовой дополнительности, в частности потому, что повседневный опыт её не включает. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, и другими предметами, совершенно по-разному, в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение проходит автоматически, и кот продолжает жить (или не жить). Но истории с запутанностью описывают квантоны, являющиеся котятами Шрёдингера. Их полное описание требует, чтобы мы принимали к рассмотрению две взаимоисключающие траектории свойств.

Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй – вещь деликатная, поскольку требует сбора частичной информации о квантонах. Обычные квантовые измерения обычно собирают всю информацию сразу – к примеру, определяют точную форму или точный цвет – вместо того, чтобы несколько раз получить частичную информацию. Но это можно сделать, хотя и с чрезвычайными техническими трудностями. Этим способом мы можем присвоить определённый математический и экспериментальный смысл распространению концепции «множественности миров» в квантовой теории, и продемонстрировать её реальность.

Квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как ее называл Альберт Эйнштейн - это квантовомеханический феномен, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется даже если объекты удалить друг от друга за много километров. Например, можно запутать пару фотонов, увести один из них в другую галактику, а потом измерить спин второго фотона - и он будет противоположен спину первого фотона, и наоборот. Квантовую запутанность пытаются приспособить для мгновенной передачи данных на гигантские расстояния или даже для телепортации.

Физики из шотландского университета Глазго сообщили об эксперименте, в результате которого ученые смогли получить первую в истории фотографию частиц. Явления по меркам физики настолько странного, что даже великий ученый 20-го века прозвал его «жутким действием на расстоянии». Достижение шотландских ученых очень важно для разработки новых технологий. Почему? Давайте разбираться.

Мы уже неоднократно писали о том, что в разных концах света то и дело проходят испытания устройств квантовой связи. Казалось бы, дальше экспериментов все это зайдет не скоро, но вот, как сообщает агентство новостей Синьхуа, в Китае завершили создание первой в стране коммерческой сверхзащищенной квантовой коммуникационной сети. Ввод в эксплуатацию планируется в самое ближайшее время.

Квантовая запутанность (сцеплённость) состоит в том, что две запутанные частицы после разнесения их в различные области пространства, сохраняют некое подобие информационной связи друг с другом. Производя измерение над одной частицей, мы в тот же момент, мгновенно определяем и состояние другой частицы, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. С точки зрения формализма квантовой механики эти результаты безупречны, но здравому смыслу это строго противоречит, так как во время измерения эти две частицы уже не взаимодействуют и какие бы то ни были операции над первой частицей, это не могут повлиять на состояние второй частицы.

Наиболее известным примером квантовой запутанности является так называемый парадокс ЭПР (Эйнштейн, Подольский и Розен) - два связанных фотона в процессе разделения (разлёта) сохраняют такое подобие информационной связи. При этом квантовое состояние одного фотона, например, поляризация может мгновенно передаваться на другой фотон, который при этом становится аналогом первого и наоборот. Рассмотрим фотон 1. Имея неопределённую поляризацию перед измерением, фотон 1 получает поляризацию, во время его измерения. Фотон 2, который не имел определённой поляризации, проектируется в состояние поляризации, параллельное результату измерения на фотоне 1. Это очень удивительно, потому что это изменение в описании фотона 2 происходит мгновенно, безотносительно расстояния между фотонами в момент первого измерения. Эта картина, получившая название "нелокальность", находится в противоречии с СТО, хотя и передача реальной информации от одного фотона к другому отсутствует. Поэтому передаваемую (условную) информацию между ЭПР-частицами называют иногда "квантовой информацией".

В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Помимо прочего, это позволило произвести временны́е измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме. При меньшей скорости временные задержки были бы замечены.

P.S. Если вы прочитали весь текст, и не поняли, не расстраивайтесь. Это значит что со здравым смыслом у вас все ОК.

Немножко не соглашусь с предыдущим оратором по поводу философской стороны вопроса, интерпретации. Квантовая запутанность это не совсем связь, и тем более, не мгновенная. И в квантовой теории нет нелокальности и противоречий с СТО, более того, она построена на СТО. Все странности квантовой механики возникают при попытке перейти от квантовой картины мира к классической, то есть, там, где имеет место "измерение". Это очевидный косяк копенгагенской интерпретации, на который настоящие физики как правило просто не обращают внимания, потому что им надо не трепаться о природе вещей, а вычислить результат эксперимента, и это правильный подход. Но тем не менее, в действительности всё немного не так, как на самом деле.

