Нелокальность в окружающем мире. Экспериментальная проверка

Вопрос об обособленности объектов окружающей реальности, который мы рассматривали в предыдущем параграфе, достаточно четко может быть сформулирован в квантовой теории, и к настоящему времени осуществлена его экспериментальная проверка. Остановимся на этом более подробно.

Такие специфические черты квантовых систем*, как нелокальность и квантовая запутанность, не имеют аналога в классической физике, и их проявления кажутся сверхъестественными для тех, кто привык иметь дело с классическим описанием окружающей реальности.

* Термин «квантовая система» означает только то, что система описывается методами квантовой теории, то есть в терминах «вектор состояния», «матрица плотности» и т. д., при этом размер системы может быть любой, в том числе макроскопический.

Первым, кто обратил внимание на эти особенности квантовых систем, был Эйнштейн, который в 1935 году на примере запутанных состояний ЭПР-пары* пытался доказать неполноту описания мира квантовой механикой. Возможность существования мгновенного действия на расстоянии ему казалась противоестественной, и в этом контексте он употреблял термин «телепатия»**.

* Einstein A., Podolsky B. and Rosen N. Phys. Rev. 47, 777 (1935). Оригинал статьи доступен на сайте http://physmag.h1.ru/library.html.

** Einstein A. In Albert Einstein, Philosopher-Scientist, edited by P. A. Schilpp (Library of Living Philosophers, Evanston, 1949). Р. 85.

Эйнштейн исходил из привычных представлений, и ему казалось правильным считать, что, если две системы A и B пространственно разделены, тогда при полном описании физической реальности действия, выполненные над системой А, не должны изменять свойства системы В. Этот принцип часто называют принципом локальности Эйнштейна.

В том, что для двух удаленных коррелированных частиц измерение проекции одного спина* (вверх) заведомо определяет проекцию другого спина (вниз), нет пока ничего удивительного, квантового. В классической ситуации могут существовать аналогичные корреляции между результатами измерения. Например, если у нас было два детских кубика разного цвета — красный и синий, которые затерялись в комнате, то, найдя кубик красного цвета, можно без измерения второго кубика утверждать, что, когда мы его найдем, увидим синий кубик. Квантовая специфика оказывается более сложной и интересной. Анализ показывает, что спин, как внутренняя характеристика частицы, для некоторого типа состояний в качестве локального элемента реальности может не существовать вовсе до тех пор, пока его не измерят. Это как в нашем примере с кубиками — пока мы не возьмем в руки первый кубик, они вообще не имеют своего цвета в качестве индивидуальной локальной характеристики. Кубики «бесцветны», но, как только мы берем в руки один кубик, он тут же «окрашивается» в синий или красный цвет с равной вероятностью, и после этого второй кубик, который мы не видим, тоже приобретает свой цвет. До измерения «цвет» находится в нелокальном суперпозиционном состоянии, его нельзя распределить на два локальных объекта. Лишь при измерении в процессе декогеренции «цвета» локализуются, разделяются на независимые части.

* Спин — внутренняя характеристика частицы, не связанная с ее движением в пространстве и не имеющая классического аналога. Иногда, для наглядности, спин представляют в виде «быстро вращающегося волчка», что не совсем корректно. Для частиц со спином 1/2 пространство состояний является двумерным, и в качестве базисных состояний принято выбирать спин-вверх и спин-вниз.

Примерно то же самое происходит со спином. Результаты квантовомеханических расчетов показывают, что если система находится в состоянии типа ЭПР-пары, то в этом случае оказывается несправедливым наше интуитивное предположение о том, что спин до измерения существует как реальная и объективная физическая характеристика частицы. В квантовой теории делается и более общий вывод: если система исходно находилась в нелокальном суперпозиционном состоянии, то ее составные части, как локальные классические объекты,не существуют до тех пор, пока не произойдет декогеренция.

