22.05.2018
квантовая физика

Квантовый трюк нивелирует каузальность

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Альберт Эйнштейн отправляется на свою ежедневную прогулку и проходит две пары дверей. Сначала зеленые, а потом красные. Или, может, сперва красные, а потом зеленые? События же происходят в последовательности, разве нет, спрашивает Филип Болл в статье для излания Nature.

Только не в том случае, если бы Эйнштейн двигался на одном из фотонов в лаборатории физика Филиппа Вальтера из Венского университета. Группа Вальтера доказала, что невозможно показать, в какой последовательности фотоны проходят сквозь сенсоры. Дело не в том, что эта информация недоступна. Ее просто нет. В экспериментах Вальтера не существует такого привычного для нас понятия, как последовательность событий. Это то же самое, если бы кто-то «выключил» время.

С точки зрения ежедневного опыта это кажется абсурдным, но в квантовой теории двусмысленность относительно причинно-следственных связей предстает как вполне логичный и последовательный вывод из ее постулатов. Возможность создавать и управлять квантовыми системами, в которых не существует причинно-следственных связей, открывает перед учеными невероятные шансы.

«Квантовый компьютер, лишенный детерминистских ограничений, мог бы производить вычисления гораздо быстрее», – говорит физик-теоретик из Университета Гонконга Джулио Кирибелла.

Впрочем, теория даже еще важнее.

Поскольку причинность – это то, как объекты взаимодействуют во времени и пространстве, то ее можно рассматривать как основное звено, разделяющее две фундаментальные теории – квантовую механику и теорию относительности, которые основываются именно на разных представлениях о времени и пространстве, – утверждает физик-теоретик из Института квантовой оптики и квантовой информации при Венском университете Чеслав Брукнер.

Еще в 1930-е именно причинность стала камнем преткновения между Альбертом Эйнштейном и теоретиками квантовой механики Нильсом Бором и Вернером Гайзенбергом. Так называемая «Копенгагенская интерпретация», разработанная Бором и Гайзенбергом, постулирует принцип неопределенности квантовых систем, которые приобретают определенное значение только в момент измерения. Не существует ни одной объективной причины, по которой можно было бы объяснить результат измерения. Но в 1935 г. Эйнштейн и его коллеги Борис Подольский и Натан Розен описали мысленный эксперимент, который приводит интерпретацию Бора-Гайзенберга к, казалось бы, невозможному выводу.

Представьте себе две частицы А и Б, которые связаны так называемым спутанным состоянием. То есть если меняются параметры одной частицы, автоматически изменяются параметры другого независимо от расстояния, которое их разделяет (второе контринтуитивное свойство квантового мира). Например, если А спин направлен вверх, то спин Б вниз, и наоборот. Согласно «Копенгагенской интерпретацией», измерение не просто показывает нам свойство частицы, но и, собственно, фиксирует ее в этом свойстве для наблюдателя. Как следствие, измерения спина А автоматически фиксирует спин Бы. Однако это означает взаимодействие между ними, которое происходит быстрее, чем скорость света. А это отрицает теория относительности. Эйнштейн был убежден, что это опровергает «Копенгагенскую интерпретацию», а элементарные частицы имеют заранее определенные свойства еще перед тем, как их кто-нибудь измерит.

Впрочем, измерения спутанных частиц доказывают, что корреляцию между их спинами невозможно объяснить на основе предыдущих свойств, а эти корреляции не противоречат теории относительности в том смысле, что их нельзя использовать для коммуникации между частицами со скоростью, большей скорости света. Дело в том, что эту корреляцию невозможно объяснить причинно-следственным способом.

Хотя «Копенгагенская интерпретация» все еще сохраняет временную логику: измерения не может повлиять на частицу еще перед тем, как оно сделано. Событие А должно произойти раньше, чтобы повлиять на событие Б. Но в течение последнего десятилетия ученые доказали, что и эта логика исчезает. Ведь теперь существует возможность поставить эксперимент, в котором вообще невозможно сказать, какое из двух событий предшествует другому.