Это скорее аналог ситуации с ботинками - если у меня левый, то я мгновенно узнаю, что у тебя правый. Это обусловлено не "реальной", но логической связью между ботинками. Поэтому, локальность не надо нарушать, чтобы эту связь осуществить. Но! В квантовой механике это происходит гораздо хитрее, потому что там логика другая. Потому что само измерение - это тоже квантовая запутанность! То есть, логическая связь возникает не только между ботинками, но и состояниями экспериментатора, который их "измерил". Левый ботинок теперь связан с состоянием "Я знаю, что у меня левый ботинок". А так как левый был логически связан с правым, я теперь знаю, что второй ботинок - правый. Это обычная логика, только в квантмехе система может находиться в некоторой смеси (суперпозиции) состояний (левый/правый + правый/левый), и после "измерения" вы сами оказываетесь в суперпозиции (у меня правый, у соседа левый + наоборот). Что тоже противоречит здравому смыслу, зато прекрасно дружит с локальностью, причинностью, унитарностью, и прочими принципами, на которых стоит физика.

Запущенный в прошлом году китайский спутник Micius успешно завершил орбитальные испытания и установил новый рекорд квантовой связи. Он сгенерировал пару запутанных фотонов, разделил их и передал одновременно двум наземным станциям, удаленным друг от друга на 1203 км. Затем наземные станции использовали эффект квантовой телепортации для обмена зашифрованными сообщениями. Потенциально запуск таких спутников открывает возможность создания глобальных систем связи, защищенных от перехвата на уровне физических принципов. Эксперимент уже окрестили «началом квантового интернета».

Аппарат стоимостью около 100 миллионов долларов был создан в рамках проекта QUESS (Quantum Science Satellite) - совместной инициативы Китайской и Австрийской академии наук. «Данный проект призван доказать возможность внедрения квантовых коммуникаций в мировом масштабе», - комментирует Антон Цайлингер, эксперт по квантовой физике Венского университета, первым в мире выполнивший квантовую телепортацию состояний запутанных фотонов.

Телепортация квантовая и фантастическая

Термин «телепортация» может ввести в заблуждение. В квантовых системах он означает передачу информации между заранее сгенерированными парами сцепленных частиц, то есть характеризующихся общей волновой функцией. Передачи материи или энергии при этом не происходит, и ОТО не нарушается. Суть квантовой телепортации состоит в использовании взаимосвязанных квантовых состояний запутанных частиц для кодирования и мгновенной передачи информации. Измерение (то есть изменение) свойств одной частицы мгновенно изменит ее у второй, на каком бы расстоянии они ни находились.

Спутник массой более 600 кг был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 494,8–511,1 км при помощи ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» (также известной как Long March, или «Великий поход»), стартовавшей с космодрома Цзюцюань 16 августа 2016 года. После долгих месяцев тестирования он был передан Китайской академии наук.

Параметры орбиты были выбраны так, чтобы спутник появлялся в одном и том же месте каждую ночь. Наземные станции отслеживали спутник и устанавливали с ним оптические линии связи для приема одиночных запутанных фотонов. Вели спутник три оптических телескопа в Делинге, Лицзяне и Наньшане. Спутнику удалось установить связь со всеми тремя наземными станциями.

По плану Micius станет первым аппаратом в глобальной сети квантовой связи, которую в КНР намерены создать к 2030 году. Одна из задач его научной миссии - квантовая передача информации по защищенному от перехвата каналу связи между Пекином и Веной. Для этого спутник оснащен экспериментальным оборудованием: излучателем пар запутанных фотонов и высокоскоростным когерентным лазерным передатчиком.

Кстати, спутник Micius (в другой транскрипции - Mozi) назван в честь древнекитайского философа Мо-цзы. Как считает ведущий специалист по разработке Micius, академик Цзянь-Вэй Пан из Университета науки и технологии Китая, его соотечественник Мо-цзы еще до нашей эры описал характер распространения света, что дало начало развитию оптическим видам связи. Оставим за рамками статьи национальные притязания на первенство в оптике и посмотрим, чем же интересен поставленный рекорд, а заодно попытаемся разобраться в основах квантовой связи.

Китайско-австрийское соглашение

Австрия стала участником проекта неслучайно: именно группе физиков из австрийского Инсбрукского университета в 1997 году впервые удалось продемонстрировать квантовую телепортацию состояний у пары запутанных фотонов.

