Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - читать онлайн книгу. Автор: Николя Жизан cтр.№ 29

Третье отличие в том, что при квантовой телепортации ни Алиса, ни Боб ничего не знают о состоянии телепортируемого кубита. Этот замечательный факт крайне полезен в криптографии. Ведь если кто-то отправляет факс, любой злоумышленник может перехватить сообщение, подключившись к линии. А в квантовой телепортации такое невозможно. Как мы знаем, состояние телепортируемого кубита неизвестно никому, в том числе отправителю и получателю. Поэтому Алиса может спокойно телепортировать свое сообщение Виктору, который затем телепортирует его Бобу. Если Виктор четко следует протоколу квантовой телепортации, то он ничего не узнает про само сообщение. Более того, Алиса и Боб могут убедиться, что процесс прошел нормально и что Виктор действовал по правилам, применив необходимый протокол квантовой криптографии. Даже на уровне целой телепортационной сети Алиса и Боб могут гарантировать конфиденциальность их общения, даже если между ними есть промежуточные узлы (квантовые повторители, как называют их физики).

Вы бы вошли в квантовый телепорт? На вашем месте я был бы очень осторожен сразу по двум причинам. Начать нужно с того, что те немногие эксперименты по квантовой телепортации, которые уже проведены, продемонстрировали принцип, что само по себе чудесно, но для этого приходилось отбирать те редкие случаи, в которых исходный объект не был потерян. В большинстве из этих демонстраций использовались фотоны, и – как и при демонстрации игры Белла (см. подробности в разделе «Лазейка недостаточной выборки») – большая их часть была потеряна. Физики это хорошо знают и все же считают проведенные демонстрации убедительными. Однако если бы мне пришлось выбирать, я бы не рискнул занять место одного из таких фотонов в эксперименте по телепортации. Если говорить серьезно, в тех нескольких экспериментах, которые проводились на атомах, почти все кандидаты на телепортацию прибыли в место назначения. Однако необходимо уточнить, что в этих экспериментах получатель находился менее чем в одном миллиметре от отправителя.

Но есть и вторая причина для осторожности. Для телепортации объекта макромира понадобится запутать невообразимое количество пар. Но состояние запутанности очень хрупкое. Чтобы сохранить его, необходимо избегать любых источников возмущений, а это означает – любого взаимодействия с окружающей средой. Мы можем надежно изолировать фотоны оптоволокном, а атомы – специальными высоковакуумными ловушками. Но для такой гигантской запутанности, которая понадобится, чтобы телепортировать объект размером с кончик карандаша, сегодня немыслимо даже пытаться искать способы избежать возмущений, и это делает весь процесс телепортации попросту неосуществимым.

Сегодня, даже если бы можно было использовать неограниченные средства, никто не представляет, как преодолеть эту сложность. Она не является всего лишь технической проблемой. Сможем ли мы когда-нибудь передать квантовое состояние вируса? Пока до этого очень далеко. Начнем с того, что сначала нужно узнать, каким вообще может быть квантовое состояние вируса. Может быть, кто-то докажет, что это вообще нереально, или мы докопаемся до какого-нибудь нового принципа физики, который исключит телепортацию объектов привычных нам размеров. Не имею ни малейшего понятия. И в этом неопределенность и красота науки!

Судя по тому, что мы до сих пор видели, кажется, что природа действительно может рождать нелокальные корреляции. Но ученые не отказываются от своих теорий или концепций просто так. Когда эксперимент приводит к необычным результатам, они подвергают сомнению не только теорию, но и сам эксперимент. Можно ли его воспроизвести? Правильно ли интерпретированы результаты? В нашем случае эксперимент был повторен множество раз во всех вариациях на каждом из континентов. И все же мы увидим: очень трудно быть уверенным, что исключены действительно все возможные альтернативные интерпретации, притом что сегодня научное сообщество вполне убеждено, что фактически природа нелокальна.

В этой главе я расскажу обо всех научных спорах, которые вели ученые, чтобы в итоге прийти к убеждению, что нужно оставить все надежды описать природу через хорошо локализованные и взаимно независимые «элементы реальности». Любая картина природы, построенная по принципу дома из конструктора Lego, несовместима с нелокальностью, которую мы обнаружили в игре Белла. Читатели, которые уже достаточно убеждены в этом и не хотят продираться сквозь представленные далее научные споры, могут сразу перейти к главе 10.

Начнем с другого примера. Как мы уже знаем, это не первая в истории встреча физиков с нелокальностью. Великая теория всеобщего тяготения Ньютона тоже была нелокальной. Согласно этой теории, если мы передвинем камень на Луне, это немедленно отразится на нашем весе на Земле. Этот мгновенный, невзирая на расстояние, эффект явно нелокален. Но, в отличие от квантовой нелокальности, этот нелокальный эффект может использоваться для коммуникации без передачи информации на произвольно высоких скоростях. Вы можете спросить: как же физики принимали эту теорию на протяжении веков? Правда в том, что они ее так никогда и не приняли. Собственная реакция Ньютона говорит обо всем (см. справку 1): «Предполагать, что тяготение […] может действовать […] на любом расстоянии […] это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах».

Только после появления работ Лапласа несколькими десятилетиями позже некоторые мыслители подняли теорию Ньютона до положения высшей истины и вывели из нее абсолютную форму детерминизма, практически отождествив с последним науку. Отношение Ньютона к своему детищу было в корне иным, чем у Нильса Бора, духовного отца квантовой механики, который своим настойчивым утверждением о полноте квантовой теории подмял под себя целое поколение физиков. Доводы Эйнштейна, которые он выдвинул очень быстро, чтобы показать, что квантовая теория нелокальна, Бор пренебрежительно парировал. Кто знает, быть может, именно поэтому какой-нибудь молодой физик не пришел к доказательству Белла еще в 1930-е годы. Но оставим эти догадки и вернемся к делу.

Сегодня ньютоновская нелокальность исчезла из теоретической физики. Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую, и сегодня последнюю можно считать лишь очень хорошей аппроксимацией. Согласно современной теории, перемещение камня на Луне действительно повлияет на наш вес, но лишь через секунду с лишним – то есть через время, необходимое для прохождения сигнала со скоростью света от Луны к Земле.

Напоминание о ньютоновской нелокальности уместно здесь по двум очень разным причинам. С одной стороны, кто-то может задать вопрос, не является ли точно так же квантовая нелокальность лишь временной концепцией, так что в будущем ее заменит другая теория, которая докажет, что корреляции, благодаря которым мы выигрываем в игре Белла, могут иметь локальное в пространстве и времени объяснение и что квантовая теория – это просто хорошее приближение. На этот вопрос можно смело дать отрицательный ответ. Мы видели, что аргументация Белла не опирается на квантовую теорию и дает нам возможность проверить нелокальность непосредственно. И раз мы выигрываем в игру Белла, природу нельзя полностью описать локальной теорией, какой бы она ни была.