Страсть на расстоянии
Алексей Левин
«Популярная механика» №4, 2006
Начавшись с публикаций Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера в 1925–1926 годах, всего через десять лет квантовая механика превратилась в общепризнанную основу понимания явлений микро- и макромира в очень широком спектре областей — от ядерной физики до теории кристаллов. Теория столь уверенно двигалась от успеха к успеху, что практически все физики стали принимать ее как истину в последней инстанции.
Но имелись и несогласные. Альберту Эйнштейну не нравились в квантовой механике принципиально вероятностный характер, соотношение неопределенностей и вытекающая из него невозможность одновременного определения координат и скоростей частиц, отсутствие ясности в решении проблемы квантовомеханических измерений. Больше всего Эйнштейна раздражала несовместимость его собственных представлений о физической реальности с «копенгагенской» интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором. Согласно Бору, состояние любой квантовой системы нельзя рассматривать безотносительно к аппаратуре, с помощью которой получена информация о ее поведении. Теория способна предсказать вероятности тех или иных исходов измерений квантовомеханических объектов, но ровно ничего не может сказать о том, каковы же значения измеряемых величин «на самом деле». Состояние «неизмеренной» системы не просто неизвестно — оно вообще не определено, а посему и рассуждать о нем не имеет смысла.
Эйнштейна не устраивала подобная логика, он пытался ее опровергнуть и изобретал воображаемые опыты, которые Бор успешно интерпретировал в свою пользу. Однако Эйнштейн не отступал. В 1935 году он опубликовал описание очередного мысленного эксперимента, который, по его расчетам, неопровержимо доказывал ущербность квантовой теории. Эта модель послужила предметом долгих дискуссий Эйнштейна со своим ассистентом Натаном Розеном и коллегой Борисом Подольским. Статья, фактически написанная Подольским, появилась в журнале Physical Review за подписями всех троих. Эта работа, которую цитируют как ЭПР, и проложила путь к концепции квантового спутывания. Сегодня ее относят к числу самых глубоких исследований теоретической физики XX века.
Кому это нужно?
Исследование феномена квантового спутывания имеет множество практических применений. Система спутанных частиц, как бы сильно она ни была размазана по пространству, это всегда единое целое. Поэтому такие системы — золотое дно для информационных технологий. Хотя они не позволяют передавать сигналы со сверхсветовой скоростью (этот запрет СТО остается нерушимым), с их помощью можно копировать состояние квантовых объектов на любом расстоянии (это называется квантовой телепортацией) и осуществлять передачу сообщений, полностью защищенных от перехвата (квантовая криптография). Феномен спутанности открывает путь и к созданию квантовых компьютеров. «Каждая элементарная ячейка классического компьютера существует сама по себе в одном из двух логических состояний, которые кодируют нуль и единицу.
А в квантовом компьютере состояние ячейки является суперпозицией, смесью двух базисных состояний, нуля и единицы. Такой ячейкой — кубитом — может быть любая квантовая система с двумя возможными состояниями, скажем, электрон с его двумя спиновыми ориентациями, — рассказал «Популярной механике» профессор физики Мичиганского университета Марк Дыкман. — Кубиты можно по-разному связать друг с другом, создав тем самым множество спутанных состояний. Для связанной системы двух кубитов имеются уже четыре возможных состояния, трех — восемь, четырех — шестнадцать и так далее. Так что с ростом числа кубитов число состояний компьютера увеличивается по экспоненте. Поэтому квантовый компьютер в принципе позволит решать задачи, которые никогда не будут доступны его классическим предшественникам. Спутанные состояния чрезвычайно деликатны, физики-экспериментаторы столкнулись с этим давно. Для работы квантового компьютера нужно сначала создать спутанное состояние многих кубитов и затем изменять его в ходе процесса вычисления. Поэтому для практического изготовления квантового компьютера необходимо, чтобы спутанные, когерентные кубиты жили достаточно долго и чтобы их можно было надежно контролировать. В этом и заключается одна из главных физических и технических проблем создания квантовых компьютеров. Это очень сложно... и чрезвычайно интересно».