У современного Китая тоже интересная история освоения квантовой связи. В 2005 году ученые из Китайского университета науки и технологий смогли передать квантовое состояние запутанных частиц на 7 км по открытому воздуху. Позже при помощи изготовленного на заказ оптоволокна это расстояние увеличили до 400 км. Впервые передачу запутанных фотонов через атмосферу и на значительное расстояние также удалось выполнить физикам Научно-технического университета Китая и Пекинского университета Цинхуа. В мае 2010 года они успешно передали пару запутанных фотонов более чем на 16 км (см. в журнале Nature Photonics).

Оптоволоконная линия или связь «через воздух» в зоне прямой видимости нужна только для первоначального разделения запутанных фотонов. В дальнейшем информация об изменении их квантового состояния передается мгновенно и независимо от расстояния. Поэтому, кроме традиционно перечисляемых преимуществ квантовой передачи данных (высокая плотность кодирования, скорость и защищенность от перехвата), Цайлингер отмечает еще одно важное свойство: квантовая телепортация возможна и в том случае, когда точное взаимное расположение приемника и передатчика неизвестно. Это особенно важно для спутниковых систем связи, поскольку в них взаимное расположение узлов сети постоянно меняется.

В новом эксперименте с использованием Micius лаборатории, находящиеся в столицах Китая и Австрии, передавали друг другу сообщение, зашифрованное шифром Вернама, по наземным открытым каналам. В качестве криптографического ключа использовались результаты измерения квантовых свойств у принимаемых со спутника пар запутанных фотонов.

Очевидно, что принять на Земле миллиарды фотонов даже от далекого Солнца - не проблема. Любой может сделать это в солнечный день, просто выйдя из тени. Зарегистрировать же одновременно определенную пару запутанных фотонов со спутника в двух разных лабораториях и измерить их квантовые свойства - исключительно сложная техническая задача. Для ее решения в проекте QUESS использовалась адаптивная оптика. Она постоянно измеряет степень искажений, вызываемых турбулентностью земной атмосферы, и компенсирует их. Дополнительно применялись оптические фильтры для отсечения лунного света и городской засветки. Без них в оптической линии связи был слишком сильный уровень шумов.

Каждый проход спутника над территорией Китая длился всего 275 с. За это время требовалось одновременно установить с него два исходящих канала. В первой серии экспериментов - между Делингой и Наньшанем (расстояние 1120 км). Во второй - между Делингой и Лицзянем (1203 км). В обоих экспериментах со спутника успешно принимались пары запутанных фотонов и защищенный канал связи работал.

Это считается прорывом сразу по нескольким причинам. Во-первых, Micius стал первым удачным экспериментом в области спутниковой квантовой связи. До сих пор все подобные опыты проводились в наземных лабораториях, где приемник и передатчик были удалены друг от друга на куда меньшие расстояния. Во-вторых, в других экспериментах для передачи запутанных фотонов требовалось использование какой-то изолированной среды. Например, оптоволоконных линий связи. В-третьих, при квантовой связи по оптоволокну передаются и регистрируются одиночные фотоны, а спутник повышает эффективную скорость обмена.

Квантовая связь в России

С 2014 года в России запущен проект в области наземной квантовой связи. Инвестиции в него превышают 450 миллионов рублей, но практический выход пока очень скромный. 31 мая 2016 года сотрудниками Российского квантового центра была запущена первая отечественная линия квантовой связи. Созданная на базе существующей оптоволоконной сети, она соединила два отделения Газпромбанка в Москве - на Коровьем Валу и в Новых Черемушках. Расстояние между этими зданиями составляет около 30 км. Пока российская линия квантовой связи функционирует как экспериментальная.

Сигнал от Micius шел через атмосферу и был одновременно принят двумя наземными станциями. «Если бы мы использовали оптоволокно длиной 1200 км для распределения пар запутанных фотонов на Земле, то из-за потери мощности сигнала с расстоянием мы могли бы передавать только одну пару в секунду. Спутник помогает преодолеть этот барьер. Мы уже улучшили скорость распределения на 12 порядков по сравнению с прежними технологиями», - говорит Цзянь-Вэй Пан.

Квантовая передача данных через спутник открывает возможность построения глобальных систем связи, максимально защищенных от перехвата на уровне физических принципов. «Это первый шаг в направлении всемирной безопасной квантовой коммуникации и, возможно, даже квантового интернета», - считает Антон Цайлингер.

