Квантовые коты на заре эры новой физики

Шутливый плакат кембриджских студентов

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

КВАНТОВАЯ ПЕРЕПУТАНИЦА

Если две системы, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое взаимодействие, а затем разделяются вновь, то их уже нельзя описывать прежним образом, то есть утверждать, что каждая система пребывает в своем собственном состоянии. Я считаю это обстоятельство самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и классическую науку. Благодаря временному взаимодействию ранее независимые системы становятся запутанными.

Эрвин Шрёдингер, нобелевский лауреат, один из создателей квантовой механики

СЛОЖНОСТИ НОВОЙ ФИЗИКИ

Давайте вспомним принцип неопределенности Гейзенберга и задумаемся над тем, как можно было бы попытаться обойти его в одном из мысленных экспериментов. Допустим, две одинаковые частицы образовались в результате распада третьей частицы. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это дает нам возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в ее движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, мы сумеем получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Таким образом, получается, что соотношение неопределенностей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и могут быть в будущем уточнены.

Однако теоретически существует возможность, при которой законы квантовой механики останутся абсолютными. Для этого нужно предположить, что две взаимодействовавшие частицы остаются каким‑то образом связанными между собой. Тогда возмущения, вносимые измерением в состояние первой частицы, мгновенно перенесутся на состояние второй. Связанные таким образом частицы называются в квантовой механике запутанными и описываются единой волновой функцией, на каком бы расстоянии они ни находились. Передаваемое возмущение соответствует коллапсионной редукции волновой функции. Подобное мгновенное изменение описания квантового состояния микрообъекта, происходящее в процессе физических измерений, было детально описано в двадцатых годах прошлого века одним из создателей математического аппарата квантовой теории Джоном фон Нейманом.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (например, нескольких элементарных частиц), и представляет собой наложение друг на друга нескольких квантовых состояний. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях. Здесь еще очень много неясного и все еще не хватает экспериментальных данных. Однако удивительные свойства запутанных состояний подтверждены многими физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы принципиально новых электронно‑вычислительных устройств – квантовых компьютеров.

В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Это можно сделать только в случае системы, части которой никогда не взаимодействовали друг с другом.

Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной классической точки зрения.