Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
21.02
В пении флейтовых птиц обнаружены музыкальные принципы

20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение

16.02
Открыт бензольный дикатион — пирамида с шестикоординационным углеродом

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых






Главная / Библиотека / Из Книжного клуба версия для печати

«Квантовая случайность». Глава из книги

Николя Жизан


Квантовая случайность

Николя ЖИЗАН

Квантовая случайность

Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

(Nicolas Gisin. Quantum Chance: Nonlocality, Teleportation and Other Quantum Marvels)

О квантовых феноменах простым языком.


Глава 2. Локальные и нелокальные корреляции

Центральной концепцией этой книги является нелокальная корреляция. Мы увидим, что эта идея близка к идее истинной случайности, то есть к представлению о событиях, которые принципиально непредсказуемы. Тема случая удивительна сама по себе, но здесь мы будем говорить о нелокальной случайности. Эти понятия непривычны и поразительны, даже революционны, уловить их суть будет непросто. Скорее всего, эта глава будет самой сложной, но у нас впереди целая книга, чтобы внести ясность. Для того чтобы убедиться, что нелокальные корреляции и истинная случайность существуют, физики изобрели игру, которую назвали игрой Белла. Ведь физики — это большие дети: они постоянно разбирают игрушки, чтобы понять, что это там тикает.

Перед тем как начать рассказ об этой игре, освежим в памяти понятие корреляции. В сущности, наука тем и занимается, что ищет корреляции и придумывает объяснения к ним. Джон Белл имел обыкновение говорить, что корреляции требуют, чтобы их объяснили1. Сначала мы рассмотрим простой пример корреляций, а потом подумаем, какого рода объяснение можно для них подобрать. Мы увидим, что существует несколько очень разных типов объяснений. Впрочем, если мы ограничимся локальными объяснениями, что предполагает механизм последовательного распространения из точки в точку пространства, то останется только два разных типа.

При помощи игры Белла мы можем изучить специфические корреляции. Это игра для двух игроков, которые должны сотрудничать с целью получить максимальное количество очков. Правила игры более чем просты, и играть совсем не сложно, но непросто сразу понять, в чем состоит ее цель — род нелокального вычисления. На самом деле вопрос не в самой игре, а в понимании ее механизма. На этом пути мы проникнем в сердце проблемы — к нелокальным корреляциям и происходящей сегодня концептуальной революции.

Но давайте начнем с самого начала, с концепции корреляции.

Корреляции

Множество раз за день мы принимаем решения, и каждый раз решение влечет за собой последствия. В каких-то случаях принятое решение и его последствия очень важны, в каких-то — совсем нет.

Некоторые последствия проистекают только от нашего собственного решения, другие — частично или полностью от решений других людей. В этом случае последствия не являются независимыми — они коррелируют. К примеру, решение о том, что приготовить на ужин, зависит, помимо прочего, от цен на продукты в местном гастрономе, а эти цены определяют какие-то другие люди в соответствии с различными ограничениями. Таким образом, меню обитателей одного и того же района города будут коррелировать. Если свежий шпинат продается со скидкой, то, скорее всего, его будут готовить чаще. А еще на решение о том, что приготовить на ужин, может повлиять выбор соседей. Длинная очередь за чем-нибудь или заинтересует вас, или отпугнет. В обоих случаях мы будем наблюдать корреляцию, положительную в первом случае и отрицательную во втором.

Доведем пример до крайности. Представьте себе двух соседей, традиционно Алису и Боба. Предположим, что изо дня в день они едят на ужин одни и те же блюда. Другими словами, их вечерние меню идеально коррелируют между собой. Как мы можем объяснить такую корреляцию?

Во-первых, мы можем предположить, что Боб все время повторяет выбор Алисы, то есть не принимает решение самостоятельно. Или наоборот — Алиса следует за Бобом. Здесь мы наблюдаем первый из возможных типов объяснения: первое событие влияет на второе. Эту схему можно проверить экспериментально, что мы и сделаем, как настоящие ученые. Мысленно поместим Алису и Боба в два разных города на разных континентах, то есть на очень большое расстояние друг от друга, с условием, что у обоих неподалеку есть продовольственный магазин. Так как перед нами стоит задача исключить любое влияние одного события на другое, поставим условием, что Алиса и Боб совершают покупки в один и тот же момент. И вообще, пусть лучше они находятся в разных галактиках. В таких условиях они не смогут вступить в контакт и даже воздействовать друг на друга неосознанно (как бывает, когда кто-то зевнул2). А теперь представим себе, что их меню их ужина по-прежнему идеально коррелируют. Теперь мы не можем объяснить эту корреляцию каким-либо влиянием их друг на друга, и нам придется искать другое объяснение.

Второй вариант объяснения этого явления может быть таким: каждый день хозяева этих магазинов предлагают Алисе и Бобу одно и то же блюдо, то есть принятие решения вообще не требуется. Быть может, давным-давно владельцы двух магазинов составили меню ужинов на много лет вперед. Меню может отличаться от вечера к вечеру, но в каждый определенный день ассортимент все равно соответствует этому расписанию. К примеру, его мог бы составить руководитель сети магазинов, чтобы потом разослать по электронной почте всем членам межгалактического консорциума. В этом случае совсем неудивительно, что изо дня в день мы обнаруживаем одинаковые блюда на столах Алисы и Боба. В этом варианте объяснения блюда, что друзья получат на ужин, определяются общей причиной — событием, которое произошло достаточно давно, чтобы оказать влияние на Алису и Боба, невзирая на огромное расстояние между ними. Эта общая причина передалась непрерывно сквозь пространство от точки к точке, без скачков или разрывов. В этом случае можно говорить об общей локальной причине; общей — потому что происходит из общего прошлого, и локальной — потому что все происходит локально и беспрерывно, от одной точки пространства к другой.

Итак, перед нами возможное логичное объяснение. Давайте подумаем: может быть, существует еще какое-нибудь объяснение? Есть ли третий способ объяснить тот факт, что Алиса и Боб каждый вечер сидят перед одним и тем же блюдом, за исключением названных двух — версии прямого влияния Алисы на Боба или Боба на Алису и существования общей локальной причины? Или другого возможного объяснения не существует? Может показаться удивительным, но ученые до сих пор его не нашли.