Интуитивно это кажется невозможным. Мы можем не знать, какое из двух событий – А и Б – состоялось раньше, но нам доподлинно известно, что какое-то таки состоялось. Квантовая неопределенность, однако, связана не с недостатком знаний, а с фундаментальным запретом на артикуляцию любого «истинного состояния» системы до момента измерения.

Команды Филиппа Вальтера в Вене и Джулио Кирибелли в Гонконге поставили себе целью поставить эксперимент, в котором два события – А и Б – связанные между собой связью, но таким образом, чтобы невозможно было сказать, А предшествовало во времени и обусловила Б, или наоборот. То есть передача информации между ними происходит не причинно-следственным способом.

Для этого ученые использовали принцип квантовой суперпозиции, который означает сочетание нескольких квантовых состояний. В эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена спин частицы до момента измерения находится в суперпозиции состояний «вверх» и «вниз», а квантовые биты – кубиты – имеют суперпозицию из состояний 1 и 0. Вальтер и Кирибелла распространили суперпозицию на причинно-следственные отношения. Если частица сначала проходит сквозь сенсор А, а потом Б, то измерение ее свойств первым сенсором влияет на ее состояние во втором. В 2009 г. Кирибелла провел эксперимент, в котором использовал кубит как переключатель, который контролирует причинно-следственную логику событий. Когда кубит находится в значении 0, связанная с ним частица проходит сначала сквозь сенсор А, а впоследствии сенсор Бы. Если кубит принимает значение 1, то последовательность прохождения сенсоров меняется на Б–А. Но если кубит находится в суперпозиции двух состояний, то связанная с ним частица теряет причинно-следственную последовательность прохождения сенсоров. То есть мы «не знаем», она прошла сначала сквозь А, а потом Б, или наоборот. Но это «не знаем» в данном случае означает не то, что этой информации у нас нет, а то, что ее нет вообще в природе.

Однако экспериментально продемонстрировать каузальную неопределенность оказалось недостаточно для исследователей. Они решили пойти дальше и доказать, что она остается даже тогда, когда наблюдатель проводит измерения. На первый взгляд кажется, что это невозможно, ведь измерение разрушает суперпозицию и заставляет систему приобрести определенного значения. Но ученые недавно начали осознавать, что в случае с квантовой системой важно не то, что мы с ней делаем, а то, что мы о ней знаем. В прошлом году Филипп Вальтер изобрел способ, как измерить свойства фотона при прохождении им датчика, которое не меняло бы немедленно нашего знания о нем. Результаты измерения закодировали в сам фотон, а во время его прохождения сквозь сенсор их сразу не прочитали. Поскольку фотон прошел сквозь несколько сенсоров, полученная в ходе измерения информация ничего не сообщила про их последовательность. Это то же самое, что попросить человека зафиксировать, как он чувствовал себя во время путешествия по разным городам, и попросить рассказать эту информацию позже, – так вы узнаете, что в одном городе он чувствовал себя хорошо, а в другом плохо, однако не узнаете, в каком из них она побывала сначала, – объясняет исследователь.

В прошлом году ученые доказали, что использование протоколов с причинно-следственной суперпозицией в квантовых компьютерах дает экспоненциальный прирост мощности. Причем создание такой сетевой архитектуры не является невероятно сложным: принцип ее действия основывается на тех же квантовых переключателях, которые использовал в своем эксперименте Филипп Вальтер.

Но теория является даже большей целью этих экспериментов. Ведь квантовая причинность может стать путеводителем к решению одной из самых сложных проблем в физике, а именно проблемы природы квантовых взаимодействий. Ведь квантовая теория выглядит несколько ad hoc. Уравнение Шредингера позволяет предсказать результаты экспериментов, но физика, что лежит в их основе, остается непонятной. «Каузальные модели создают новые возможности для ответов на эти вопросы, – говорит Катя Род, физик из Университета Инсбрука. – Если квантовая теория – это теория того, как природа обрабатывает информацию, то вопрос о том, какими способами события влияют друг на друга, может открыть правила обработки». А тот факт, что каузальна логика играет центральную роль в теории относительности, по ее словам, мотивирует нас на исследование путей, когда гравитация может вести себя в квантовый способ.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки