Квантовый прорыв

В последние годы появились экспериментальные данные, подводящие серьезный научный базис под все рассмотренные явления. Речь идет об экспериментальном обосновании так называемого парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). Как известно, великий Эйнштейн до конца жизни не мог принять квантовую механику. Она казалась ему слишком формальным упрощением действительности. Он сетовал: "Я пятьдесят лет размышляю о том, что такое световой квант, и не могу этого понять, а сейчас в университетах каждый Том думает, что он это знает, но он ошибается". Эйнштейн никак не мог мириться с вероятностным принципом, лежащим в основе квантовой механики. Ему очень не хотелось терять определенность и истину. "Бог не играет в кости", — говорил он. Эйнштейн называл квантовую механику абсурдной. Он считал, что физики просто пока

не знают значении некоторых скрытых переменных, которые бы позволили уйти от неопределенности. Оппонировал ему Нильс Бор, который считал, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально не устраним, Эйнштейн был не одинок в своем убеждении (мало кому хотелось терять веру в существование объективной реальности).

В частности, из законов квантовой механики следует, что никакие две частицы, принадлежащие одной квантовой системе, не могут иметь одинаковые значения квантовых чисел. Поэтому, если атом испускает два фотона, их поляризация всегда будет различна. Теперь представим, сказал Эйнштейн, что эти фотоны разлетаются в разные стороны и на один из фотонов оказано воздействие, меняющее его поляризацию. Но ведь фотоны принадлежат одной квантовой системе! Значит, поляризация второго фотона должна мгновенно измениться, даже если он находится в другой части Вселенной! Но ведь это и есть бесконтактное взаимодействие — телепатия, телепортация! "Но это невозможно в природе", — заявлял Эйнштейн. Позднее физики Подольский и Розен развили теорию этого парадокса, и он получил название ЭПР-парадокс, в течение многих десятилетий оставаясь загадкой квантовой механики.

Значительно позже, в 60-е годы, Джон Белл размышлял над ЭПР-парадоксом. Он придумал, как положить конец этому бесконечному спору физиков, который начали Бор и Эйнштейн. Основываясь на аргументах ЭПР, он формализовал этот спор в виде некоторого неравенства, которое назвали теоремой Белла. Осталось дело за малым — как всегда, провести эксперимент. Если в эксперименте неравенство Белла подтверждалось, то прав был Эйнштейн, если нет, то Бор. Технически такой эксперимент в 60-е годы провести было невозможно. Но по крайней мере теперь уже точно известно, что проверять, что даст эта проверка и что подобный эксперимент принципиально возможен.

В 1982 г. научный мир был взволнован сообщением об экспериментальном подтверждении эффекта ЭПР. Исследовательская группа под руководством Алена Аспек (Alain Aspect) при университете в Париже представила эксперимент, который может оказаться одним из самых значительных в XX веке. Аспек и его группа обнаружили, что в определенных условиях элементарные частицы, например электроны, способны мгновенно сообщаться друг с другом независимо от расстояния между ними. Не имеет значения, 10 футов между ними или 10 миллиардов миль. Каким-то образом каждая частица всегда знает, что делает другая. Проблема этого открытия состоит в том, что оно нарушает постулат Эйнштейна о предельной скорости распространения взаимодействия, равной скорости света. Поскольку путешествие быстрее скорости света равносильно преодолению временного — барьера, эта пугающая перспектива заставила некоторых физиков пытаться объяснить опыты Аспека сложными обходными путями.

Результат не вызывал сомнений, потому что его подтвердили ученые из трех различных научных центров: Антон Цайлингер из австрийского Инсбрука, Франческо Мартини из Рима и Джеф Кимбл из Калифорнии, Технически это суперсложный эксперимент. Длительность каждого светового импульса равнялась секунде умноженной на 10"15! Разумом представить этот отрезок невозможно. Но выяснилось, что в каждом четвертом случае свойства фотонов от источника А совпадали со свойствами фотонов от источника В. Это и есть телепортация с вероятностью 25%, что и было предсказано заранее теорией ЭПР. В 1999 г. удалось добиться телепортации не отдельных фотонов, а целого пучка фотонов, то есть светового луча.

