Знание – сила, 2000 №08

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так. словно это одна и та же частица. Их полная противоположность – «негативные близнецы». Это частицы, которые на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. Что-то их связывает. Как только на одном конце этой незримой нити возникает некая сущность, на другом появляется ее антипод. Если вернуться к нашим бело-черным мячам, вот что с ними будет происходить. Стоит нам увидеть, что первый мяч окрашен в черный цвет, как в тот же миг другой мяч, летящий в неведомой дали, станет белым, и наоборот.

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума. «Негативные близнецы», или, говоря научным языком, «антисимметрично коррелированные частицы», стали частью научного обихода. Они-то и сыграли главную роль в опыте Цайлингера.

В устройстве для расщепления светового тучно фотоны А и С образуют «антисимметрично коррелированную» пару.

Слева направо: Харольд Вайнфуртер, Дик Баумистер и Антон Цайлингер сидят перед своим рабочим лазером.

Еще в 1993 году группа американских физиков из лаборатории IBM во главе с Чарлзом Беннеттом придумала метод, позволяющий «телепортировать» частицы (или, строго говоря, информацию о них) на любое расстояние. Схема была такова. Чтобы «тедепортировать» частицу С, надо «связать» ее с другой частицей (обозначим ее А) и эту же частицу А «связать» с третьей частицей – В. Тоша свойства частицы С передадутся частице В.

Тут, конечно, нужны подробности.

В принципе, за любой нашей репликой могла бы следовать череда поправок, уточнений, замечаний, пояснений, которая завела бы нас в бесконечный тупик, если бы не одно обстоятельство. Сказанное нами, как правило, и так бывает известно нашему собеседнику, а потому не требует особых комментариев. В данном же случае мы вынуждены вновь и вновь уточнять схему необычного опыта, дополняя ее хоть какими-то подробностями, словно размечая путь в туманном мире квантовой физики.

Итак, чем мы располагаем? У нас есть фотон С (для своих опытов Цайлингер выбрал именно эту элементарную частицу). Мы намерены «телепортировать» его в иную точку пространства. В «доквантовом» мире мы бы переслали, переместили, передвинули наш объект в ту точку со скоростью, меньшей скорости света. Теперь можно сделать по-другому. Если в той точке пространства окажется такая же частица – фотон, то нам достаточно.

Так выглядит устройство для телепортации фотонов.

Лазер излучает фотон О неопределенной поляризации (что помечено скрещенными стрелками). После того как фотон минует кристолл, образуются два новых фотона (А и В) – также неопределенной поляризации. Обе эти частицы являются «антисимметрично коррелированной» парой. Поместив возле кристалла зеркало, мы получим еще одну пару фотонов (С и D). Поляризатор придает фотону С вертикальную поляризацию. В «аппарате Белла» (устройстве для расщепления светового пучка) фотоны А и С встречаются и образуют еще одну связанную друг с другом пору. Поэтому фотон А вынужден принять совершенно иную, противоположную поляризацию, нежели фотон С, – то есть горизонтальную поляризацию. В свою очередь, фотон В также вынужден принять противоположную – вертикальную – поляризацию (как и фотон С).

Счетчик совпадений фиксирует случаи, когда сробатывают детекторы al, а2 и el – но не в2. Подобные случаи означают, что телепортация состоялась: информация, которой располагал фотон С, передана фотону В 1 – детектор al; 2 – детектор а2; 3 – счетчик совпадений; 4 – поляризатор; 5 – телепортируемый фотон; б – устройство для расщепления светового пучка (аппарат Белла); 7 – зеркало; 8 – фотон С; 9 – первая пара детекторов; 10-фотон А; 11 – лазер; 12 – фотон О; 13 – нелинейный кристалл; 14 – связанные друг с другом фотоны; 15 – вторая пара детекторов; 16 – фотон О; 17 – фотон В; 18 – к управляющей электронике; 19 – устройство для расщепления светового пучка; 20 – детектор el; 21 – детектор в2 чтобы она изменила свои характеристики и стала выглядеть точь-в-точь как частица С. Череда мгновенных превращений – вот лучший транспорт квантового мира! Фотон С и безликий фотон В, что воплотит чужой образ, – это начало и конец пути, это старт и финиш. Из пункта С в пункт В путешествует не сам герой, а его «паспорт». В квантовом мире эта «бумажка» воистину важнее любой букашки. Только с ее обретением элементарная частица принимает законченный вид.

Как видите, наша задача изменилась. Мы не частицу собираемся перемещать, мы лишь похитим ее «паспорт» и молниеносно подкинем его другой участнице опыта. В микромире фальшивых документов не бывает. Что записано в них, такова и частица.

Квантовый мир – это мир отрицаний и вычетов. Здесь обретенное «я» непременно означает упущенные возможности – свои и чужие. Вернемся к тому же примеру с мячами. Если мяч, лежащий у вас в руках, окрашивается в черный цвет, значит, в ту же секунду в руках человека, живущего за тридевять земель от вас, точно такой же мяч белеет. Из двух возможностей воплотились обе: одна – здесь, другая – там.

А если продолжить нашу цепочку? В ней появится еще один человек, сидящий с мячом, загадочно меняющим цвет. Тогда срабатывает «закон отрицания отрицания»: черное – белое – черное. Таков результат мгновенных перемен. «Паспорт» передан. Объект, пребывающий в точке В, теперь выглядит так же, как его прототип С.

Для того чтобы это случилось, нужен посредник – фотон А, то есть «негативный близнец» фотонов С и В. Мы можем прибегнуть к еще одному развернутому сравнению. Представьте себе, что в точке С пребывает частица, а в точке А находится зеркало. Что бы ни происходило с фотоном, зеркало А повторит его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Где-то в глубине нашей воображаемой лаборатории стоит еще одно зеркало (В). Оно «копирует» копию, оно повторяет ее гримасы и фортели, снова меняя местами «левое» и «правое». Теперь они совпадают, исходная частица и ее образ, отразившийся в одном из зеркал.