Обнаружилась неожиданная связь между двумя важными принципами квантовой механики – неопределенностью и сцепленностью.
Совместная работа Стефании Венер (Stephanie Wehner) и Джонатана Оппенгейма (Jonathan Oppenheim) уже названа некоторыми специалистами серьезным прорывом в нашем понимании законов и основ квантовой механики – области физики, которая не укладывается в рамки привычной нам бытовой логики настолько, что поначалу многие ее принципы выглядят совершенно абсурдными.
Известно, что даже Эйнштейну постулаты квантовой механики представлялись чем-то безумным – но бесчисленные эксперименты, проведенные почти что за столетие, с поразительной точностью и последовательностью, раз за разом подтверждали и подтверждают все «безумства» этой науки. Популярное введение в нее (с комиксами!) вы найдете в нашей статье «Квантовая сутра».Одним из самых известных «безумств», конечно, можно назвать Принцип неопределенности, особенно раздражавший Эйнштейна. Он постулирует фундаментальную невозможность одновременного и точного определения пары связанных квантовых характеристик – например, координат и импульса частицы, времени и энергии взаимодействия. Чем аккуратнее мы измеряем одну из них, тем менее точным становится вторая.
Еще одна странная закономерность в квантовой механике – явление сцепленности (иногда говорят – спутанности) частиц, при котором их состояния взаимосвязаны и изменяются одновременно, даже если они разнесены в пространстве. Как будто частицы эти каким-то образом обмениваются информацией, и делают это быстрее скорости света (отметим, что никакого обмена информацией на деле не происходит). Тем самым квантовомеханические процессы становятся нелокальными. Как говорит академик РАЕН Петрик, «понять это невозможно». Однако все это многократно было показано и доказано в самых строгих экспериментах.
Ну а недавняя работа Стефании Венер и Джонатана Оппенгейма показала, что все еще странней, нежели казалось: оба эти принципа связаны друг с другом и значит, вполне возможно, представляют собой проявления одного целостного феномена. Связь эта может быть показана количественно, приведя к расчету «количества» нелокальности, определяемого из принципа неопределенности. Такой вот неожиданный и даже иронический поворот.
Ироничность его хотя бы в том, что открытие нелокальности квантовой механики было сделано Эйнштейном с коллегами в результате их попыток «подкопаться» под Принцип неопределенности (читайте: «Страсть на расстоянии»). «Кошмарное дальнодействие», как охарактеризовал нелокальность сам Эйнштейн, само оказалось основанным на неопределенности. Более того, именно Принцип неопределенности накладывает естественные ограничения на сцепленность и не дает нелокальности проявляться в бОльших масштабах. Квантовая механика выходит за границы привычного нам мира – но и у нее имеются собственные границы. Сцепленность двух частиц ограничивается Принципом неопределенности.
Чтобы объяснить связку двух принципов, Венер и Оппенгейм призвали двух популярных персонажей мысленных экспериментов в области кибернетики и квантовой механики – Алису и Боба (они знакомы нашим постоянным читателям по статье «Квантовая телепортация»). Представим, что Алиса и Боб играют в «квантовую игру». Перед Алисой стоят две коробки и два кубика. Она распределяет кубики по коробкам как угодно, случайным образом. Легко посчитать, что Алиса делает это одним из четырех способов: кладет по одному кубику в обе коробки, либо оба в левую, либо оба – в правую, либо ни одного кубика ни в одну коробку. Партнер Алисы по игре Боб должен угадать, есть ли кубик хотя бы в одной из коробок, и тогда они выиграют.
По сути, это эквивалент кодирования, отправки, получения и декодирования двух битов информации – 00 (нет кубиков), 01 (кубики в правой коробке), 10 (в левой) или 11 (в обеих коробках). Очевидно, если Алиса может передать сообщение Бобу, он будет всегда отвечать верно. Но в этой игре они находятся так далеко друг от друга, что даже свет дойдет от Алисы до Боба уже после того, как игра закончится. Если мы будем отталкиваться от обычной логики, то придем к выводу, что Боб имеет 75% шансов дать правильный ответ.
Но если Алиса и Боб имеют по одной из пары квантово сцепленных частиц, шансы их возрастают. Например, они договорятся, что Алиса проведет измерение своей частицы, если в одной из коробок есть кубик. По своей частице Боб мигом узнает о проведенном измерении – и сможет повысить вероятность выигрыша. Повысить – но не довести до 100%. Расчет показывает, что вероятность выигрыша в этом случае составит лишь 85%, и ограничение – как показали Венер и Оппенгейм – накладывает именно Принцип неопределенности. Из-за него любые измерения в квантовой механике принципиально носят вероятностный характер, и получить определенное сообщение через сцепленные частицы у Боба от Алисы никогда не удастся.