Парадокс данного достижения состоит в том, что даже авторы проекта не знают всех деталей о работе квантовой системы связи. Есть только рабочие гипотезы, их экспериментальная проверка и долгие дебаты о правильности трактовки полученных результатов. Так часто бывает: сначала открывают какое-то явление, потом его начинают активно использовать, и только спустя долгое время находится кто-то, способный понять его суть. Первобытные люди умели добывать огонь, но никто из них не понимал физико-химические процессы горения. Разобраться в них пришлось для того, чтобы сделать качественный переход от костра до двигателя внутреннего сгорания и ракетного двигателя.

Квантовая телепортация - штука и вовсе запутанная во всех смыслах. Давай попробуем абстрагироваться от сложных формул, незримых понятий и разобраться в ее основах. Помогут нам в этом старые знакомые - собеседники Алиса, Боб и вечно подслушивающий их Мэлори.

Как Алиса и Боб обвели Мэлори

В обычной системе связи Мэлори отводится роль «человека посередине». Он незаметно вклинивается в линию передачи, перехватывает сообщение от Алисы, читает его, при желании также изменяет и передает дальше Бобу. Наивный Боб ни о чем не подозревает. Поэтому Мэлори получает его ответ, проделывает с ним что угодно и отправляет Алисе. Так происходит компрометация всей переписки, телефонных переговоров и любого другого классического вида связи. С квантовой связью это невозможно в принципе. Почему?

Чтобы создать в ней криптографический ключ, Алиса и Боб сначала используют серию измерений на парах запутанных фотонов. Затем результаты этих измерений становятся ключом для шифрования и расшифровки сообщений, отправляемых по любому открытому каналу. Если Мэлори перехватит запутанные фотоны, он разрушит квантовую систему и оба собеседника немедленно узнают об этом. Мэлори физически не сможет повторно передать такие же фотоны, потому что это противоречит принципу квантовой механики, известному как «запрет на клонирование».

Так происходит потому, что свойства макро- и микромира кардинально отличаются. Любой макрообъект всегда существует во вполне определенном состоянии. Вот лист бумаги, он лежит. Вот его поместили в конверт и отправили авиапочтой. Мы можем измерить любой параметр бумажного сообщения в любой момент времени, и это никак не повлияет на его суть. Оно не изменит содержание от взвешивания, просвечивания рентгеном и не станет лететь быстрее в луче радара, которым мы измеряем скорость самолета.

Для элементарных частиц все не так. Они описываются как вероятностные состояния квантовой системы, а любое измерение переводит ее в строго определенное состояние, то есть изменяет. Само влияние измерения на результат плохо укладывается в привычное мировоззрение. Однако с практической точки зрения оно интересно тем, что состояние передаваемой квантовой системы нельзя узнать скрытно. Попытка перехватить и прочесть такое сообщение попросту разрушит его. Поэтому считается, что квантовая связь полностью исключает возможность MitM-атаки.

Для квантовой передачи данных теоретически подходят любые элементарные частицы. Раньше эксперименты проводились с электронами, протонами и даже ионами разных металлов. На практике же пока удобнее всего использовать фотоны. Их легко излучать и регистрировать. Уже есть готовые приборы, протоколы и целые оптоволоконные сети для традиционной передачи данных. Отличие квантовых систем связи состоит в том, что передавать в них надо пары предварительно запутанных фотонов.

Как не запутаться в двух фотонах

Запутанность элементарных частиц порождает жаркие споры вокруг принципа локальности - постулата о том, что во взаимодействиях участвуют только достаточно близкие друг к другу объекты. На этом принципе строятся все экспериментальные проверки в классической механике. Результат любого опыта в ней зависит только от непосредственно взаимодействующих тел и может быть точно рассчитан заранее. Количество наблюдателей тоже никак на него не повлияет. В случае с квантовой механикой такой определенности нет. Например, нельзя заранее сказать, какая будет поляризация у одного из запутанных фотонов.

Эйнштейн осторожно предположил, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики объясняется наличием каких-то скрытых параметров, то есть банальной неполнотой описания. Спустя тридцать лет Белл ответил созданием серии неравенств, теоретически способных подтвердить наличие скрытых параметров в экспериментах с квантовыми частицами путем анализа распределения вероятностей в серии опытов. Ален Аспе, а затем и другие экспериментаторы продемонстрировали нарушение неравенств Белла.

