1.2. Запутанные состояния

 

Одним из самых дерзких вызовов, который бросила квантовая физика своей классической предшественнице, является утверждение о наличии в окружающей нас реальности особого типа состояний с удивительными, прямо-таки «сверхъестественными» свойствами и возможностями. Квантовая теория говорит о том, что в природе существует широкий класс состояний, которые не имеют никакого классического аналога, поэтому они никак не могут быть поняты и описаны в рамках классической физики. Это «магические» состояния, которые выходят за все мыслимые рамки с точки зрения наших привычных представлений о реальности. Они получили название запутанных состояний (entangled states). Учет этих состояний, осознание того факта, что они являются неотъемлемой частью реальности, — все это способно коренным образом изменить наше привычное миропонимание и вывести его на качественно новый уровень. Окружающий мир в свете этого нового физического факта оказывается намного богаче того, что преподносит нам классическая физика. В нем происходят объективные процессы, которые и «не снились» в рамках старых представлений, они выходят за пределы даже самой буйной фантазии, встречающейся в фантастических романах.

И это не просто теоретический вывод — эти «фантастические» возможности квантовая теория научилась использовать на практике в технических устройствах. Некоторые из них уже вышли из физических лабораторий и находятся на стадии коммерческого производства, например, квантово-криптографические устройства*.

 

* Стикс Г. Квантовая криптография прошла путь от теоретических исследований и лабораторных опытов до коммерческих изделий // В мире науки (Scientific American). 2005. № 4. Апрель. http://www.sciam.ru/2005/4/innovation.shtml; Красавин В. «Квантовая криптография»: http://www.security.strongdisk.ru/i/42&all=1/.

 

В частности, фирма «MagiQ» (http://www.magiqtech.com/) реализует квантово-криптографические системы, которые обеспечивают основанную на квантовой запутанности абсолютную защиту связи от подслушивания. Символично название этой фирмы — «MagiQ» образовано от слов «Magic» (магия) и первой буквы выражения «Quantum information processing» (обработка квантовой информации). Существуют уже небольшие сети из этих устройств. Так, полностью функциональная 12-мильная квантово-криптографическая сеть из 10 узлов была развернута в Бостоне в июне 2004 года совместными усилиями Бостонского университета, Гарварда и некоторых коммерческих компаний. В Вене установлена квантово-криптографическая система, связывающая Венский муниципалитет и штаб-квартиру Австрийского банка (на расстоянии 1,45 км).

 

Одна из ведущих компаний по производству квантово-криптографических систем «id Quantique»* в апреле 2005 года выпустила на рынок уже второе поколение таких устройств, которые помогают корпорациям и правительственным агентствам защищать их сети передачи данных, используя фундаментальные законы квантовой физики. Компания «id Quantique» — лидер в области детектирования единичных фотонов и связанных лазерных источников.

 

* http://www.idquantique.com/products/overview.htm.

 

Кратко перечислим основные достижения последних лет в области коммерческого производства и практического применения квантово-криптографических систем*.

● id Quantique (Женева) — система посылает квантовые шифровальные ключи (запутанные фотоны) на десятки километров по оптоволокну.

● MagiQ Technologies (Нью-Йорк) — система с оптоволокном посылает квантовые шифровальные ключи на расстояние до 100 км. Предлагаются также аппаратные средства и программное обеспечение для интеграции в существующие сети.

● NEC (Токио) — в 2004 году удалось передать ключи на рекордные 150 км. Намечено выпустить систему с оптоволокном в начале 2006 года.

● QinetiQ (Фарнборо, Англия) — предлагает системы на контрактной основе, которые передают ключи через атмосферу на расстояния до 10 км. Поставила систему фирме BBN Technologies в Кеймбридже, штат Массачусетс.

 

* Приводятся по указанной выше статье Гэри Стикса.

 

В квантово-криптографических системах основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, и их мгновенная нелокальная связь (квантовые корреляции) позволяет обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами не просто «сверхсветовая», а именно бесконечная, мгновенная, но в данном случае она используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи — при доступе к передаваемой информации «со стороны» когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается.

В разрабатываемых квантовых компьютерах запутанность также является основным рабочим ресурсом. В отличие от обычного компьютера, ячейки памяти которого могут принимать лишь два возможных значения (например, нуль и единица) и содержат классический бит информации, квантовый компьютер использует квантовые биты — кубиты (quantum bits, qubits). За счет суперпозиции состояний кубитов, наличия комплексных амплитуд и фазовых множителей возможности квантовых компьютеров существенно (экспоненциально) превышают возможности обычных. Запутанность между кубитами — это необходимое условие для работы квантового компьютера, это ключевой фактор, отвечающий за квантовый параллелизм и определяющий преимущество квантового компьютера над обычным.

Еще раз подчеркну, что квантовая запутанность — это не теоретическая абстракция, которую ввели физики-теоретики, а объективный факт окружающей реальности. Это то, что существует в природе независимо от наших представлений, собственно, поэтому она и может быть использована на практике.

В чем же заключаются удивительные особенности запутанных состояний? Почему они привлекают такое пристальное внимание исследователей? Суть в том, что они в прямом смысле являются запредельными, потусторонними, трансцендентными, как сказали бы философы, по отношению к материальному миру. Их свойства и возможности просто фантастические с точки зрения классической физики и наших привычных представлений о реальности. Поговорим об этом более подробно.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (или взаимодействовавших ранее, а затем разделенных), и представляет собой суперпозицию макроскопически различимых состояний. В таких системах флуктуации отдельных частей взаимосвязаны, но не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных, например, скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях (даже если они разделены в пространстве, вплоть до бесконечно больших расстояний). И это не просто теория. Как уже говорилось, «магические» свойства запутанных состояний подтверждены многочисленными физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы квантового компьютера, когда все кубиты благодаря квантовой запутанности могут согласованно и мгновенно изменять свое состояние, даже если мы изменим состояние одного кубита.

Таким образом, запутанность — это особый тип взаимосвязи между составными частями системы, у которой нет аналога в классической физике. Эта связь противоестественна, немыслима с точки зрения классических представлений о реальности и выглядит магической в прямом смысле этого слова.

Квантовая запутанность — состояние неразрывной целостности, единства. Обычно дают такое определение: запутанное состояние — это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым). Запутанность и несепарабельность — тождественные понятия.

Когда квантовая теория обогатилась пониманием того, что квантовая запутанность — это обычная физическая величина, и с ней можно работать, как с другими физическими величинами, такими как энергия, масса и т. д., то возникла необходимость в ее количественном описании. Запутанные состояния нужно было охарактеризовать по величине (степени) запутанности. Одним из первых такую количественную характеристику, то есть меру запутанности, ввел в 1996 году Чарльз Беннетт (с соавторами)*.

 

* Bennett C. H., Bernstein H. J., Popescu S. and Schumacher B. Phys. Rev. A 53, 2046 (1996).

 

В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Это нелокальное состояние, и тогда в системе нет никаких классических, «видимых» объектов (даже на тонких уровнях реальности).

Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Такое разделение возможно только в том случае, если части системы никогда не взаимодействовали друг с другом.

Любой объект, который взаимодействует со своим окружением, находится с ним в запутанном состоянии. Особо подчеркну: речь идет о любых объектах, в том числе макроскопических. Например, взаимодействуя с окружением, мы связаны с ним нелокальными квантовыми корреляциями. Может возникнуть вопрос: почему же тогда мы не чувствуем эти корреляции, почему не ощущаем нашу квантовую запутанность? Но дело в том, что мы прекрасно ее ощущаем, только не выделяем своим вниманием. Более того, у нас есть возможность сознательно и целенаправленно изменять меру запутанности. А это уже настоящая магия, и в дальнейшем нам предстоит поговорить об этом подробнее. Пока лишь отмечу, что существует большое количество самых различных типов взаимодействий макросистем с окружением, много каналов квантовой запутанности с различной мерой несепарабельности. По одним степеням свободы мы, например, локальны (наши тела разделены в пространстве), а по другим (в частности, можно говорить о наших чувствах или мыслях) — нелокальны, несепарабельны.

Величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. В качестве примера можно привести такую аналогию. Пусть у нас есть лист фотобумаги с непроявленным изображением — это своеобразное нелокальное состояние. Видимые формы объектов могут появиться только в том случае, если мы опустим фотобумагу в проявитель (взаимодействие с окружением). Ситуация с запутанностью лишь немного сложнее — там нет заранее отображенной «картинки» с негатива. Потенциальное изображение (и оно не одно!) как бы равномерно «размазано» по фотобумаге и поэтому невидимо. Все возможные элементы находятся в суперпозиционном состоянии, у них нет локальных форм. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается, и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Этот физический процесс называется декогеренцией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной, классической точки зрения.

Существует и обратный процесс — запутанность можно «концентрировать», увеличивать. Этот процесс называется рекогеренцией, или дистилляцией запутанности. В нашем примере с фотографией это равносильно тому, что с помощью неких хитрых операций с полученным снимком и отработанным проявителем мы сумеем вновь сделать лист фотобумаги чистым, то есть сможем вернуться к исходному суперпозиционному состоянию непроявленных изображений.

Но запутанность — это не просто наложение различных состояний друг на друга и такое их переплетение, когда нет возможности «найти концы» и отделить одно от другого. Прежде всего, это наличие «потусторонней» связи между подсистемами, которая необъяснима с точки зрения известных физических полей и взаимодействий. Квантовые корреляции — это не просто взаимодействия, а скорее «телепатия», когда один объект непосредственно «ощущает» свое единство с другими телами, когда все внешние изменения мгновенно отзываются в нем самом, и, наоборот, изменения в объекте тут же сказываются на окружении. Здесь вся «игра» идет в пределах того, что принадлежит отдельным подсистемам в равной мере, в той составляющей, которая является общей для них, и эта общая часть изменяется как одно целое одновременно в различных объектах. Мера этого единства и степени взаимопроникновения одного тела в другое может быть разная, и она как раз характеризуется мерой квантовой запутанности. На первый взгляд, отдельные предметы, окружающие нас, могут выглядеть полностью самостоятельными и независимыми друг от друга. Но если они когда-то взаимодействовали (не только при прямом контакте, но и посредством физических полей), то мера квантовой запутанности между ними уже не будет равна нулю, и, пусть в самой незначительной своей части, эти объекты будут связаны квантовыми корреляциями.

Но у квантовой запутанности и абсолютной согласованности поведения отдельных частей системы есть и обратная сторона. В максимально запутанном состоянии подсистемы полностью лишены самостоятельности, у них как бы нет «свободы воли», они не могут изменяться независимо от других подсистем. Самое малое «шевеление» какой-то одной подсистемы сопровождается одновременным согласованным изменением всех остальных частей системы. У подсистем нет индивидуальной динамики, нет возможности провести границу между собой и окружением и «сказать»: здесь Я, а здесь не Я. Она не может «ощутить» свою индивидуальность и не способна эволюционировать в качестве отдельной самостоятельной «личности».

Кто-то из читателей может возразить, что все рассуждения о квантовой запутанности относятся исключительно к микрочастицам, и их нельзя распространять на макрообъекты, что все это не имеет отношения к окружающей нас реальности и никак в ней не проявляется. Однако сразу обращает на себя внимание тот факт, что удивительные свойства квантовой запутанности по своим проявлениям очень хорошо перекликаются с теми «сверхъестественными» возможностями человека, которые развивают в себе и широко практикуют представители различных эзотерических школ. В свете квантовой запутанности и процессов декогеренции/рекогеренции уже по-иному воспринимаются многочисленные свидетельства различных чудес и невероятных событий, о которых упоминается в мистической и религиозной литературе.

Здесь стоит отметить, что теория запутанных состояний — это не теория микрочастиц, как иногда ошибочно считают. Ее основные результаты формулируются в терминах систем и подсистем, то есть общие выводы справедливы и в отношении произвольных макросистем. Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Она у них проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае с макрообъектами. Причем мера квантовой запутанности между частицами может контролироваться и целенаправленно изменяться в очень широких пределах — практически от нуля и вплоть до максимально запутанного, полностью нелокального состояния.

Мера квантовой запутанности непосредственно связана с информацией, содержащейся в системе, которая может быть выражена количественно, например, через энтропию фон Неймана* для чистых состояний.

 

* Более подробно см. главу 3, раздел 3.4.

 

Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать систему в терминах информации. В этом случае физические процессы усиления и уменьшения квантовой запутанности между составными частями системы рассматриваются как процессы обмена информацией между системой и ее окружением. Если запутанность между подсистемами уменьшается, то можно сказать, что система теряет часть своей информации в окружении при взаимодействии с ним. Информация как бы «перетекает» из самой системы в ее внешнее окружение. Былое единство и неразрывная целостность подсистем нарушаются, они отделяются друг от друга, приобретают индивидуальные характеристики и видимую форму (локализуются в виде классических объектов). Квантовая информация, которая связывала раньше части системы в единое целое и позволяла общаться по квантовому каналу связи на телепатическом уровне, уходит в окружение. Части системы теряют согласованность поведения и возможность «прямого знания» друг о друге. Теряется ощущение взаимопроникновения и непосредственного восприятия своих «соседей» как самого себя. При взаимодействии с окружением прямая телепатическая связь между подсистемами заменяется косвенной связью, теперь уже через окружение, и чем больше окружение у нашей системы, тем сильнее «размывается» эффект «прямого знания».

При описании в терминах квантовой информации замкнутая система — единое информационное поле, которое содержит в себе данные о всех возможных реализациях внутренней структуры системы. Это как бы лист непроявленной фотобумаги, который, тем не менее, содержит вполне определенный набор потенциальных изображений, вся исходная информация там уже содержится.

В квантовой теории любая замкнутая система находится в нелокальном (непроявленном) состоянии из-за того, что нет внешнего окружения, некому осуществить редукцию. Это нематериальное состояние, о котором можно говорить в терминах квантовой информации, назвав его чистой информацией. А описать его в материальных терминах типа «совокупность большого числа элементарных частиц, физических полей» и т. п. невозможно, поскольку ничего этого просто не существует: это пустота, нелокальное состояние.

Может возникнуть вопрос: а как же законы сохранения массы, энергии и т. д., которые все мы изучали в школе? Как известно, законы сохранения справедливы для замкнутых систем. А в квантовой теории замкнутая система — это чистая квантовая информация. Поэтому все, о чем мы говорим, сводится к сохранению такой первичной информации. По сути дела, все, чем занимается физика квантовой информации, — это изучение законов, по которым квантовая информация проявляется в локальных дискретных формах тварного мира (декогеренция), и обратного процесса растворения локальных форм, их перехода в нелокальное суперпозиционное состояние (рекогеренция). Квантовая теория, по сравнению с классической физикой, рассматривает более широкий круг явлений и процессов в окружающей реальности на самом фундаментальном уровне. Материальный мир с его законами сохранения — лишь небольшая часть совокупной Квантовой Реальности, и, соответственно, сфера применения законов сохранения материи, с точки зрения квантовой теории, ограничена классической реальностью.