Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

В то же время информация о заряде первого квантона ничего не может сказать нам о направлении движения второго. То есть можно измерить заряд (или импульс, или скорость) частицы — и при этом утратить все данные о направлении ее движения. Либо же определить ее направление, но потерять данные о заряде. В квантовом мире невозможно измерить несколько параметров одновременно, поэтому картина никогда не бывает полной. Всегда нужно учитывать взаимоисключающие факторы. Такова была основная мысль Бора, который назвал это «принципом дополнительности».

Эйнштейн в ответ бросил свою известную фразу: «По крайней мере, я уверен — Бог не играет в кости», — а Бор парировал: «Альберт, не указывай Богу, что ему делать». В конце концов Эйнштейн с сарказмом спросил: «Ты что, считаешь, будто Луна существует только тогда, когда ты на нее смотришь?»

Пытаясь доказать свою точку зрения, Эйнштейн, Подольский и Розен ( EPR ) в 1935 г. написали статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», где представили так называемый EPR -парадокс. Суть его в том, что, имея две частицы одинакового происхождения, мы можем измерить характер одной частицы и по этим данным автоматически определить соответствующее свойство другой. Скажем, при излучении фотонов X и Z и та и другая волна в равной мере может быть направлена горизонтально или вертикально (распространяться «стоя» или «лежа»), однако если мы выявим горизонтальную поляризацию фотона X , то сразу поймем, что Z поляризован вертикально. Данное правило работает даже тогда, когда объекты находятся на большом расстоянии один от другого: частицы, пребывающие в разных уголках Вселенной, каким-то образом согласовывают свое поведение, а это противоречит теории относительности Эйнштейна о том, что скорость распространения информации не может превысить скорость света. Сам ученый назвал такой эффект «пугающим дальнодействием».

Собственно, термин «спутанный» для обозначения взаимосвязанных квантовых систем придумал Э. Шрёдингер. Правда, сам он полагал, что зависимость между частицами может возникнуть лишь тогда, когда они находятся рядом и контактируют непосредственно.

Вскоре после выхода статьи Эйнштейна в прессе появился ответ Бора, и все его единомышленники решили, что EPR -парадокс — это всего лишь ошибка ученых, которые неверно понимают роль наблюдателя в квантовой физике. На протяжении последующих 30 лет научная общественность упорно закрывала глаза и на «спутанность», и на «жуткие дальнодействия». А потом за дело взялся ирландский физик Джон Белл и, проанализировав пресловутый парадокс, вывел два неравенства, основанных на мысли, что изначально каждая отдельная частица имеет четкие значения всех свойств, и эти свойства отличают ее от других систем.

Экспериментально проверить неравенства Белла впервые смогли Дж. Клаузер и С. Фридман в 1972 г. (до того техника не позволяла проводить такие исследования). Результаты показали, что до измерений свойств частиц их состояние было неопределенным, но стоило найти один параметр одной из частиц, как ситуация изменилась. Несмотря на это, до 1980-х большинство физиков воспринимали квантовую спутанность «не как новый полезный ресурс, а как конфуз, требующий полного разъяснения».

В 1981 г. французский физик А. Аспе провел собственный эксперимент, направив два потока фотонов на призмы. Произошло двойное преломление лучей, и каждый фотон распался на более тонкие пучки, которые попали на детекторы. Оттуда сигналы пошли в регистрирующее устройство, производившее вычисления неравенств Белла, и стало понятно, что фотоны даже на расстоянии координируют поведение «собратьев». Пугающее «дальнодействие» оказалось вполне реальным.

Восемь лет спустя американские физики Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Цайлингер ( GHZ ) поставили интересный опыт, показавший еще один пример запутанности. Ученые сцепили три фотона ( GHZ -состояние), и каждый взял себе одного «подопытного». Затем независимо друга от друга исследователи несколько раз измерили какое-либо одно свойство своей частицы, выбранное наобум, а все полученные данные записали. Сравнение результатов их очень удивило. Фотоны меняли свои свойства в зависимости от способа измерений и от того, в какой комбинации исследовались их параметры.

По словам ученого С. Колмана, эффектом GHZ «квантовая механика отвесила оплеуху классической физике», разрушив традиционные представления о том, что у всех объектов есть определенные качества, независимые от измерений. И если поначалу запутанность была присуща исключительно микромиру, то в наше время сверхчувствительная аппаратура позволила ученым провести эксперименты на макроуровне. В 2008 г. итальянские физики во главе с Фабио Шаррино сцепили два фотона, а потом «размножили» один из них до тысячи частиц, вследствие чего микрообъект оказался связанным с макрообъектом — световым потоком.

Позже нечто подобное проделали женевские ученые под руководством Николаса Гизина. Один фотон из спутанной пары отправился на детектор, а второй превратился в поток фотонов, распространяющихся в одной плоскости. С помощью неравенств Белла исследователи проверили, совпадают ли поляризации потока и единичного фотона, — и получили утвердительный ответ. В ближайшем будущем физики планируют соединить фотон и луч лазера.

Недаром Шрёдингер говорил, что эволюция квантовых систем может привести к очень неожиданным результатам. Своим мысленным экспериментом с котом, помещенным в закрытый ящик вместе с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом, ученый проиллюстрировал неопределенность в квантовом мире. Ведь если атом распадется, а счетчик засечет это и разобьет колбу, — то кот умрет. Но атом может и не распасться, и кот останется жив. Оба варианта существуют одновременно в параллельных мирах возможностей.

С недавнего времени повышенное внимание всего человечества приковано к явлению квантовой телепортации. Казалось бы, телепортация — понятие чисто фантастическое. В реальном мире никто и ничто не может в один миг перенестись из одного места в другое. Но нет! В физике процесс телепортации тесно связан с квантовой запутанностью и подразумевает перемещение в пространстве характеристик квантовых частиц.

Впервые о телепортации обмолвились А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен в далеком 1935 г., открыв эффект имени себя ( EPR ). Главная идея этого эффекта состояла в разложении Вселенной на автономные части реальности, каждую из которых можно было бы описать математически. В рамках данной идеи ученые высказали догадку, что две частицы, связанные каким-либо событием — например столкновением между собой или рождением в результате распада общего «предка», — оказывают взаимное влияние одна на другую. Изменение свойств одной частицы влечет изменение свойств другой — более того, это происходит моментально, причем даже на большом расстоянии.