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.

КВАНТОВЫЕ «СЕКРЕТНЫЕ ФАЙЛЫ»

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».

Итак, законы квантового мира не только по форме, но и по самой своей глубинной сути принципиально отличаются от классической механики, воплощенной в том, что мы называем здравым смыслом повседневной реальности. Уже тысячелетия астрономы наблюдают за траекториями небесных тел, но это, конечно же, никак не влияет на эллиптичность планетарных орбит. Однако, наблюдая за электроном, мы обязательно изменим его энергетическое состояние и волновую функцию, так что любое измерение полностью и неконтролируемым образом изменит общее состояние микрочастицы. Единственный выход для физиков‑экспериментаторов – это выполнить измерения над очень большим числом электронов (в идеале такое количество одинаковых микрообъектов должно практически стремиться к бесконечности), тогда, и только тогда, можно со сколь угодно высокой точностью узнать, какой же будет исход эксперимента над иными микрочастицами, находящимися в тех же начальных условиях.

Именно здесь и пролегает связь между классической и квантовой физикой, ведь единичные одинаковые квантово‑механические опыты приводят к разным результатам просто в силу принципиальной невозможности обеспечить для них совершенно одинаковые условия проведения, как это происходит в классической механике. Но достаточно большое множество одинаковых опытов над не менее существенным множеством одинаковых квантовых объектов (например, тех же электронов) обязательно в конечном итоге приведет к одинаковым результатам.

Как поразительно точно подметил в книге «Квантование в науке настоящего и будущего» А. С. Компанеец:

При этом самое удивительное то, что форма закономерности все же относится к отдельному объекту: в простейшем виде уравнению Шрёдингера удовлетворяет волновая функция одного электрона. В соответствии с этим каждый электрон вступает во взаимодействие с измерительным прибором, например с фотопластинкой, независимо от всех остальных. Фотопластинка, как и любой измерительный прибор, – объект классический, поэтому и можно зафиксировать точку попадания на нее отдельного электрона, не изменяя существенным образом состояния самой фотопластинки. Но сам электрон, попадая на фотоэмульсию, радикально изменяет свое состояние. На таких отдельных актах взаимодействия проявляется статистическая закономерность.

Эволюция электронно‑вычислительной техники