Все наблюдаемые наукой корреляции — за пределами квантовой физики — могут быть объяснены либо влиянием одного события на другое (объяснение первого типа), либо наличием общей локальной причины, как в истории про руководителя сети магазинов готовой еды (объяснение второго типа). Но в обоих случаях такое влияние или общая причина распространяется непрерывно из точки в точку пространства, и в этом точном смысле оба объяснения являются локальными.

Будем называть корреляции локальными, когда мы хотим сказать, что они имеют некое локальное объяснение.

Дальше мы увидим, что квантовая физика предлагает нам третье возможное объяснение, которое и является предметом этой книги. Однако вне квантовой физики — в геологии, медицине, социологии или биологии — есть только два типа объяснения для всех наблюдаемых корреляций. Эти два типа объяснений являются локальными, так как они ссылаются на цепочку механизмов, которая распространяется непрерывно через пространство, из точки в точку.

Именно поиск локальных объяснений принес такой успех науке. Наука характеризуется постоянным поиском хороших объяснений, причем объяснение признается хорошим, если оно удовлетворяет трем критериям. Самый очевидный из них — точность и проверяемость. Она формализуется математические уравнения, позволяющие сделать предсказания, которые затем сравнивают с наблюдениями и результатами опытов. Однако я считаю, что этот критерий не самый важный, хоть и существенный. Далее, хорошее объяснение характеризуется тем, что оно всегда рассказывает некую историю. Каждый урок естествознания начинается с интересного рассказа. Как же еще можно ввести новые понятия — что такое энергия, молекула, геологический слой или корреляция? До открытия квантовой стороны физики все эти истории происходили в локальном мире, где воздействие непрерывно распространяется сквозь пространство и время. Третий определяющий критерий хорошего объяснения состоит в том, что его трудно изменить. Хорошее объяснение, или качественная гипотеза, может быть проверена экспериментально как раз потому, что ее нельзя легко адаптировать под новые экспериментальные данные, которые иначе противоречили бы ей. Поппер называл этот критерий «фальсифицируемостью».

Вернемся к Алисе, Бобу и идеальной корреляции блюд, которые они едят на ужин. Значительное расстояние между ними исключает попытки объяснить это явление прямым влиянием (тип 1). Но как можно проверить объяснение общей локальной причиной (тип 2)? В нашем примере у Алисы нет выбора. Единственный магазин возле ее дома каждый вечер предлагает только одно возможное блюдо. Такой пример слишком прост, поэтому давайте его немного усложним.

Представьте, что рядом с домом Алисы есть два магазина готовой еды. Направо пойдешь — один, налево пойдешь — другой. Поблизости от дома Боба также есть два магазина, один слева и другой справа. Алиса и Боб все так же проживают в разных галактиках и, следовательно, не могут влиять друг на друга. А теперь представим, что каждый раз каждый из них случайно принимает решение отправиться в магазин слева, и каждый раз их ужин состоит из одного и того же блюда. Единственным локальным объяснением этой корреляции может быть общий для магазинов «слева» список, в котором определяется состоящее из единственного блюда меню на каждый вечер. То есть ситуация для магазинов «слева» такая же, как была раньше. Но ведь мы имеем дело с несколькими магазинами и можем представить несколько возможных корреляций. К примеру, пусть Алиса выбирает пойти налево, Боб — направо, а меню снова одинаковое. И остается одинаковым, если Алиса решает пойти направо, а Боб — налево. Получается, мы наблюдаем три типа корреляций: «лево-лево», «лево-право» и «право-лево», и единственное локальное объяснение для всех трех состоит в том, что общее меню-расписание есть во всех четырех магазинах.

А теперь представим, что, когда Алиса и Боб принимают решение пойти в магазин справа, их блюда никогда не совпадают. Возможно ли это? На первый взгляд, устроить такое было бы сложно.

Здесь мы очень близко подходим к сути игры Белла. Поэтому оставим на время наши магазины. Пришло время применить научный подход и максимально упростить ситуацию.

Далее мы будем говорить не о меню, а о результатах, а поскольку достаточно рассмотреть лишь два возможных результата, нам больше и не потребуется.

Игра Белла

В комплект игры входят два одинаковых на вид ящика, как показано на рис. 2.1. К каждому из них прилагается джойстик и дисплей. В состоянии покоя джойстик всегда находится в вертикальном положении. Через секунду после перевода джойстика в положение «вправо» или «влево» на дисплее появляется результат. Такие результаты двоичны, то есть могут принимать только два значения: либо 0, либо 1. Компьютерщики сказали бы, что результаты представляют собой биты информации. Для каждого ящика, или, если угодно, прибора, результаты выглядят произвольными.

Игра Белла

Рис. 2.1. Алиса и Боб играют в игру Белла. У каждого есть ящик с джойстиком. Раз в минуту они наклоняют джойстик влево или вправо, а на дисплее отображает результат. Алиса и Боб аккуратно записывают время, свой выбор и показания с дисплея. В конце дня они сравнивают результаты и определяют победителя. Цель упражнения — понять, как работает «черный ящик», так же как дети учатся понимать поведение своих игрушек

Перед началом игры Алиса и Боб берут по ящику, сверяют часы и затем удаляются друг от друга на некоторое расстояние. Ровно в девять утра и затем в каждую следующую минуту участники наклоняют свои джойстики в ту или иную сторону и аккуратно записывают показания, которые отображаются на дисплее, — время и результат собственного выбора. Важно, чтобы выбор правого или левого направления в каждую минуту был абсолютно свободным и независимым для каждого из участников. В частности, им не разрешено придерживаться одного и того же выбора, равно как и предварительно договариваться между собой. Важно также, чтобы ни один участник не знал о том, какое направление выбирает другой. Заметьте, наши друзья не жульничают, ведь они и вправду хотят понять, как работают приборы для игры Белла.

