Фейк «нелокальність» чи «квантова заплутаність?

 

                   Що таке локальність і чому її немає в квантовому світі?

Квантовий світ дуже далекий від нашого, тому його закони часто здаються нам дивними і контрінтуїтивними. Однак важливі новини з квантової фізики надходять буквально щодня, тому мати про них правильне уявлення зараз необхідно — інакше робота фізиків в наших очах перетворюється з науки на магію і обростає міфами. Минулого разу ми говорили про квантові комп'ютери, сьогодні розберемося з тим, що таке локальність і чому вона порушується в квантовому світі.

Припустимо, зайшовши на улюблений науковий портал, ви звернули увагу на статтю з таким заголовком: «Фізики виявили екстремальне порушення локального реалізму в квантових гіперграфових станах». Цікавість спонукає розібратися з тим, що ж все-таки таке виявили фізики, але далі перших чотирьох слів заголовка просунутися не так просто. Ми вирішили допомогти з наступною парою термінів. На наші запитання про локальний реалізм і квантову нелокальність відповів Олександр Львівський, співробітник РКЦ і професор Університету Калгарі.

Що таке локальність і принцип локальності у фізиці?

Ейнштейн ввів таке поняття — фізична реальність. Це коли результат експерименту (або ймовірності можливих результатів) можна передбачити до проведення експерименту. Наприклад, ми точно знаємо, що якщо підстрибнемо, то з імовірністю 100% приземлимося назад, а не залишимося парити в повітрі. Нам не потрібно спеціально підстрибувати, щоб перевірити це, і, відповідно, цей факт відноситься до категорії фізичної реальності.

Так ось принцип локальності, теж введений Ейнштейном разом з Подольським і Розеном в 1935 році, полягає в тому, що фізичну реальність не можна змінити якимись діями на віддаленому об'єкті, що не взаємодіє з нашим. Тривіально, чи не так?

А що означає порушення локальності? Як щось може бути нелокальним, наприклад, у нашому «великому» світі? Чим це погано, наприклад, у класичній механіці?

Порушення локальності — це коли дії, скажімо, Аліси на Венері миттєво і без будь-якої взаємодії змінюють фізичну реальність у Боба на Марсі (наприклад, тепер Боб, підстрибнувши, зависне в повітрі). Такі речі неприємні не тільки тому, що вони, здавалося б, порушують теорію відносності, відповідно до якої жодна інформація не може передаватися миттєво. Гірше те, що вони порушують здоровий глузд, самі основи нашого уявлення про світ — що не можна змінити стан об'єкта, не взаємодіючи з ним.

На що схожі квантові порушення локальності?

У статті 1935 року, згаданій вище, Ейнштейн з колегами розглянув заплутаний стан двох частинок, у яких і координати, і імпульси рівні один одному, але при цьому нам невідомі. Воно може виникнути, наприклад, при спонтанному параметричному розсіянні — розпаді фотона на два інших з меншою енергією. Тоді дивіться, що виходить. Давайте відправимо одну з цих частинок на Венеру до Аліси, а другу — на Марс до Боба. Припустимо, Аліса виміряє координату своєї частинки. Тоді, оскільки відомо, що координати частинок Аліси і Боба точно корельовані, ми отримаємо у Боба частинку з певною координатою. Якщо ж Аліса виміряє імпульс (а імпульси теж корельовані), то Боб отримає стан з певним імпульсом. Але ж у квантовій механіці існує принцип невизначеності, який говорить, що стан з певною координатою і стан з певним імпульсом — дві несумісні одна з одною фізичні реальності. А раз так, то і принцип локальності порушується.

Таким чином, в уявному експерименті Ейнштейна, Подольського і Розена порушення локальності відбувається тільки в припущенні, що вірний принцип невизначеності — тобто тільки в рамках гіпотези, що квантова теорія вірна.

Чи може бути так, що ми чогось не враховуємо і частинки про все «домовилися» в момент народження?

Власне, такий висновок Ейнштейн, Подольський і Розен зробили. Вони сказали, що виходить, що квантова теорія або внутрішньо суперечлива, або суперечить основоположному принципу локальності! Фізики висловили надію, що, можливо, колись, у майбутньому, вдасться створити теорію, яка зможе пояснити експериментальні результати так само добре, як квантова механіка. При цьому вона буде пояснювати кореляцію, яку я описав вище, саме таким чином — що частинки з моменту народження несуть в собі якісь приховані, нам поки невідомі, скорельовані між собою параметри, які і визначають результат вимірювань.

Нерівності Белла, вони пов'язані з локальністю і нелокальністю, з локальним реалізмом? Якщо так, то як?

Робота Ейнштейна, при всій її важливості, носила скоріше філософський характер. Адже фізика заснована на порівнянні теорії та експерименту. Проводячи експеримент, фізик з'ясовує, яка гіпотеза є істинною, а яка помилковою. А Ейнштейн не пропонував жодної альтернативної теорії. Навпаки, він постулював, що нова теорія буде передбачати ті ж результати, що і квантова фізика. Тому наступні тридцять років вона служила основою хіба що для спекулятивних міркувань.