Здесь только нужно учитывать, что у сложной макроскопической системы обычно очень много степеней свободы, и по одним из степеней она может быть локальна, сепарабельна (разделима на независимые части), а по другим — несепарабельна, неразделима на части. Это легко пояснить на примере частиц, которые могут находиться в разных местах, то есть будут разделены по пространственным координатам, но в то же время по спиновым степеням свободы составлять единое целое.

Своим примером с ЭПР-парой Эйнштейн пытался доказать, что квантовая механика неполна и не способна однозначно описать реальность в принципе. Отсюда возникло предположение о скрытых параметрах, которые в состоянии спасти ситуацию и помогут вернуться к привычному, локальному описанию объектов. Однако конечный результат исследования этой проблемы оказался противоположным.

В итоге выяснилось, что более правильным является именно квантовомеханический подход. И результат такого подхода несовместим с предположением, что наблюдаемые свойства объекта (в общем случае) существуют до наблюдения как объективная самостоятельная внутренняя характеристика.

Первый реальный шаг к такому выводу сделал Белл в 1964 году, когда он, анализируя ситуацию со скрытыми параметрами, сформулировал свои знаменитые неравенства*.

* Bell J. S. Physics 1, 195 (1964). Оригинал статьи доступен на сайте http://physmag.h1.ru/library.html.

Он ввел понятие «объективной локальной теории», которой придерживались Эйнштейн и сторонники скрытых параметров. В этой теории предполагается, что

● физические свойства системы существуют сами по себе, они объективны и не зависят от измерения;

● измерение одной системы не влияет на результат измерения другой системы;

● поведение не взаимодействующей с окружением системы зависит лишь от условий в более ранние моменты времени.

Это привычные для всех нас представления об окружающей реальности.

Теорема Белла утверждает, что «объективная локальная теория» и квантовая механика дают разные предсказания для результатов измерения. Естественно, возник вопрос, каким же на самом деле является реальный мир, и неравенства Белла помогли ответить на него непосредственно — на основании анализа результатов экспериментов. Такие эксперименты были проведены А. Аспектом* и впоследствии многими другими исследователями. Их результаты показали, что окружающая нас реальность является квантовой в своей основе, и все вышеперечисленные предположения «объективной локальной теории» в общем случае несправедливы.

* Aspect A., Grangier Ph. and Roger G. Phys. Rev. Lett. 49, 91 (1982); Aspect A., Dalibard J. and Roger G. Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).

Физических экспериментов по проверке локального реализма было проведено очень много*, и все они опровергают положения «объективной локальной теории», свидетельствуя в пользу нелокальности окружающей нас реальности.

* О первых экспериментах в этой области можно прочитать в статье: Абнер Шимони. Реальность квантового мира // В мире науки (Scientific American). 1988. № 3. С. 22. Статья доступна в Интернете на сайте «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.10950, 21.01.2004. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0231/008a/02310009.htm.

Я остановлюсь лишь на одном, наиболее ярком эксперименте, который не оставляет практически никаких шансов «локальным реалистам».

Результаты этого эксперимента были опубликованы в Nature в 2000 году*.

* Pan J-W., Bouwmeester D., Daniell M., Weinfurter H. and Zeilinger A. Experimental test of quantum nonlocality in three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger entanglement, Nature 403, 515 (2000).

В этом эксперименте* исследовались трехчастичные запутанные состояния (так называемые ГХЦ-состояния — Гринбергера, Хорна, Цайлингера), которые позволяют дать достоверный, а не статистический результатпо проверке локального реализма.

* Описание эксперимента приводится по книге: Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002.

Гринбергер, Хорн и Цайлингер показали, что квантовомеханические предсказания некоторых результатов измерений трех запутанных частиц противоречат локальному реализму в случаях, когда квантовая теория дает достоверные, то есть нестатистические предсказания. В этом — отличие от экспериментов типа Эйнштейна-Подольского-Розена с двумя перепутанными частицами по проверке неравенства Белла, где противоречие с локальным реализмом возникает только для статистических предсказаний.