Они играют ровно до семи часов вечера, получив к концу дня 600 точек данных (примерно по 150 для каждого из случаев: лево-лево, лево-право, право-лево и право-право). Вечером они встречаются, чтобы подсчитать очки и получить общий итог игры.

Правила подсчета таковы:

  1. Каждый раз, когда Алиса наклоняет джойстик влево, или Боб наклоняет джойстик влево, или оба они наклоняет джойстик влево, и при этом показания на дисплеях совпадают, участники получают одно очко.
  2. Каждый раз, когда Алиса и Боб наклоняют джойстик вправо, и при этом показания на дисплеях различаются, участники получают одно очко.

Общий итог игры рассчитывается так:

  • сначала для каждой из четырех комбинаций выбора (лево-лево, лево-право, право-лево и право-право) вычисляется коэффициент удачных попыток. Для этого количество полученных очков делится на общее количество попыток и затем все четыре коэффициента складываются. Максимально возможный результат игры равен 4, так как есть четыре варианта выбора и по каждому показатель успеха не превышает 1. Результат S должен означать, что Алиса и Боб выиграли S раз из 4. Заметим, что результат является средним и может быть принимать любое значение от 0 и 4. К примеру, результат 3,41 означает, что Алиса и Боб в среднем выиграли 3,41 раза из 4 или 341 раз из 400;
  • мы увидим, что очень просто устроить ящики так, чтобы участники получали общий результат, равный 3. Поэтому иногда, говоря, что они победили в игре Белла, мы будем иметь в виду, что они выигрывали чаще, чем 3 раза из 4.

Для лучшего понимания этой странной игры давайте вообразим, что Алиса и Боб не записывают фактические показания с дисплеев, а просто выдумывают их. Другими словами, они независимо друг от друга выдают случайный результат3. В этом случае все четыре показателя удачных попыток к неудачным будут равны ½. К примеру, если половину отведенного времени Алиса и Боб записывают один и тот же результат, а вторую половину — противоположный, вне зависимости от направления наклона джойстика, то результатом игры будет 4 × ½ = 2. Чтобы получить счет больше 2, ящики Алисы и Боба не могут быть полностью независимыми друг от друга — они должны быть как-то связаны, скоординированы друг с другом, чтобы выдавать коррелированные результаты.

Если пойти чуть дальше, можно рассмотреть другой пример, в котором оба ящика всегда выдают одинаковые значения показаний, равные 0, невзирая на положение джойстика. В этом случае выбор Алисы и Боба никак не влияет на результат. Несложно подсчитать, что для каждой из трех комбинаций: «лево-лево», «лево-право» и «право-лево» — коэффициент удачных попыток будет составлять 1, а для комбинации «право-право» — 0. В этом случае общий счет будет равен 3.

Перед тем как рассмотреть принцип работы приборов, добавим чуть-чуть абстракции. Это подведет нас к самой сути понятия нелокальности.

Нелокальные вычисления: a + b = x × y

Ученые любят описывать изучаемые объекты при помощи чисел, так же как сделали мы с показаниями ящиков Белла. Это помогает сосредоточить внимание на главном и не путаться в длинных предложениях вроде «Алиса наклонила джойстик влево и получила результат 0». Математический аппарат также помогает выполнять сложение и умножение, и мы увидим, что можно уместить понятие нелокальности в очень простом уравнении.

Сначала займемся Алисой. Пусть переменная х  обозначает ее выбор, а переменная a — результат. К примеру, х = 0 будет означать, что Алиса выбрала наклонить джойстик влево, а х = 1 будет означать, что она наклонила его направо. Точно так же обозначим переменные для Боба: y будет обозначать его выбор, а b — результат. При таких обозначениях следующая небольшая таблица описывает случаи, в которых, согласно правилам, Алиса и Боб получают очко.

х = 0 х = 1
y = 0 a = b a = b
y = 1 a = b a ≠ b

Оказывается, простые арифметические действия помогут нам свести всю игру Белла, в которой у Алисы и Боба имеется по ящику, которые далеко разнесены друг от друга, чтобы избежать какой-либо возможности копирования, где каждый из них делает свободный выбор и записывает результат, в одно элегантное уравнение:

$$ a+b = x \times y $$

то есть сумма а и b равна произведению x и y.

В самом деле, произведение \(x \times y \) всегда равно 0, кроме случая, когда \( х = у = 1 \). Следовательно, говорит нам уравнение, сумма \( a + b \) всегда равна 0, кроме случая, когда \( х = у = 1 \).

Сначала рассмотрим случай, при котором \( х = у = 1 \). Сумма \( a + b \) при этом равна 1, а так как мы договорились, что переменные a и b могут принимать только значения 0 и 1, то уравнение \( a + b =1 \) имеет два решения: или \( a =0 \) и \( b =1\), или \( a =1 \)и \( b = 0 \). Следовательно, если \( a + b =1 \), то \( a \ne b \). В этом случае в соответствии с правилами игры участники получают очко.

Теперь рассмотрим три оставшихся случая: (x,y) = (0,0), (0,1) или (1,0). Во всех трех случаях произведение \(x \times y \) равно 0, поэтому мы можем упростить уравнение до \( a + b = 0 \). Первое возможное решение — \( a = b = 0 \). Второе решение: это \( a = b = 1 \). Второе решение на первый взгляд кажется странным, потому что сумма 1 + 1 обычно равна 2. Но, так как мы считаем битами, нулями и единицами, результат также может быть представлен только как 0 или 1. В нашем случае 2 = 0 (математики сказали бы о сравнении по модулю 2). Следовательно, уравнение \( a + b = 0 \) эквивалентно \( a = b \).

Таким образом, одно красивое уравнение \( a+b = x \times y \) весьма лаконично описывает игру Белла. Каждый раз, когда уравнение удовлетворяется, Алиса и Боб получают очко. Теперь вы убедились, что революционные идеи квантового мира могут выражаться довольно простой математикой4.