Следующий важный этап был сделан в конце 2001 г. в Орхусском университете в Дании, где была установлена квантовая связь между двумя облаками газа, расположенными на значительном расстоянии друг от друга. На повестке дня — воссоздание копий элементов без непосредственного перемещения этих элементов при помощи светового луча. Это будет настоящая, без всяких натяжек, телепортация. Профессор Аспек так прокомментировал последние эксперименты:

"Самым важным их итогом является то, что они позволили увидеть поразительные свойства квантовой механики и понять, что природа следует ее предсказаниям даже тогда, когда эти предсказания кажутся безумными".

Эти эксперименты поставили точку в нескончаемых спорах. Процитируем еще одного известного физика, Пола Девиса:

"Результаты не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был не прав. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она — неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему-то другому. Наивное представление о реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами в отсутствие наблюдений над ними, не выдержало испытания. Аспек "забил последний гвоздь" в гроб физики, основанной на здравом смысле".

Эти дорогостоящие эксперименты являются не просто забавами высоколобых ученых. Возможность сверхскоростной передачи данных означает новую эпоху в информационных технологиях, которые уже имеют свое название — квантовый компьютинг. Перспективы лежат в переходе от электронных компьютеров и систем передачи данных к фотонным. Световые пучки уже прочно вошли в практику при передаче данных по оптоволоконным кабелям, и это обеспечило существенное увеличение емкости каналов связи. Следующий этап — переход к фотонным устройствам в компьютерных чипах и, наконец, к использованию квантовых состояний в качестве битов информации. Это будет следующий этап технологической революции, новый скачок по витку информационной спирали.

А как же телепортация материальных объектов, мгновенный перенос тел в другую точку пространства, заветная мечта всех магов? В принципе никаких запретов к осуществлению этих процессов современная физика не видит. Профессор Джефф Кимбл из Калифорнийского технологического университета заявил, что квантовая телепортация материальных объектов не за горами. Правда, о биологических объектах пока лучше не заикаться.

Квантовая телепортация, в отличие от той, которую описывают фантасты, проходит в четыре этапа; считывание объекта-оригинала, его расщепление и перевод информации в некоторый код, передача кода в место "сборки", воссоздание уже в новом месте. Как ни печально, квантовая телепортация непригодна для того, чтобы переносить человека из одного места в другое. Прежде всего потому, что процесс обработки данных и их расшифровки занимает неизмеримо больше времени, чем тысячные доли секунды, в которые сохраняется связь между точкой сборки и точкой разборки даже в лучших экспериментах. По этой причине вероятность того, что копия будет подобна оригиналу, падает до слишком рискованных величин.

Эффект ЭПР подводит теоретическую базу под бесконтактные взаимодействия. Надо только предположить, что наше сознание оперирует на квантовых принципах. Но это предположение вполне разумно и

обоснованно. В современных компьютерах в качестве бита информации используются нули и единички, связанные с поляризацией полупроводниковых доменов. Эффект ЭПР открывает перспективу к кодированию информации за счет квантового состояния атомов. Так, может быть, наше сознание и оперирует на этом принципе? И тогда становится очевидным, что все явления во Вселенной взаимосвязаны, что древний принцип "что внизу, то наверху" получает новое обоснование, и мы получаем еще одну ниточку, ведущую по лабиринту познания к сияющим горизонтам новых знаний.

На научном языке эти явления называются "Квантовая связанность" (Квантовая зацепленность, запутанность) (англ. Entanglement) — квантово-механическое явление, при котором квантовое состояние двух или большего количества объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз, и наоборот, и это несмотря на то, что, согласно квантовой механике, предсказать, какие фактически каждый раз получатся направления, невозможно. Иными словами, создается впечатление, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на запутанную с ней. Однако то, что понимается под информацией в классическом смысле, все-таки не может быть передано через запутанность быстрее, чем со скоростью света. В теоретическом и философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как можно видеть, что корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством ее ближайшего окружения.