Квантовий світ дуже далекий від нашого, тому його закони часто здаються нам дивними і контрінтуітівное. Однак важливі новини з квантової фізики приходять буквально кожен день. так що мати про них правильне уявлення зараз необхідно - інакше робота фізиків в наших очах перетворюється з науки в магію і обростає міфами. Минулого разу ми говорили про квантових комп'ютерах. 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-то просто. Ми вирішили допомогти з наступною парою термінів. На наші запитання про локальний реалізм і квантової нелокальності відповів Олександр Львівський. співробітник РКЦ і професор Університету Калгарі.
Що таке локальність і принцип локальності в фізиці?
Так ось принцип локальності, теж введений Ейнштейном разом з Подільським і Розеном в 1935 році, полягає в тому, що фізичну реальність не можна змінити якимись діями на віддаленому об'єкті, не взаємодіючому з нашим. Тривіально, чи не так?
А що значить порушення локальності? Як щось може бути нелокальним, наприклад, в нашому «великому» світі? Чим це погано, наприклад, в класичній механіці?
Порушення локальності - це коли дії, скажімо, Аліси на Венері миттєво і без всякого 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 ніяка інформація не може передаватися миттєво. Гірше те, що вони порушують здоровий глузд, самі підстави нашого уявлення про світ - що не можна змінити стан об'єкта, що не взаємодіючи з ним.
На що схожі квантові порушення локальності?
У статті 1935 року, згаданої 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 Бобу. Припустимо, Аліса виміряє координату своєї частки. Тоді, оскільки відомо, що координати частинок Аліси і Боба в точності скорреліровани, ми отримаємо у Боба частку з певною координатою. Якщо ж Аліса виміряє імпульс (а імпульси теж скорреліровани), то Боб отримає стан з певним імпульсом. Але ж в квантовій механіці існує принцип невизначеності, який говорить, що стан з певною координатою і стан з певним імпульсом - дві несумісні один з одним фізичні реальності. А раз так, то і принцип локальності порушується.
Таким чином, в уявному експерименті Ейнштейна, Подільського 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 частки про все «домовилися» в момент народження?
Власне, такий висновок Ейнштейн, Подільський і Розен зробили. Вони сказали, що виходить, що квантова теорія або внутрішньо суперечлива, або суперечить основному принципу локальності! Фізики висловили надію, що може бути, коли-небудь, в 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, скоррелировать один з одним параметри, які і визначать результат вимірювань.
Нерівності Белла, вони пов'язані з локальностью і нелокальності, з локальним реалізмом? Якщо так, то як?
Робота Ейнштейна, при всій її важливості, носила скоріше філософський характер. Адже фізика заснована на порівнянні теорії і експерименту. Проводячи експеримент, фізик з'ясовує, яка гіпотеза істинна, а яка помилкова. А Ейнштейн не пропонував ніякої альтернативної теорії. Навпаки, він постулював, що нова теорія буде передбачати ті ж результати, що і квантова фізика. Тому такі тридцять років вона служила основою хіба що для спекулятивних міркувань.
Чи спостерігали порушення локальності експериментально? Чи є принципові відмінності між різними експериментами?
Експерименти по схемі 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 удосконалення експериментів - усунення «дірок». Наприклад, одна з таких «дірок», яку до недавнього часу не вдавалося перемогти, була втратою частки частинок по дорозі до Аліси і Бобу 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 все «діри» були усунені, з'явився лише кілька місяців тому. Це значне досягнення в сучасній фізиці.
Виходить, що частки обмінюються інформацією миттєво. Як це соотносітсяс постулатами СТО, які забороняють переміщення чого-небудь зі швидкістю вишескорості світла?
Квантові порушення локальності - це нелокальність в версії «лайт». Вона не так груба, якими могли б бути порушення локальності в «великому світі». Нелокального вплив відбувається не детерминистически (Аліса змахнула чарівною паличкою, і квантовий стан частинки Боба певним чином змінилося), а як наслідок вимірювання, проведеного Алісою. Причому стан, отримане Бобом, залежить від випадкового результату вимірювання Аліси. Поки Боб не знає, який результат отримала Аліса, ніякої нової інформації він зі своєї частки витягти не зможе. Тому ніякої миттєвої передачі інформації на відстань немає.
В уявному експерименті Ейнштейна, Подільського і Розена, наприклад, нелокальність існує (Аліса може приготувати частку 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 виміру, він зможе зробити висновок, що стан його частки змінилося.
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 многоміровая інтерпретацію, яка говорить, що вимір стану лише поширює суперпозицію на спостерігача, то ніякої нелокальності немає. Це лише ілюзія спостерігача, «який знає», що він перейшов в заплутаний стан з часткою на протилежному кінці квантової лінії.
У яких ще фізичних теоріях діє принцип локальності? Локальна чи 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 квантової нелокальності? Як це нампоможет?
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 і інших квантових технологій.