Это уравнение выражает явление нелокальности. Ведь для того, чтобы систематически побеждать в игре Белла, ящики должны сами вычислять произведение \( x \times y \) . Но если выбор x доступен только на приборе Алисы, а выбор y — только на приборе Боба, то такой расчет невозможно выполнить локально. В лучшем случае они могут поставить на \( x \times y = 0 \) , и они будут правы в трех случаях из четырех, так что счет составит 3. Любой счет больше 3 требует «нелокального» вычисления \( x \times y \), потому что оба множителя существуют на огромном расстоянии друг от друга.

Локальные стратегии в игре Белла

Итак, Алиса и Боб сидят каждый перед своим ящиком и раз в минуту принимают независимое и свободное решение, аккуратно записывают свой выбор и результаты, отображаемые на дисплеях. Что могли бы сделать их приборы, чтобы помочь игрокам получить лучший счет?

Давайте представим себе, что расстояние между участниками исключает любую возможность влияния друг на друга. Для этого мы мысленно разнесем Алису и Боба так далеко друг от друга, чтобы любой обмен информацией стал бы невозможным. К примеру, разделим их расстоянием, которое свет преодолевает более чем за минуту, то есть более чем 18 млн. км. В этом крайнем случае ни Алиса, ни ее ящик не в состоянии сообщить о сделанном выборе Бобу или его прибору. Таким образом, исключается какое бы то ни было воздействие, и нам придется искать другое объяснение.

Я начну с анализа случая, в котором в результате совпадения оба джойстика оказываются в левом положении. В этом случае Алиса и Боб получат очко лишь тогда, когда показания их приборов одинаковы. Мы уже рассматривали такую ситуацию, где покупатели в магазинах всегда получают одно и то же блюдо на ужин в случае, если выбирают магазин слева. И видели, что при исключении всех прямых воздействий единственно возможным объяснением будет то, что у магазинов нет никакого выбора: они просто предлагают то, что предписано. Применительно к ящикам в игре Белла это означает, что если джойстики передвинуты влево, то они должны выдать один и тот же результат. Эти показания предопределены для каждой отдельной минуты, но могут изменяться от минуты к минуте, точно так же как единственное меню может быть иным на каждый вечер. Так мы получаем объяснение максимальной корреляции в случае, когда оба джойстика отклонены влево. Как мы уже знаем, это объяснение второго рода — через общую локальную причину: предопределенные для каждой минуты результаты должны быть записаны в каждом приборе, то есть локально.

Но продолжим анализ. Те результаты, которые изначально записаны в ящиках, могли быть получены многократным подбрасыванием монеты. Для Алисы они выглядят совершенно произвольными, как и для Боба. Однако когда друзья встретятся и обнаружат, что всегда получали одинаковые результаты, они уже не смогут поверить, что это произошло случайно — разве что если это была нелокальная случайность. Мы вернемся к этому позже.

СПРАВКА 2. Случайность. Когда мы говорим о результате «случайный», мы имеем в виду «неожиданный». Но неожиданный для кого? Многие вещи происходят неожиданно либо потому, что являются результатом слишком сложных для понимания процессов, либо потому, что мы не учли всех деталей, которые повлияли на результат. Однако истинно случайный результат является неожиданным потому, что он непредсказуем в силу своей природы. Этот результат не обусловлен никакой причинно-следственной цепочкой, даже самой сложной. По-настоящему случайный результат не может быть предугадан — потому что до того, как он возник, он попросту не существовал и не был необходимым. Его реализация предстает как чистый акт творения.

Чтобы наглядно проиллюстрировать эту идею, представим, что Алиса и Боб случайно встречаются на улице. Возможно, Алиса шла в ресторан, который находится на этой улице, а Боб решил зайти к другу, который живет на соседней. Начиная с того момента, когда каждый из них решил пойти пешком, наикратчайшим путем, Алиса — в ресторан, а Боб — к другу, эта встреча стала предсказуема. Это пример двух причинно-следственных цепочек: пути друзей пересекаются, создавая видимость случайной встречи. Но для кого-то, кто видит всю систему в целом, эта встреча предсказуема. Их встреча кажется случайной лишь вследствие недостаточной информации: Боб не знал, куда идет Алиса, и наоборот. Но каково было положение перед тем, как Алиса решила пойти в ресторан? Если мы согласимся, что Алиса свободна в своем выборе, то, перед тем как она приняла это решение, встреча действительно была непредсказуемой. Истинная случайность как раз такова.

Истинная случайность, таким образом, не имеет причины в том смысле, который подразумевается в классической физике. Результат истинного случая никоим образом не предопределен. Но тут необходимо уточнить, что событие, выглядящее как истинно случайное, может иметь причину. Дело лишь в том, что эта причина определяет не результат, а только предрасположенность к реализации определенного результата.

В схеме с общей локальной причиной каждый ящик каждую минуту выдает некий предопределенный результат, и список этих результатов составлен заранее и записан в каждом ящике. Можно представить себе, что внутри каждого ящика спрятан маленький компьютер с большим объемом памяти, часами и программой, которая с интервалом в одну минуту считывает следующую запись из таблицы.

В зависимости от программы результат может зависеть или не зависеть от положения джойстика. Но какие программы исполняют ящики Алисы и Боба? Существует ли бесконечное или, по крайней мере, очень большое количество возможных программ? На самом деле нет, ведь мы применили научный подход и упростили ситуацию до бинарного выбора, что ограничивает количество возможных вариантов до четырех для каждого из ящиков. В самом деле, программа должна выводить один из двух возможных результатов для каждой из двух возможных выборов.

В приборе Алисы могут работать четыре возможных программы5:

  1. \(a=0\), вне зависимости от значения x.
  2. \(a=1\), вне зависимости от значения x.
  3. Значение результата идентично значению выбора, то есть \( a = x \).
  4. Значение результата всегда отличается от значения выбора, то есть \( a = 1 - x \).

То же самое справедливо для прибора Боба. Это означает, что общее количество комбинаций программ для обоих приборов равно: \( 4 \times 4 = 16 \). Конечно, программа Алисы, как и программа Боба, может меняться от минуты к минуте, но для каждой конкретной минуты одна из четырех программ в ящике Алисы определяет результат а и одна из четырех программ в приборе Боба определяет результат b.

