Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Итак, чем является квантовое предсказание, которому должен соответствовать установщик настроек? В квантовой картине измерения не считаются независимыми: можно сказать, что, когда Алиса настраивает свой детектор на вариант А1 и получает в результате 1, частица Боба определенно помещается в состояние 0 для этой настройки детектора. Если запутанные частицы – спины, точная вероятность того, что Боб получит 0 для своей частицы при другой установке детектора, будет тогда зависеть от точного угла между настройками. Если мы знаем, что частица Боба находится в состоянии, которое будет давать результат 0 для угла, соответствующего настройкам А1 у Алисы, то вероятность того, что Боб обнаружит 0 при настройке В2 будет 100 %, если В2 такое же, как и А1, и уменьшается если В2 поворачивается на больший угол от А1. Проработка этих деталей показывает, что вероятность может быть понижена всего лишь до 25 % (при угле 60 градусов между детекторами).

Таким образом, установщик переменных имеет перед собой невыполнимую задачу: для некоторых комбинаций настроек детектора вероятность противоположных измерений, предсказанная квантовой физикой, меньше, чем минимальная вероятность, которая может быть получена при использовании локальных скрытых переменных. Более того, тщательно выполненный эксперимент легко отличит разницу между вероятностью в 25 процентов и в 33 процента, позволив физикам решить спор между Бором и Эйнштейном раз и навсегда.

Конечно, реальность более сложна, чем наша игрушечная модель с восемью состояниями, но такова была аргументация Белла. Он рассматривал гораздо более общий случай и доказал неопровержимую математическую теорему о том, что в любом эксперименте типа ЭПР всегда будет некоторый выбор для настроек детекторов, при котором предсказания, согласно теории скрытых локальных переменных, просто не могут быть сделаны.

Первоначальные статьи Белла про эксперимент ЭПР не привлекли широкого внимания, но вызывали интерес у некоторых физиков, решивших проделать такой эксперимент. Первый тест в середине 1970-х годов был проведен Джоном Клаузером[276], который получил результат, согласующийся с квантовым предсказанием, однако только для слабого статистического взаимодействия. В 1981-1982-х годах молодой французский физик по имени Ален Аспе проделал ряд экспериментов, получил результат, согласуемый с квантовыми ограничениями, и закрыл наиболее очевидные лазейки, какие могли бы позволить теории скрытых локальных переменных имитировать квантовый результат[277]. За последние тридцать пять лет были выполнены множественные дополнительные эксперименты по «тестам Белла», и все они показали одну и ту же вещь: квантовые предсказания корректны. Подход со скрытыми локальными переменными, к которому склонялись Эйнштейн, Подольский и Розен, не может являться правильным описанием нашей квантовой Вселенной.

Квантовая криптография

Для физиков наиболее восхитительной вещью в аргументации ЭПР и теореме Белла является то, что она говорит нам о фундаментальной природе Вселенной. Эти «жуткие» связи между запутанными частицами весьма реальны и подтверждены многочисленными экспериментами. Это означает, что отдаленные точки могут иметь между собой квантовую связь, это кажется противоречащим нашему интуитивному пониманию, что расположенные далеко друг от друга места в действительности отделены друг от друга. Проработка деталей этой фундаментальной не-локальности и того, что не дает ей проявляться более широко, и переворачивает нашу нормальную реальность – это восхитительная тема, которой занимается небольшое, но активное сообщество физиков и философов[278].

В этой книге мы в основном сконцентрировались на том, как аспекты квантовой физики влияют на нашу повседневную, обычную жизнь, и каким бы восхитительным ни было исследование квантовых основ, наверное, наиболее значительное в квантовой запутанности то, что она не присутствует в нашей повседневной реальности. В повседневной жизни мы просто не видим, что запутанность производит очевидные практические эффекты.

Однако есть одно практическое применение квантовой запутанности: использование ее в квантовой криптографии. Вы можете увидеть это, взглянув на сырые данные[279] для любого эксперимента по запутанным частицам: каждое отдельное измерение в точке А будет давать 0 или 1 случайным образом, но ученый, проводящий эти измерения, будет знать с абсолютной уверенностью, что их соотечественник в точке Б, делая те же измерения, получит противоположные значения. Этот процесс позволяет двум людям, находящимся далеко друг от друга, сгенерировать два списка совершенно случайных чисел, при этом они будут абсолютно коррелировать друг с другом. Это как раз то, что нужно для шифровки и расшифровки секретных посланий.