Квантовая запутанность

Квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как ее называл Альберт Эйнштейн — это квантовомеханический феномен, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется даже если объекты удалить друг от друга за много километров. Например, можно запутать пару фотонов, увести один из них в другую галактику, а потом измерить спин второго фотона — и он будет противоположен спину первого фотона, и наоборот. Квантовую запутанность пытаются приспособить для мгновенной передачи данных на гигантские расстояния или даже для телепортации.

Квантовая запутанность

может быть неотъемлемым свойством реальности

Действительно ли явление под названием квантовая запутанность необходимо для описания физического мира или же возможна некая пост-квантовая теория без запутанности? В новом исследовании, о котором пишет phys.org, физики математически доказали, что любая теория с классическим пределом – когда она может описывать наши наблюдения классического мира, обращаясь к классической теории при определенных условиях – должна включать запутанность. Поэтому, несмотря на то, что запутанность расходится с классическим пониманием, она должна быть неизбежным и важнейшим свойством не только квантовой теории, но и любой неклассической теории, даже еще не разработанной.

Физики в лице Джонатана Риченса из Имперского колледжа Лондона и Университетского колледжа Лондона, Джона Селби из Имперского колледжа Лондона и Оксфордского университета и Сабри Аль-Сафи из Университета Ноттингем-Трент, опубликовали статью, в которой говорится о том, что запутанность является неизбежной особенностью любой неклассической теории, в Physical Review Letters.

«У квантовой теории много странных особенностей по сравнению с классической теорией», - говорит Риченс. «По традиции мы изучаем, как классический мир выходит из квантового, но тут мы решили обратить вспять это рассуждение, чтобы увидеть, как классический мир формирует квантовый. Так мы показали, что одна из самых странных особенностей последнего, квантовая запутанность, является неизбежным следствием выхода за рамки классической теории или, возможно, даже следствием нашей неспособности отказаться от классической теории, оставить ее позади».

Хотя полное доказательство намного подробнее, основная идея заключается в том, что любая теория, описывающая реальность, должна вести себя как классическая теория в некотором пределе. Это требование кажется довольно очевидным, но, как показывают физики, оно накладывает серьезные ограничения на структуру любой неклассической теории.

Квантовая теория удовлетворяет этому требованию наличия классического предела в процессе декогеренции. Когда квантовая система взаимодействует с внешней средой, она теряет свою квантовую когеренцию, связанность, и все, что делает ее квантовой. Таким образом, система становится классической и ведет себя как, как ожидается в классической теории.

Физики показали, что любая неклассическая теория, которая восстанавливает классическую теорию, должна содержать запутанные состояния. Чтобы доказать это, они пошли от обратного: допустим, такая теория не имеет запутанности. И затем они показали, что без запутанности любая теория, которая восстанавливает классическую теорию, должна быть сама классической – и это противоречит изначальной гипотезе, что такая теория должна быть неклассической. Этот результат означает, что предположение отсутствия запутанности в такой теории будет ложным, а значит, любая теория такого типа должна ее иметь.

Этот результат может быть только началом многих других связанных открытий, поскольку открывает возможность того, что другие физические особенности квантовой теории можно воспроизвести, просто потребовав от теории наличия классического предела. Физики предполагают, что такие особенности, как информационная каузальность (причинно-следственная связь), битовая симметрия и макроскопическая локальность могут быть доказаны, благодаря этому единственному требованию. Эти результаты также дают более четкое представление о том, как должна выглядеть любая будущая неклассическая, постквантовая теория.

«Мои будущие цели состоят в том, чтобы увидеть, может ли нелокальность Белла также извлечена из существования классического предела», - говорит Риченс. «Было бы интересно, если бы все теории, заменяющие классическую теорию, нарушали бы локальный реализм».

Локальный реализм — это комбинация принципа локальности с «реалистичным» предположением, что все объекты обладают «объективно существующими» значениями своих параметров и характеристик для любых возможных измерений, могущих быть произведенными над этими объектами, перед тем как эти измерения производятся. Эйнштейн, будучи, по всей видимости, сторонником локального реализма, любил в связи с этим говорить, что Луна не исчезает с неба, даже если её никто не наблюдает. Данные современной квантовой механики, основанные на проведенных экспериментах, ставят под сомнение адекватность модели локального реализма «устройству» реальности.