Давайте изучим эти 16 возможных комбинаций и рассчитаем соответствующие им результаты игры. Помните, что наша цель — найти максимально возможный счет в рамках локального объяснения. Мы увидим, что невозможно создать аппараты, использующие локальные стратегии, которые бы давали счет больше 3. Вы можете принять мои слова на веру и сразу перейти к странице разделу «Победить в игре Белла: нелокальные корреляции» или убедиться в этом самостоятельно, потратив время на рассуждения в следующем абзаце. И я настоятельно рекомендую сделать именно так.

Таблица 2.1. Итоговый счет для 16 возможных комбинаций программ, исполняемых двумя устройствами

Николя Жизан «Квантовая случайность»

Начнем с сочетания программы № 1 для Алисы и программы № 1 для Боба. В этом случае оба результата всегда будут равны 0, то есть \(a=b=0\), и Алиса и Боб выигрывают три раза из четырех. В самом деле, они проигрывают лишь в том случае когда оба выбирают 1. Возьмем второе сочетание, скажем программу № 1 для Алисы (и поэтому всегда \(a=0\)) и программу № 3 для Боба (поэтому \(b=y\)). Рассмотрим четыре пары возможных выборов, которые они могут сделать. При \(x=0\) и \(y=0\) значение результата будет (0, 0), и Алиса и Боб выигрывают — в смысле зарабатывают очко. При \(x=0\) и \(y=1\) участники проигрывают, так как результат будет (0, 1). При \(x=1\) и \(y=0\) результатом является (0, 0), значит, Алиса и Боб выигрывают. И наконец, при \(x=1\) и \(y=1\) значение результата будет (0, 1), что снова означает выигрыш, ведь при \(x=y=1\) цель состоит в том, чтобы получить разные результаты. Суммируем и получаем, что Алиса и Боб снова заработают 3 очка.

Теперь вы можете самостоятельно завершить доказательство для оставшихся 14 комбинаций вариантов программ. Или просмотреть готовые результаты, представленные в таблице 2.1.

Подведем итог. Какова бы ни была локальная стратегия создателя ящиков и какова бы ни была вследствие этого комбинация программ, Алиса и Боб никогда не смогут выиграть игру Белла более трех раз из четырех возможных. Физики предпочитают выражать это в виде неравенства. Оно называется неравенством Белла6. Учитывая, что это неравенство самым прямым образом относится к теме книги, я выпишу его здесь. Если даже вы не сможете полностью уяснить его значение, попытайтесь оценить его восхитительное изящество, в чем-то похожее на красоту музыкальной партитуры:

$$ P(a=b \bigm| 0,0) + P(a=b \bigm| 0,1) + P(a=b \bigm| 1,0) + P(a \ne b \bigm| 1,1) \le 3 $$

Выражение  \(P(a=b \bigm| x,y)\) читается следующим образом: вероятность того, что a равно b, при условии, что сделан определенный выбор x и y. Выражение \( P(a \ne b \bigm| 1,1) \) читается так: вероятность того, что a отличается от b, при сделанном выборе \(x=y=1 \). Неравенство Белла утверждает как раз то, что мы только что обнаружили, а именно что сумма всех четырех вероятностей в игре Белла, которая дает счет игры, не может быть больше 3. Для локальных корреляций неравенство Белла всегда удовлетворяется.

СПРАВКА 3. Неравенство Белла. В общем смысле вероятность  \( P(a, b \bigm| x,y) \) возникает из статистической смеси различных возможных ситуаций. К примеру, первая возможная ситуация, традиционно обозначаемая \( \lambda_1\), может произойти с вероятностью \( \rho( \lambda_1)\), вторая возможная ситуация \( \lambda_2\) — с вероятностью \( \rho( \lambda_2) \) и так далее. Эти вероятности  \( \rho( \lambda) \) также могут использоваться для анализа в случаях, когда мы не знаем точно реальную ситуацию. На самом деле нам даже не нужно знать вероятность наступления конкретной ситуации. Достаточно знать, что разные ситуации возникают с разной вероятностью.

Эти ситуации λ могут включать квантово-механическое состояние системы, обычно обозначаемое как ψ. То есть они могут включать всю прошлую жизнь Алисы и Боба или даже состояние всей вселенной, кроме одного — выбор x и y должен быть независим от λ. С другой стороны, λ может быть очень и очень ограничено, подобно выбору стратегий Алисы и Боба в игре Белла. Когда-то λ назвали локальными скрытыми переменными, но лучше рассматривать их как физическое состояние систем (к примеру, ящиков Алисы и Боба), описываемое любой современной или будущей теорией. Итак, неравенства Белла что-то сообщают нам о структуре любой будущей физической теории, совместимой с сегодняшними экспериментами. При этом единственное допущение относительно λ состоит в том, что они не содержат информации о выборе x и y.

Для каждой ситуации λ условная вероятность всегда может быть выражена как $$ P(a, b \bigm| x,y,\lambda) = P(a \bigm| x,y,\lambda) \cdot P(b \bigm| x,y,\lambda,a). $$

Предположение о локальности позволяет утверждать, что для любой λ происходящее в приборе Алисы не зависит от происходящего в приборе Боба, что выражается как \( P(a \bigm| x,y,\lambda) = P(a \bigm| x,\lambda) \) и наоборот: \( P(b \bigm| x,y,a,\lambda) = P(b \bigm| y,\lambda) \).

В итоге допущение, лежащее в основе всех неравенств Белла, может быть найдено путем усреднения по всем возможным ситуациям λ: $$ P(a,b \bigm| x,y) = sum_{\lambda} \rho (\lambda) \cdot P(a \bigm| x,\lambda) \cdot P(b \bigm| y,\lambda), $$ где \( \rho( \lambda) \) означает вероятность наступления ситуации λ.

До сих пор мы считали, что ящики Алисы и Боба содержат предустановленные программы, которые определяют результаты как следствие выбора x и y. (В информатике x и y называются входными данными). Но что будет, если эти программы не полностью определяют результат, но оставляют некоторое место случаю? Представим себе, например, что время от времени прибор Алисы случайно выбирает, исполнять ли ему программу № 1 или программу № 3, или же он время от времени просто выдает случайный результат. Можно ли это помочь им выиграть в игру Белла?

