100 великих научных открытий

Пытаясь доказать свою точку зрения, Эйнштейн, Подольский и Розен (EPR) в 1935 г. написали статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», где представили так называемый EPR-парадокс. Суть его в том, что, имея две частицы одинакового происхождения, мы можем измерить характер одной частицы и по этим данным автоматически определить соответствующее свойство другой. Скажем, при излучении фотонов X

 и Z и та и другая волна в равной мере может быть направлена горизонтально или вертикально (распространяться «стоя» или «лежа»), однако если мы выявим горизонтальную поляризацию фотона X, то сразу поймем, чтоZ

 поляризован вертикально. Данное правило работает даже тогда, когда объекты находятся на большом расстоянии один от другого: частицы, пребывающие в разных уголках Вселенной, каким-то образом согласовывают свое поведение, а это противоречит теории относительности Эйнштейна о том, что скорость распространения информации не может превысить скорость света. Сам ученый назвал такой эффект «пугающим дальнодействием».

Собственно, термин «спутанный» для обозначения взаимосвязанных квантовых систем придумал Э. Шрёдингер. Правда, сам он полагал, что зависимость между частицами может возникнуть лишь тогда, когда они находятся рядом и контактируют непосредственно.

Вскоре после выхода статьи Эйнштейна в прессе появился ответ Бора, и все его единомышленники решили, что EPR-парадокс — это всего лишь ошибка ученых, которые неверно понимают роль наблюдателя в квантовой физике. На протяжении последующих 30 лет научная общественность упорно закрывала глаза и на «спутанность», и на «жуткие дальнодействия». А потом за дело взялся ирландский физик Джон Белл и, проанализировав пресловутый парадокс, вывел два неравенства, основанных на мысли, что изначально каждая отдельная частица имеет четкие значения всех свойств, и эти свойства отличают ее от других систем.

Экспериментально проверить неравенства Белла впервые смогли Дж. Клаузер и С. Фридман в 1972 г. (до того техника не позволяла проводить такие исследования). Результаты показали, что до измерений свойств частиц их состояние было неопределенным, но стоило найти один параметр одной из частиц, как ситуация изменилась. Несмотря на это, до 1980-х большинство физиков воспринимали квантовую спутанность «не как новый полезный ресурс, а как конфуз, требующий полного разъяснения».

В 1981 г. французский физик А. Аспе провел собственный эксперимент, направив два потока фотонов на призмы. Произошло двойное преломление лучей, и каждый фотон распался на более тонкие пучки, которые попали на детекторы. Оттуда сигналы пошли в регистрирующее устройство, производившее вычисления неравенств Белла, и стало понятно, что фотоны даже на расстоянии координируют поведение «собратьев». Пугающее «дальнодействие» оказалось вполне реальным.

Восемь лет спустя американские физики Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Цайлингер (GHZ) поставили интересный опыт, показавший еще один пример запутанности. Ученые сцепили три фотона (GHZ

-состояние), и каждый взял себе одного «подопытного». Затем независимо друга от друга исследователи несколько раз измерили какое-либо одно свойство своей частицы, выбранное наобум, а все полученные данные записали. Сравнение результатов их очень удивило. Фотоны меняли свои свойства в зависимости от способа измерений и от того, в какой комбинации исследовались их параметры.

По словам ученого С. Колмана, эффектом GHZ «квантовая механика отвесила оплеуху классической физике», разрушив традиционные представления о том, что у всех объектов есть определенные качества, независимые от измерений. И если поначалу запутанность была присуща исключительно микромиру, то в наше время сверхчувствительная аппаратура позволила ученым провести эксперименты на макроуровне. В 2008 г. итальянские физики во главе с Фабио Шаррино сцепили два фотона, а потом «размножили» один из них до тысячи частиц, вследствие чего микрообъект оказался связанным с макрообъектом — световым потоком.

Позже нечто подобное проделали женевские ученые под руководством Николаса Гизина. Один фотон из спутанной пары отправился на детектор, а второй превратился в поток фотонов, распространяющихся в одной плоскости. С помощью неравенств Белла исследователи проверили, совпадают ли поляризации потока и единичного фотона, — и получили утвердительный ответ. В ближайшем будущем физики планируют соединить фотон и луч лазера.

Недаром Шрёдингер говорил, что эволюция квантовых систем может привести к очень неожиданным результатам. Своим мысленным экспериментом с котом, помещенным в закрытый ящик вместе с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом, ученый проиллюстрировал неопределенность в квантовом мире. Ведь если атом распадется, а счетчик засечет это и разобьет колбу, — то кот умрет. Но атом может и не распасться, и кот останется жив. Оба варианта существуют одновременно в параллельных мирах возможностей.

Квантовая телепортация