Применение эйнштейновского понятия локальности означает, что скорость распространения информация не может превышать скорость света. Соответственно результат измерения одного фотона не должен зависеть от того, проведено ли одновременно измерение двух других фотонов, а также от исхода этих измерений. Но как с точки зрения локального реализма объяснить полные корреляции между фотонами? Единственный способ — предположить, что значение величины меняется не в результате измерения, а просто вследствие ее стохастического (случайного) поведения. То есть она может принимать различные значения потому, что это особенность ее поведения — быть изменчивой без всяких причин. Например, как в рассматриваемом эксперименте: каждый фотон якобы содержит заранее все возможные результаты измерения в виде случайного набора, но все они не зависят от измерения других фотонов.

В этом эксперименте в качестве элементов реальности рассматривались циркулярные поляризации фотонов. Предположим, что элементы реальности существуют до того, как проведено измерение. Значит, мы можем определить все возможные исходы (в данном случае — четыре). Это конкретные математические выражения, полученные как следствие сделанного предположения. То есть «локальный реалист» утверждает, что в эксперименте будут получены именно эти результаты, один из четырех в каждом частном случае.

С другой стороны, можно записать аналогичные формулы для возможных исходов эксперимента, предсказанных квантовой теорией. И самое интересное, что последние прямо противоположны первым! Тут уж экспериментаторам трудно ошибиться. Всякий раз, когда локальный реализм предсказывает достоверный специфический результат измерения одного фотона (при данном результате измерения двух других), квантовая физика достоверно предсказывает прямо противоположный результат. Если в случае неравенства Белла для двух фотонов разница между локальным реализмом и квантовой физикой состоит в статистических предсказаниях теории, то здесь любая статистика возникает только благодаря неизбежным ошибкам в измерениях, свойственным и классической, и квантовой физике. Поэтому трехфотонные состояния ГХЦ находятся в большем противоречии с локальным реализмом, чем двухфотонные состояния, и это противоречие легче зафиксировать в физических экспериментах.

Эксперименты подтверждают, что поляризацию фотонов для ГХЦ-состояний нельзя разделить на части и сопоставить с отдельными элементами реальности. По спиновым степеням свободы система составляет единое целое. Утверждения локальной объективной теории оказываются несправедливыми. Выходит, что реальность является более сложной, чем это представляется локальным реалистам.

Эксперименты по квантовой нелокальности были проведены не только с состояниями, запутанными по поляризации, но также и по времени, по импульсам и т. д., и все они подтвердили наличие нелокальности на фундаментальном уровне реальности.

После того как Белл сформулировал свою теорему, стало очевидным, что квантовая механика несовместима с локальным реализмом. В настоящее время нарушение неравенства Белла (или его аналогов) считается одним из основных факторов, свидетельствующих о наличии значительных квантовых корреляций в системе и, как следствие, невозможности описания такой системы в рамках классического подхода. Наличие запутанности в системе является необходимым условием для нарушения неравенства Белла.

Параллельно с проведением экспериментов по проверке локального реализма большая работа проводилась и физиками-теоретиками. В том числе их внимание было направлено на теоретическое изучение различных типов запутанных состояний в плане их нарушения неравенств Белла, а также на их систематизацию и классификацию. Для тех, кто хочет более подробно ознакомиться с этой информацией, я перечислю некоторые основные работы в этом направлении.

В 1991–1992 годах Н. Гизин и A. Перес* показали, что любая двусоставная система, находящаяся в чистом запутанном состоянии, нарушает неравенство Белла.

* Gisin N. Phys. Lett. A 154, 201 (1991); Gisin N. and Peres A. Phys. Lett. A 162, 15 (1992).

Почти сразу же этот результат был обобщен С. Попеску и Д. Рорлихом* и распространен на многосоставные системы, состоящие из произвольного числа подсистем. Таким образом, для чистого запутанного состояния вопрос был в основном решен: любое чистое запутанное состояние нарушает неравенство Белла, и описание такой системы невозможно в рамках локального реализма.