Нужно отметить, что выдать случайный результат — это, в сущности, то же самое, что осуществить случайный выбор между программой № 1 (которая выдает a = 0) и программой № 2 (которая выдает a = 1). Оказывается, эта стратегия бесполезна. Игра Белла подразумевает большое количество повторений и расчетов средних значений. Если в данную минуту прибор Алисы случайно выбирает одну программу из некоторого набора программ, то счет игры не будет отличаться от того, что мы получили бы, если бы ящик в каждую минуту использовал одну конкретную программу, выбранную случайным образом из этого набора. Учитывая, что в каждую минуту ящики используют одну специфическую программу, это не является ограничением. Введение случайных стратегий никак не поможет Алисе и Бобу выиграть игру Белла; на самом деле наоборот. Как мы уже видели, если приборы Алисы и Боба независимо производят случайные результаты, они получают только 2 очка.

Подводя итог, скажем, что никакая локальная стратегия не поможет выиграть в игру Белла более чем три раза из четырех. Как сказал бы физик, никакая локальная корреляция не может нарушить неравенство Белла. Другими словами, если бы Алиса и Боб все же сумели выиграть более часто, чем три раза из четырех, этому явлению не было бы локального объяснения.

Как мы уже знаем, существует только два типа локальных объяснений: первый основан на непрерывном распространении воздействия от одной точки к другой через пространство, а второй основан на существовании общей причины, что также подразумевает непрерывное распространение воздействия в пространстве из некоего общего момента в прошлом. В нашем случае объяснения первого типа исключаются огромным расстоянием между Алисой и Бобом и, как мы только что видели, объяснение второго типа не позволяет выиграть в игру Белла более чем три раза из четырех.

Победить в игре Белла: нелокальные корреляции

Теперь представим, что Алиса и Боб играют очень давно и выигрывают в среднем гораздо чаще, чем три раза из четырех. Как раз это и становится возможным благодаря явлению запутанности в квантовой физике. Но пока мы отложим этот поразительный раздел физики в сторону и просто рассмотрим гипотезу о том, что Алиса и Боб выигрывают очень часто.

Мы уже исключили возможность их влияния друг на друга или какой-либо связи между их приборами даже посредством каких-либо еще не открытых волн (к этой важной гипотезе мы вернемся позже). Мы только что видели, что если приборы производят результат локально в зависимости от времени и положения джойстика, а значит, в зависимости от выбора оператора, то выиграть более, чем три раза из четырех невозможно. Другими словами, невозможно выиграть более, чем три раза из четырех, если пользоваться локальными стратегиями, что означает использование механизма последовательного распространения от точки к точке сквозь пространство.

Именно поэтому корреляции, которые позволяют выигрывать в игру Белла чаще, чем три раза из четырех, называют нелокальными. Но как Алиса и Боб могут сделать это со своими ящиками?

Если бы мы спросили об этом физика до открытия квантового мира, скажем до 1925 года, ответ был бы очень прост. Он сказал бы, что это совершенно невозможно. Чтобы выигрывать чаще, чем три раза из четырех, Алиса и Боб, или по крайней мере их приборы, должны были бы каким-то образом хитрить. Либо иметь возможность обмениваться информацией, либо оказывать влияние друг на друга, пусть даже неосознанно, как, зевнув сам, заставляешь зевать окружающих. Но если исключить всякую связь, для физика доквантовой эпохи такой результат был бы невозможен.

А вы? Вы понимаете, как выиграть больше, чем три раза из четырех? Вы верите, что это возможно? Сожалею, что приходится терзать ваше серое вещество этой игрой, но она действительно выражает суть нелокальности. Сейчас мы похожи на средневековых людей, которым сказали, что Земля круглая, как шар, и где-то на противоположной его стороне тоже живут люди. Как же они тогда с нее не падают? Сегодня каждый знает, что все предметы, включая людей, падают к центру Земли, а не просто сверху вниз. И люди на другой стороне планеты притягиваются к ней так же, как магниты к дверце холодильника. Благодаря магнитам мы можем себе представить, как Земля притягивает нас, так что ни австралийцы, ни европейцы не сорвутся.

Но как быть с игрой Белла? Где для нее аналог магнитов на холодильнике? Какая история могла бы объяснить это? К сожалению, я не могу дать вам интуитивно понятное объяснение того, как именно квантовая запутанность позволяет выигрывать чаще, чем три раза из четырех. Но я могу пригласить вас продолжить путешествие в мир атомов и фотонов, поиграть в эту странную игру и посмотреть, что интересного или даже полезного может из этого получиться. Давайте посмотрим, что это значит для нашей картины мироздания. Давайте разберем эти корреляции, так же как ребенок разбирает игрушку, чтобы посмотреть что у нее внутри.

СПРАВКА 4. Джон Белл: «Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы». По счастью, я довольно часто встречал Джона Белла. Вот история одной из наших первых встреч.

«Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы», — так начал разговор Белл во время нашей довольно необычной встречи в марте 1983 года. Я никогда не забуду эти слова! Джон Белл, знаменитый Джон Белл, представился инженером, то есть одним из тех практиков, которые знают, как заставить вещи работать. А для меня, недавно получившего докторскую степень в области теоретической физики, Джон Белл был гигантом среди теоретиков.

В 1983 году общество физических исследований кантона Во организовало ежегодную тренинг-сессию. На неделю в Монтане собрались преподаватели и физики-исследователи, посвящавшие половину времени катанию на лыжах, а вторую половину — лекциям известных ученых. В том году главной темой были основы квантовой физики, и это означало возможность встретиться с Аленом Аспе, первым человеком7, который одержал победу в игре Белла, и несколько вечеров кататься с ним на лыжах. Джон Белл был в числе приглашенных, потому что не сделать этого было невозможно, но он не был заявлен в программе лекций, по особым для этой части научного сообщества причинам, что, очевидно, было страшной глупостью. Мы с другом попросили Белла устроить для нас импровизированное выступление. Сначала он отказывался, ссылаясь на то, что он не привез свои слайды, но в конце концов однажды вечером после ужина этот нелегальный экспромт состоялся — в подвале, на скорую руку оборудованном под лекционный зал, где слушатели разместились на полу. Инженер с принципами рассказывал нам о практическом применении физики в разработке приложений, в сложных или занятных экспериментах, а также для того, чтобы выявить эмпирические правила, которые прекрасно работают на практике. И еще рассказал о том, что нельзя упускать из вида главную цель научного познания: дать систематическое объяснение природы. С тех пор эта мысль всегда со мной.

