Пристрасть на відстані

Загадка ЕПР

• Версія Бома
• Пришестя Белла
• Перевірка досвідом

Різницю між квантовою і класичною фізикою наочно ілюструють квантова (зліва) і класична (справа) моделі хаосу

Почавшись з публікацій Вернера Гейзенберга і Ервіна Шредінгера в 1925-1926 роках, всього через десять років квантова механіка перетворилася на загальновизнану основу розуміння явищ мікро- і макроміру в дуже широкому спектрі областей — від ядерної фізики до теорії кристалів. Теорія настільки впевнено рухалася від успіху до успіху, що практично всі фізики стали приймати її як істину в останній інстанції.

Але були й незгодні. Альберту Ейнштейну не подобалися в квантовій механіці принципово ймовірний характер, співвідношення невизначеностей і неможливість одночасного визначення координат і швидкостей частинок, відсутність ясності у вирішенні проблеми квантовомеханічних вимірювань. Найбільше Ейнштейна дратувала несумісність його власних уявлень про фізичну реальність з «копенгагенською» інтерпретацією квантової механіки, запропонованої Нільсом Бором. Згідно з Бором, стан будь-якої квантової системи не можна розглядати безвідносно до апаратури, за допомогою якої отримана інформація про її поведінку. Теорія здатна передбачити ймовірність тих чи інших результатів вимірювань квантовомеханічних об’єктів, але рівно нічого не може сказати про те, які ж значення вимірюваних величин «насправді». Стан «невиміреної» системи не просто невідомий — він взагалі не визначений, а тому і міркувати про нього не має сенсу.

Ейнштейна не влаштовувала подібна логіка, він намагався її спростувати і винаходив уявні досліди, які Бор успішно інтерпретував на свою користь. Однак Ейнштейн не відступав. У 1935 році він опублікував опис чергового мисленого експерименту, який, за його розрахунками, незаперечно доводив ущербність квантової теорії. Ця модель послужила предметом довгих дискусій Ейнштейна зі своїм асистентом Натаном Розеном і колегою Борисом Подольським. Стаття, фактично написана Подільським, з’явилася в журналі Physical Review за підписами всіх трьох. Ця робота, яку цитують як ЕПР, і проклала шлях до концепції квантового супутування. Сьогодні її відносять до числа найглибших досліджень теоретичної фізики XX століття.

Кому це потрібно?

Дослідження феномену квантового супутування має безліч практичних застосувань. Система супутаних частинок, як би сильно вона не була розмазана по простору, це завжди єдине ціле. Тому такі системи — золоте дно для інформаційних технологій. Хоча вони не дозволяють передавати сигнали з надсвітовою швидкістю (ця заборона СТО залишається непорушною), з їх допомогою можна копіювати стан квантових об’єктів на будь-якій відстані (це називається квантовою телепортацією) і здійснювати передачу повідомлень, повністю захищених від перехоплення (квантова криптографія). Феномен супутаності відкриває шлях і до створення квантових комп’ютерів. «Кожна елементарна комірка класичного комп’ютера існує сама по собі в одному з двох логічних станів, які кодують нуль і одиницю.

А в квантовому комп’ютері стан комірки є суперпозицією, сумішшю двох базисних станів, нуля і одиниці. Таким осередком — кубітом — може бути будь-яка квантова система з двома можливими станами, скажімо, електрон з його двома спиновими орієнтаціями, — розповів «Популярній механіці» професор фізики Мічиганського університету Марк Дикман. — Кубіти можна по-різному зв’язати один з одним, створивши тим самим безліч сплутаних станів. Для пов’язаної системи двох кубітів є вже чотири можливих стани, трьох — вісім, чотирьох — шістнадцять і так далі. Так що з ростом числа кубітів число станів комп’ютера збільшується по експоненті. Тому квантовий комп’ютер в принципі дозволить вирішувати завдання, які ніколи не будуть доступні його класичним попередникам. Сплутані стани надзвичайно делікатні, фізики-експериментатори зіткнулися з цим давно. Для роботи квантового комп’ютера потрібно спочатку створити сплутаний стан багатьох кубітів і потім змінювати його в ході процесу обчислення. Тому для практичного виготовлення квантового комп’ютера необхідно, щоб сплутані, когерентні кубити жили досить довго і щоб їх можна було надійно контролювати. У цьому і полягає одна з головних фізичних і технічних проблем створення квантових комп’ютерів. Це дуже складно… і надзвичайно цікаво «.