* Popescu S. and Rohrlich D. Phys. Lett. A 166, 293 (1992).

Со смешанными запутанными состояниями ситуация более сложная, хотя на практике, из-за декогеренции, приходится иметь дело именно с ними.

С точки зрения практического применения нелокальных свойств запутанных состояний наиболее эффективны чистые запутанные состояния, как обладающие максимальным нелокальным ресурсом. В связи с чем возникает вопрос, можно ли перевести систему из смешанного запутанного состояния в чистое? Первый шаг в этом направлении сделал Ч. Беннетт (с соавторами)* в 1996 году. Ими была описана процедура дистилляции запутанности к полезной форме синглета, то есть к максимально запутанному состоянию типа ЭПР-пары.

* Bennett C. H., Brassard G., Popescu S., Schumacher B., Smolin J. and Wootters W. K. Phys. Rev. Lett. 76, 722 (1996); Bennett C. H., Brassard G., Popescu S., Schumacher B. Phys. Rev. A 53, 2046 (1996).

Впоследствии было показано*, что любое несепарабельное (запутанное) смешанное состояние двусоставной системы в двухмерном гильбертовом пространстве (система 2 × 2), имеющее сколь угодно малые квантовые корреляции, может быть дистиллировано к синглетной форме.

* Horodecki M., Horodecki P. and Horodecki R. Phys. Rev. Lett. 78, 574 (1997).

Поначалу предполагалось, что такая процедура возможна и для больших систем. Однако вскоре выяснилось*, что, начиная с 2 × 3 систем, квантовая механика подразумевает существование двух качественно различных видов смешанной запутанности. И кроме «свободной» запутанности, которая может быть всегда дистиллирована, существует «связанная» запутанность (bound entanglement), которую невозможно привести к синглетной форме.

* Horodecki M., Horodecki P. and Horodecki R. Phys. Rev. Lett. 80, 5239 (1998).

Оказалось, что нарушение неравенства Белла, то есть несепарабельность (наличие запутанности) не является достаточным условием для дистиллируемости. Встал также вопрос, нарушают ли связанные запутанные состояния локальный реализм. В связи с этим особенный интерес представляют многосоставные системы, и вопросы здесь остаются, хотя уже много сделано и в этом направлении. Так, Ч. Беннетт (с соавторами)* показали, что трехсоставная 2 × 2 × 2 система, находящаяся в смешанном запутанном состоянии, не является запутанной, если рассматривать ее как двусоставную (три варианта) 2 × 4 систему.

* Bennett C. H., DiVincenzo D. P., Mor T., Shor P. W., Smolin J. A. and Terhal B. M. Phys. Rev. Lett. 82, 5385 (1999).

В последние годы внимание теоретиков к нарушению неравенства Белла различными типами запутанных состояний несколько ослабло. Ситуация стала более-менее понятной, да и прошел бум экспериментальных исследований в этой области. В настоящее время считается, что вопрос проверки локального реализма окончательно решен в пользу квантовой теории, и фундаментальный вывод о нелокальности окружающей реальности полностью подтвержден физическими экспериментами.

Сейчас акценты, как экспериментаторов, так и теоретиков, сместились в сторону прикладных исследований и технического применения нелокальных квантовых корреляций. Значительные усилия в последнее время были направлены на то, чтобы понять роль запутанных состояний в природе, на возможность их практического применения в качестве принципиально нового нелокального ресурса в технических устройствах.

Экспериментаторы работают сейчас над созданием квантового компьютера, квантово-криптографических систем и других квантово-когерентных устройств. А теоретики, основываясь на этих экспериментах, ищут наиболее удобные способы количественного описания квантовой запутанности и процессов декогеренции/рекогеренции. В частности, идет интенсивный поиск наиболее удобной в практическом применении меры квантовой запутанности, и к этому вопросу мы еще вернемся, когда будем говорить о матрице плотности.