Как работает квантовая запутанность и природа реальности

В 1964 году физик Джон Белл выдвинул идею о том, что эти мгновенные изменения действительно могут быть реальными и измеримыми, даже на огромных расстояниях, сформулировав то, что сейчас известно как теорема Белла.

Эта теория бросила вызов устоявшимся законам физики, в частности принципу, согласно которому информация не может распространяться быстрее скорости света — принцип, подтвержденный Альбертом Эйнштейном десятилетиями ранее. Эйнштейн знаменито назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии».

Что такое квантовая запутанность?

Квантовая запутанность основана на фундаментальной концепции квантовой механики, называемой суперпозицией, которая означает, что частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, пока их не измеряют или наблюдают.

Подумайте о подбрасывании монеты: подбросив монету, но еще не взглянув на нее, мы знаем, что она упадет либо головой, либо решкой, но точный результат неизвестен. В квантовых терминах это «неизвестное» простирается еще дальше — как будто монета не оседает на голове или решке до тех пор, пока вы ее не увидите.

Суперпозиция очень важна для понимания запутывания, потому что она показывает, как квантовые частицы не имеют фиксированных свойств, пока их не наблюдают.

Запутывание делает шаг вперед, связывая две частицы в особой суперпозиции, которая соединяет их через пространство. В нашем примере с монетами представьте, что две монеты, одна из которых находится в Нью-Йорке, а другая — на Марсе, запутались.

Подбросьте монету в Нью-Йорке и наблюдайте за ней, а монета на Марсе мгновенно «узнает» результат, даже если ее еще не подбрасывали. Такое запутанное состояние между двумя местами уникально для квантовой механики и не соответствует нашему повседневному опыту.

Примеры квантовой запутанности

Один из распространенных примеров запутанности — пары фотонов (частиц света), испускаемых одновременно из одного источника. Когда фотоны запутаны, их поляризации — направления их колебаний — связаны.

Если вы измеряете поляризацию одного фотона как горизонтальную, то при измерении поляризации другого она также будет горизонтальной, независимо от расстояния между ними. Проще говоря, представьте эти фотоны как две игральные кости, которые при броске всегда выпадают на одинаковые числа, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга.

Поляризация — это свойство, связанное с колебаниями электрического поля световой волны при ее перемещении в пространстве. Оно может колебаться в различных направлениях — вертикально, горизонтально или в любом промежуточном.

Поэтому, когда запутанные фотоны разделяются и измеряется поляризация одного из них, поляризация другого будет совпадать, как бы мгновенно «узнавая» результат первого измерения.

Является ли квантовая запутанность быстрее скорости света?

На первый взгляд кажется, что запутанность позволяет передавать информацию быстрее света. Если мы измерим один запутанный фотон на Земле и его пару на Плутоне, то на передачу информации между ними со скоростью света должно уйти около шести часов. Однако измерение второго фотона все равно совпадет с первым, независимо от расстояния или задержки, что говорит о мгновенном соединении.

Однако это не означает, что информация действительно распространяется быстрее света. Ученые считают, что дело не в «передаче» информации, а в естественной корреляции, возникшей, когда частицы запутались.

Представьте себе, что две заранее оговоренные карты, красная и черная, перетасованы и переданы двум людям, находящимся на разных концах галактики. Когда один человек проверяет свою карту, он знает цвет карты другого, не передавая никакой информации. Точно так же, когда мы измеряем запутанные частицы, они как будто «знают», что должны совпасть, но ничего не передают об этом.

Это показывает, что частицы могут быть связаны между собой таким образом, что не вписываются в классические модели причинно-следственных связей или расстояний. Это привело к многочисленным экспериментам, направленным на то, чтобы понять, являются ли пространство и время фундаментальными или эмерджентными свойствами.

Если принципы, лежащие в основе запутывания, будут лучше поняты, это может произвести революцию в теории Вселенной и привести к созданию новой структуры, объединяющей квантовую механику и общую относительность.

Доказали ли ученые существование квантовой запутанности?

Более 50 лет ученые пытались экспериментально проверить теорему Белла. В 2015 году физики провели один из самых точных на сегодняшний день тестов, обнаружив убедительные доказательства того, что частицы в запутанном состоянии действительно влияют друг на друга, что подтверждает теорию Белла.

Исследование 2022 года еще больше укрепило эту теорию, показав, что любая реалистичная модель Вселенной, включающая «скрытые переменные» (неизвестные факторы, которые могут объяснить эти явления), должна допускать «жуткое» влияние между запутанными частицами.

Продолжающиеся исследования подтверждают, что квантовая запутанность реальна и поддается измерению, хотя она все еще противоречит нашему классическому пониманию пространства, времени и причинности.