В 2003 году физик-теоретик из Иллинойского университета Тони Леггет обобщил накопленные данные и предложил вовсе отказаться от принципа локальности в любых рассуждениях о квантовых системах. Позже группа ученых из Цюрихского института теоретической физики и Института прикладной физики технического университета Дармштадта под руководством Роджера Кольбека пришла к выводу о том, что принцип Гейзенберга также некорректен для запутанных элементарных частиц.

Такое постоянное переосмысление квантовой механики происходит потому, что мы пытаемся мыслить привычными категориями в непривычном окружении. Запутанные состояния частиц и, в частности, фотонов - вовсе не мистическое свойство. Оно не нарушает, а дополняет известные законы физики. Просто пока сами физики не могут описать наблюдаемые эффекты в непротиворечивой теории.

Квантовая запутанность наблюдается в экспериментах с 1970-х годов. Разнесенные на любое расстояние пары предварительно запутанных частиц мгновенно (то есть быстрее скорости света) меняют свойства друг друга - отсюда и возник термин «телепортация». Например, стоит изменить поляризацию одного фотона, как парный ему тут же изменит свою. Чудо? Да, если не вспомнить, что изначально эти фотоны были единым целым, а после разделения их поляризация и другие свойства также оказались взаимосвязанными.

Наверняка ты помнишь про двуличность фотона: он взаимодействует как частица, а распространяется как волна. Для создания пары запутанных фотонов есть разные методики, одна из которых базируется на волновых свойствах. В ней генерируется один фотон с меньшей длиной волны (например, 512 нм), а затем он разделяется на два фотона с большей длиной волны (1024 нм). Длина волны (частота) таких фотонов одинакова, а все квантовые свойства пары описываются вероятностной моделью. «Изменить» же в микромире означает «измерить», и наоборот.

У фотона-частицы есть квантовые числа - например, спиральность (положительная или отрицательная). У фотона-волны есть поляризация - например, горизонтальная или вертикальная (либо левая и правая круговая - смотря какую плоскость и направление движения мы рассматриваем).

Какими эти свойства будут у каждого фотона из пары, заранее неизвестно (см. вероятностные принципы квантовой механики). Зато в случае запутанных фотонов мы можем утверждать, что они будут противоположными. Поэтому если изменить (измерить) характеристики одного фотона из пары, то они мгновенно станут определены у второго, даже если он находится за 100500 парсек. Важно понимать, что это не просто устранение неизвестности. Это именно изменение квантовых свойств частиц в результате перехода от вероятностного состояния к детерминированному.

Основная техническая трудность заключается не в том, чтобы создать запутанные пары фотонов. Практически любой источник света рождает их постоянно. Даже лампочка у тебя в комнате излучает запутанные фотоны миллионами. Однако ее трудно назвать квантовым прибором, поскольку в таком хаосе квантовая запутанность рожденных пар быстро исчезает, а бесчисленные взаимодействия мешают эффективно передавать информацию.

В экспериментах с квантовой запутанностью фотонов обычно используют свойства нелинейной оптики. Например, если на ограненный определенным образом кусочек ниобата лития или другой нелинейный кристалл посветить лазером, то возникнут пары фотонов со взаимно ортогональной (то есть горизонтальной и вертикальной) поляризацией. Один (сверх)короткий импульс лазера - строго одна пара фотонов. Вот где магия!

Дополнительный бонус квантовой передачи данных

Спиральность, поляризация - все это дополнительные способы кодировать сигнал, поэтому одним фотоном можно передать более одного бита информации. Так в квантовых системах связи повышается плотность передачи данных и ее скорость.

Использовать квантовую телепортацию для передачи информации пока слишком сложно, но прогресс в этой области движется стремительно. Первый успешный опыт был зарегистрирован в 2003 году. Группа Цайлингера выполнила передачу квантовых состояний запутанных частиц, удаленных друг от друга на 600 м. В 2010 году группа Цзянь-Вэй Пана увеличила это расстояние до 13 км, а затем в 2012 году побила собственный рекорд, зафиксировав успешную квантовую телепортацию на расстоянии 97 км. В том же 2012 году Цайлингер взял реванш и увеличил расстояние до 143 км. Теперь совместными усилиями они совершили настоящий прорыв - выполнили передачу на 1203 км.