Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Квантовая запутанная система чем-то напоминает фотопластинку с непроявленным изображением. Это своеобразное физическое состояние объекта, когда видимая информация может появиться только после проявления фотопластинки (взаимодействия с окружением). Конечно, ситуация с запутанностью выглядит несколько сложнее, и там нет заранее отображенной «негативной» информации. Скорее это напоминает ситуацию, когда великое множество изображений равномерно распределено по фотонегативу и поэтому невидимо.

ГРАНИЦЫ КВАНТОВОГО МИРА

Вообще говоря, стоит отметить, что теория запутанных состояний касается не только главным образом квантовых микросистем, часть ее результатов можно было бы распространить и на произвольные макрообъекты (см. рис. 6 цв. вкл.). Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Для них квантовая запутанность проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае макрообъектов. Ситуация здесь напоминает применение понятия «волновая функция» в микро- и макромире.

Мера квантовой запутанности непосредственно связана с количеством информации, содержащейся в физической системе. Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать физические процессы изменения степени квантовой запутанности между компонентами системы как обмен информацией с ее окружением.

В целом наличие квантовой запутанности в макроскопических системах до сих пор является предметом бурных дискуссий. При этом наиболее интенсивно обсуждается вопрос квантового принципа несепарабельности — если системы взаимодействуют друг с другом, то они квантово-запутаны между собой (связаны нелокальными квантовыми корреляциями). При этом некоторые теоретики даже склоняются к мысли, что все акты взаимодействия в окружающем мире, вне зависимости от их масштабности, являются предпосылками для квантовой запутанности (несепарабельности) взаимодействующих объектов.

Однако следует четко осознавать, что пока еще физикам не удалось построить непротиворечивую общепризнанную схему нашей Вселенной, состоящей из несепарабельных материальных систем и объектов. В еще большей степени сказанное касается количественного описания макроквантовой запутанности в сопоставлении адекватности теоретических моделей с результатами физических экспериментов.

С понятием квантовой запутанности тесно связано явление декогеренции — потери слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов как когерентности квантовых суперпозиций в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Декогеренция объясняет, как происходит процесс взаимодействия с окружением и как возникает смесь, эквивалентная распределению квантовых объектов по различным состояниям со своими вероятностями.

Некогерентный оркестр

Если соотнести физическую систему с образом оркестра, то ее декогеренция будет напоминать диссонанс мелодии при запутывании системы с ее окружением, возникающий в процессе взаимодействия звуковой среды концертного зала и уличного шума. Представим себе, что вследствие такого запутанного диссонанса дирижер оркестра в ярости ломает дирижерскую палочку и сбегает со сцены. Тогда музыканты распавшегося оркестра начинают исполнять индивидуальные партитуры, а сама исходная система из запутанного начального состояния переходит в незапутанное смешанное состояние.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ «ЗАПУТЫВАЕТСЯ»

Естественно, что у читателя уже давно должен был возникнуть вопрос: как такая «запутанная» квантовая теория согласуется с экспериментальными данными?

Если проводить опыты над полной системой, то отличить суперпозицию от смеси в принципе можно: суперпозиция приводит к некоторым интерференционным эффектам, которые отсутствуют в случае смеси. Это напоминает отбраковку посуды, когда контролер легкой металлической палочкой ударяет по бокалам и тарелкам. Если посуда цела (полная суперпозиция), возникает чистый тон, а если в стакане есть трещина, то слышен дребезжащий звук (смесь состояний).

Даже если некоторая система находится в состоянии, описываемом суперпозицией, но затем это состояние запутывается с состоянием окружения таким образом, что в окружении остается информация, позволяющая различить компоненты суперпозиции, то состояние системы подвергается декогеренции. Это значит, что оно становится смесью (а не суперпозицией) тех же компонент, причем никакими экспериментами, проведенными над системой (но не затрагивающими окружение, вызвавшее декогеренцию), невозможно выяснить, является ли смесь следствием имевшейся до этого суперпозиции, или она порождается неполным знанием о том, какая из компонент реально существует.