Выигрыш в игре Белла не предполагает обмена информацией

Предположим, что Алиса и Боб выигрывают чаще, чем 3 раза из 4, а возможно, даже каждый раз. Могут ли они использовать это для обмена информацией8? Мы помним, что они разделены огромным расстоянием, и такая коммуникация подразумевает передачу информации со сколь угодно высокой скоростью.

Как Алиса могла бы передать некую порцию информации Бобу? Единственным средством является отклонение джойстика. К примеру, «налево» может означать «да», а «направо» — «нет». Но, с точки зрения Боба, его ящик, его прибор производит результаты лишь случайно. Каким бы ни было положение его джойстика, два возможных результата \( b=0 \) и \( b=1 \) возникают одинаково часто, и это остается справедливым при любом положения джойстика Алисы. Таким образом, не существует способа использовать корреляции в игре Белла для передачи послания от Алисы Бобу (или наоборот). Мы можем заметить корреляцию, только сравнив показания двух приборов. Вспомните наш странный «телефон» из главы 1.

Таким образом, Алиса и Боб не могут использовать свои приборы для общения9. Только сравнив свои результаты, то есть тогда лишь, когда они прекратили игру и встретились в конце дня, они могут установить, выиграли они или проиграли.

Таким образом, между Алисой и Бобом нет соединения, по которому они могли бы связываться. Общение исключительно через игру Белла подразумевало бы связь без какой-либо физической сущности для передачи сообщения от передатчика к приемнику. Но тогда это была бы коммуникация без передачи, что невозможно (см. справку 5).

Но, может быть, существует какой-то неизвестный вид связи, какая-то «невидимая нить», которая соединяет два прибора и позволяет если не общаться, то хотя бы просто выигрывать в игру Белла? Если бы такая связь существовала, мы бы сразу разгадали этот «фокус». Было бы жаль узнать, что это лишь обычная ловкость рук.

СПРАВКА 5. Коммуникации без передачи не бывает. Когда один человек, скажем Алиса, хочет передать сообщение другому, скажем Бобу, он должен сначала написать его на каком-то физическом носителе. Сообщение затем перемещается из точки в точку пространства посредством этого носителя, скажем письма, электронов или фотонов. Боб получает этот физический носитель и читает или расшифровывает сообщение. Иными словами, сообщение передается беспрерывно из одной точки в другую через пространство от Алисы к Бобу. Любой другой способ передачи сообщения не считается физическим.

К примеру, если Алиса поместит сообщение на какой-то физический носитель, но ничто не уйдет от нее в том смысле, что ни одна физическая сущность не покинет точку пространства, в которой она находится, то у нее не будет способа передать сообщение. Иначе, как это понимал уже Ньютон (см. справку 1), состоится коммуникация без передачи, а невозможно общаться, если что-то физическое, такое как вещество, или волны, или энергия, не уйдет от Алисы, когда она выбрала послание для отправки партнеру.

Это, очевидно, вопрос здравого смысла. Если бы кто-то вдруг нарушил этот принцип, скажем используя телепатию, он мог бы мог передавать информацию с любой скоростью. Действительно, если нам не нужен носитель послания, то и расстояние между Алисой и Бобом не будет иметь значения, и произвольно увеличивая это расстояние, мы получим сколь угодно высокую скорость коммуникации, в том числе и выше скорости света. Но невозможность такого действия еще более фундаментальна, чем сама теория относительности, которая запрещает движение со сверхсветовой скоростью: нефизическая коммуникация невозможна.

Однако для физика это могло бы означать важное открытие. На чем основана эта связь? Как она работает? Как быстро она может передавать гипотетические скрытые воздействия между приборами? Пока запомним, что мы не видим и не ощущаем никакой связи, а два наших прибора расположены так далеко друг от друга, что никакое воздействие, распространяющееся со скоростью света, не успело бы достичь пункта назначения вовремя. Более того, друзьям не требуется знать о местоположении друг друга. Они могут взять свой прибор и переместиться в некую неизвестную точку пространства.

Под крышкой прибора

В 1964 году, когда Джон Белл впервые представил свою игру в виде неравенства, это был лишь мысленный эксперимент. Но с тех пор эта игра была воплощена в жизнь во многих исследовательских лабораториях. Итак, откроем же наши приборы — эти волшебные ящики, поскольку они позволяют победить в игре Белла.

Заглянув внутрь, мы увидим полный комплект физического оборудования, включая лазеры (красный, зеленый и даже замечательно желтый), криостат (устройство, с помощью которого поддерживается температура близкая к абсолютному нулю, то есть около −270°C), оптоволоконные интерферометры (оптические контуры для фотонов), два детектора фотонов (способные фиксировать частицы света) и часы (см. рис. 2.2). Но все это не добавляет ясности.

Рассмотрев оборудование более пристально, мы замечаем, что в центре криостата, в месте пересечения всех лазерных лучей, есть маленький кристалл, несколько миллиметров в поперечнике, похожий на кусочек стекла. Этот внешне незначительный кристалл определенно находится в центре установки. В самом деле, перемещение джойстика вправо или влево вызывает серию лазерных импульсов, которые попадают на кристалл и активируют пьезоэлемент10 в подключенном к нему интерферометре. Этот пьезоэлемент чуть-чуть сдвигается в ту же сторону, что и джойстик. Тогда срабатывает один из фотодетекторов, и наш ящик выдает 0 или 1. Очевидно, что джойстик как-то влияет на кристалл посредством лазерных импульсов, а затем определяет состояние интерферометра через пьезоэлемент. В итоге детектор выдает результат. Два прибора совершенно идентичны. Все-таки кажется, что секрет кроется в крошечном кристалле в сердце нашего прибора.