Ситуація змінилася в 1964 році, коли Джон Белл придумав експеримент, в якому будь-яка альтернативна теорія, якщо тільки вона дотримується принципу локальності, передбачає інший результат, ніж квантова теорія. І як тільки це сталося, проблема повернулася в лоно фізики: з'явилася можливість вирішити питання в ту чи іншу сторону за допомогою експерименту. Відкриття Белла було не менш великим, ніж відкриття Ейнштейна. Подумайте тільки: його експеримент дозволяє перевірити гіпотезу, про яку майже нічого не відомо, крім того, що вона підпорядковується принципу локальності.

Чи спостерігали порушення локальності експериментально? Чи є принципові відмінності між різними експериментами?

Експерименти за схемою Белла з'явилися практично відразу після його відкриття і тривають досі, постійно вдосконалюючись. Всі ці експерименти свідчили на користь порушення локальності. Тобто існують кореляції, які неможливо пояснити за допомогою прихованих локальних параметрів. Мета вдосконалення експериментів — усунення «дірок». Наприклад, одна з таких «дірок», яку до недавнього часу не вдавалося подолати, була втратою частки частинок на шляху до Аліси і Боба і при детектуванні. Якщо частинки губляться, то можна, граючи роль адвоката диявола, говорити, що природа створює ці втрати вибірково, і що вони спотворюють статистику результатів і створюють лише ілюзію нелокальності. Експеримент, в якому всі «дірки» були усунені, з'явився лише кілька місяців тому. Це значне досягнення в сучасній фізиці.

Виходить, що частинки обмінюються інформацією миттєво. Як це співвідноситься з постулатами СТО, що забороняють переміщення чого-небудь зі швидкістю вище швидкості світла?

Квантові порушення локальності — це нелокальність у версії «лайт». Вона не така груба, якими могли б бути порушення локальності у «великому світі». Нелокальний вплив відбувається не детерміновано (Аліса змахнула чарівною паличкою, і квантовий стан частинки Боба певним чином змінився), а як наслідок вимірювання, проведеного Алісою. Причому стан, отриманий Бобом, залежить від випадкового результату вимірювання Аліси. Поки Боб не знає, який результат отримала Аліса, ніякої нової інформації він зі своєї частинки витягти не зможе. Тому ніякої миттєвої передачі інформації на відстань немає.

У уявному експерименті Ейнштейна, Подольського і Розена, наприклад, нелокальність існує (Аліса може приготувати частинку Боба в одному з двох несумісних станів), але інформація при цьому не передається. Адже і значення координати, і значення імпульсу, які може виміряти Боб, залишаються з його точки зору випадковими навіть після вимірювання Аліси. Тільки після того, як він дізнається від Аліси результат її вимірювання, він зможе зробити висновок, що стан його частинки змінився.

Є якісь приклади нелокальних теорій?

Квантова нелокальність існує тільки в рамках копенгагенської інтерпретації квантової механіки. Відповідно до неї, при вимірюванні квантового стану відбувається його колапс. Якщо ж брати за основу багатосвітову інтерпретацію, яка говорить, що вимірювання стану лише поширює суперпозицію на спостерігача, то ніякої нелокальності немає. Це лише ілюзія спостерігача, який «не знає», що він перейшов у заплутаний стан з частинкою на протилежному кінці квантової лінії.

У яких ще фізичних теоріях діє принцип локальності? Чи є локальною електродинаміка Максвелла?

Принцип локальності - універсальний принцип класичної фізики, яка включає в себе і електродинаміку Максвелла. Лише в квантовій механіці мають місце його порушення, та й то у вигляді «лайт» - що деякі експериментально спостережувані кореляції неможливо пояснити за допомогою прихованих локальних параметрів.

Чи потрібно якось справлятися з квантовою нелокальністю? Як це нам допоможе?
Оскільки нелокальність, як ми з'ясували, не призводить до катастрофічних наслідків для наших уявлень про світ, «справлятися» з нею не потрібно. Однак роздуми про неї дають нам більш глибоке розуміння суті квантової механіки. Крім того, квантова заплутаність, що дає початок нелокальності, є наріжним каменем квантових комп'ютерів та інших квантових технологій.

Нелокальність — це фантастична тема результат застарілої і хибної від народження теоріі Ейнштейн. "Король голий".

У казці Г. К. Андерсена (1805—1875) «Новий одяг короля» розповідається про те, як два шахраї пообіцяли пошити одяг для короля з тканини, начебто невидимої для дурнів і тих людей, які перебувають «не на своєму місці». Коли король у новому «одязі» походив містом, усі голосно вихваляли його неіснуюче вбрання, і тільки один хлопчик вигукнув: «Дивіться, а король зовсім голий!» Вислів уживають, коли йдеться про дискредитовані авторитети.