Николя Жизан - Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Алисе и Бобу остается только удивляться, что за механизм позволяет двум аппаратам выдавать одинаковый шум, притом что они разделены большим расстоянием и никак не сообщаются между собой и не воспроизводят сделанную заранее запись. Несмотря на все усилия, друзья не могут придумать механизм, способный объяснить наблюдаемое явление, поэтому они возвращаются за советом к учителю:

– Неудивительно, что вы не можете найти механизм – его попросту нет. Это явление описывается не классической механикой, а квантовой физикой. Шум производится случайно, но это «истинная» случайность. Каждый бит шума не существует, пока он не раздастся из трубки в результате чистого акта творения. Более того, эта квантовая случайность может проявляться в разных местах в одно и то же время, к примеру в двух ваших телефонных трубках.

– Но это невозможно! – восклицает Алиса. – Сигнал должен ухудшаться по мере удаления приемников друг от друга, иначе это означало бы, что можно иметь связь на любых произвольных расстояниях.

– И не только, – добавляет Боб, – идеальная синхронизация предполагает сколь угодно высокую скорость сигнала, в том числе и превышающую скорость света, что невозможно.

Но учитель непреклонен:

– Вы сказали, что шум остается тем же самым, если вы кричите в трубку, бегаете по квартире, кружитесь на месте и трясете аппарат. Понимаете, сам факт того, что одинаковый шум производится случайно на обеих сторонах, означает, что вы не можете использовать его для обмена информацией. Абонент ничего не узнает о том, что вы делаете. Таким образом, это не противоречит теории относительности Эйнштейна. Вы еще раз доказали, что сигнал не может идти быстрее света.

Алиса и Боб теряют дар речи. Если их удивительные «телефоны» не могут использоваться для общения, то это и не телефоны вовсе, даже если и выглядят как телефоны. Но как они умудряются производить один и тот же результат, не обмениваясь никакой информацией и не «договорившись» заранее? А как вам предположение об «истинной» случайности, которая проявляется в нескольких местах одновременно?

После недолгого молчания Боб приходит в чувство:

– Но если все происходит действительно так, то должна быть возможность использовать это явление. В таком случае я смогу построить что-нибудь такое и экспериментировать, пока не пойму, как это работает. В конце концов, именно так я узнал, как работает электричество, как изменяется траектория полета мяча, если он крутится, да и вообще все, что я когда-либо узнавал.

И учитель соглашается.

Этот эффект может использоваться для получения рядов случайных чисел, для защиты секретных переговоров при помощи так называемой квантовой криптографии и даже для квантовой телепортации. Но сначала нам нужно понять главную идею этой книги, а именно нелокальность. Для этого мы перейдем к обсуждению идеи корреляции и к описанию игры Белла.

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 объяснили [8] Bell J. S.: Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics , Cambridge University Press (1987), p. 152. . 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.

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 зевнул [9] 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. ). 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.