Но обследование приборов не дает нам ясности, и в этом основной посыл этой главы. Просто исследуя устройство приборов и то, как они работают, даже с максимальной детализацией, мы никогда не найдем удовлетворительного объяснения. В любом случае мы уже знаем, что не существует локального объяснения для победы в игре Белла, поэтому мы никак не найдем его, заглядывая локально под крышку каждого из приборов! Вернемся немного назад. В конце концов, все это сложное оборудование служит лишь для того, чтобы выдать нам двоичный результат каждый раз, когда джойстик наклонен вправо или влево. Следовательно, даже если механизм очень сложен, все, на что устройство способно, это выводить результат одной из четырех программ, описанных выше. А что еще оно может делать-то? Еще раз повторю, что есть только два возможных положения джойстика и только один двоичный результат. Использование нескольких лазеров, криостата и детекторов фотонов кажется избыточным для выполнения такой простой программы. Но эта установка делает больше, ведь она помогает нам выиграть!

Физик доквантовой эпохи потратил бы много времени на изучение приборов и все равно ничего не понял бы, поэтому читатель не должен стыдиться, что тоже не понимает, что происходит внутри. Мы узнаем решение в главе 6, а пока отметим только, что главными элементами наших приборов являются кристаллы, и эти кристаллы запутаны11. Но что это значит? Пока «запутанность» — это лишь слово, которое мы используем как имя для концепции квантовой физики, которая позволяет нам победить в игре Белла. Будем же терпеливы!

В итоге нам не так важно, что именно находится в приборах. Важно лишь то, что физики знают — в принципе, как построить приборы, которые позволят Алисе и Бобу выиграть в более чем трех случаях из четырех, и что главный ингредиент проходит под именем «запутанность».

Сама возможность победы в игре Белла — это уже значительный вывод, такой же ослепительно ясный, как фотография Земли в пустоте космоса: Земля круглая, а квантовая физика предсказывает нелокальные корреляции.

Игра Белла

Рис. 2.2. Внутри ящика Белла Алиса и Боб обнаруживают сложный набор физического оборудования. Однако, ограничиваясь лишь локальным наблюдением за содержимым двух ящиков, Алиса и Боб не могут понять, как работает игра Белла, потому что она способна производить корреляции, не имеющие локального объяснения


1 Bell J. S.: Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge University Press (1987), p. 152.

2 Всем известно, что если один человек в группе зевнул, то окружающие тоже начинают зевать, осознают они это или нет. Это пример бессознательного взаимодействия между людьми. Однако второй человек обязательно должен увидеть первого зевающим, поэтому такое воздействие, конечно, не может распространяться быстрее света.

3 Заметьте, что так же можно объяснить ситуацию, в которой один из двух игроков играет добросовестно, а второй совершенно не следует правилам. В этом случае отношение успешных попыток к неуспешным также составит ½ с общим счетом 2.

4 Как часто я — хороший, но непослушный студент — просил своего преподавателя квантовой физики дать объяснение, но неизменно слышал в ответ, что квантовую физику невозможно понять, так как это требует очень сложного математического аппарата.

5 Понятие «программа» в нашем случае абстрактно и подразумевает, что такие-то результаты получаются из таких-то данных. Очевидно, что абстрактная программа может быть записана разными способами, на разных языках программирования и, возможно, с большим количеством необязательных строк. Бывает сложно увидеть, что две программы, написанные по-разному, на самом деле соответствуют одному и тому же абстрактному алгоритму.

6 Точнее, это самое простое из семейства неравенств Белла, эквивалентное неравенству CHSH, которое было названо по первым буквам фамилий его первооткрывателей: J. F. Clauser, M. A. Horne, A. Shimony, R. A. Holt: Proposed experiment to test local hidden-variable theories, Phys. Rev. Lett. 23, 880 (1969). Другие неравенства описывают случаи с большим количеством вариантов выбора, возможных результатов или большим количеством игроков.

7 Американский физик Джон Клаузер (John Clauser) получил подобный результат несколькими годами ранее, но его ящики не исключали возможности обмена информацией. Более того, они выдавали только один результат, к примеру 0, а другой результат — 1 — получался посредством косвенных измерений.

8 Не нужно путать гипотезу о какой-то «неявной» связи между двумя приборами с целью выиграть в игре Белла с возможностью Алисы и Боба использовать корреляции, которые возникают в их приборах, чтобы общаться друг с другом. Первая предполагает скрытую коммуникацию, которую можно назвать «влиянием». Во втором случае Алиса и Боб получают возможность общаться без необходимости понимать или управлять внутренними процессами в своих ящиках.

9 С формальной точки зрения корреляция \( P (a, b \bigm| x, y) \) не может быть использована для коммуникации, если маргинальные распределения не зависят от входных данных с другой стороны, т. е. если \( \sum_b P(a, b \bigm| x, y) = P (a \bigm| x) \) и \( \sum_a P (a, b \bigm| x, y) = P (b \bigm| y) \).

10 Когда на пьезоэлемент оказывается механическое давление, он генерирует электрическую разность потенциалов, и наоборот, когда мы прилагаем разность потенциалов, пьезоэлемент сжимается. Самый знакомый пример — это зажигалка для газовой плиты. От давления возникает электрическое напряжение, которое внезапно разряжается в форме искр. Другой пример — сапфировые иглы записывающих устройств.

11 Для специалистов мы должны уточнить, что не весь кристалл Алисы запутан с кристаллом Боба. Каждый из кристаллов состоит из нескольких миллиардов ионов редкоземельных элементов. Несколько коллективных возбуждений этих ионов в кристалле Алисы запутано с аналогичным возбуждением ионов в кристалле Боба. (Christoph Clausen, Imam Usmani, Felix Bussieres, Nicolas Sangouard, Mikael Afzelius, Hugues de Riedmatten, and Nicolas Gisin: Quantum storage of photonic entanglement in a crystal, Nature 469, 508–511, January 2011.)


Комментировать


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия