Квантовая запутанность — это одно из самых известных и в то же время загадочных явлений квантовой механики, которое ставит под сомнение классическое представление о мире. Это явление проявляется, когда две или более квантовые системы становятся настолько тесно связаны, что состояние одной системы нельзя полностью описать независимо от состояния другой, независимо от расстояния между ними. Состояния частиц в запутанном состоянии изменяются таким образом, что изменение одного из них немедленно влияет на другое, даже если эти частицы находятся на больших расстояниях друг от друга.
Термин “квантовая запутанность” был введен Эрихом Шрёдингером в 1935 году, когда он написал статью, посвященную обсуждению парадоксальных свойств квантовой механики. Одним из ярких примеров такого состояния стало предложение Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена в их знаменитой EPR-статье (1935), где они рассматривали возможность наличия “скрытых переменных”, которые могли бы объяснить наблюдаемые результаты в рамках более интуитивных представлений о мире. Однако именно их идея о “некорректности” квантовой механики привела к возникновению более глубоких размышлений о природе квантовой запутанности и о том, как она влияет на нашу интерпретацию физической реальности.
Принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что нельзя одновременно точно измерить пары сопряженных величин (например, импульс и положение), лежит в основе квантовой механики. Однако запутанность предлагает ещё более глубокое поведение: она нарушает интуитивное восприятие независимости частиц и объектов. Это важно, потому что, несмотря на то, что элементы системы могут быть разделены на большое расстояние, они остаются связаны, их состояния нельзя полностью описать независимо.
Один из самых известных экспериментов, доказывающих существование квантовой запутанности, — это эксперимент с двумя запутанными фотонами. Такие фотоны могут быть созданы, например, в процессе спонтанного параметрического сплита. Они будут иметь взаимозависимость, например, в поляризации: если поляризация одного фотона измерена в одном направлении, то поляризация другого фотона будет определяться мгновенно, даже если фотон находится на большом расстоянии.
Этот эксперимент был важным, потому что он продемонстрировал, что при измерении состояния одной частицы моментально происходит влияние на состояние другой, несмотря на то, что они могут находиться на противоположных концах Вселенной. Эйнштейн назвал это явление “призрачным действием на расстоянии”, считая его проблемой, которую необходимо решить в рамках более общей теории.
С начала 1970-х годов эксперименты, направленные на проверку квантовой запутанности, начали становиться важной частью научных исследований. Один из таких экспериментов — эксперименты с нарушением неравенств Белла. Джон Белл, в своей работе 1964 года, предложил математическое неравенство, которое различает предсказания квантовой механики от предсказаний локальных скрытых переменных. Если квантовая механика верна, то результаты экспериментов должны нарушать это неравенство, что и было продемонстрировано в поздних экспериментах.
Начиная с 1970-х годов, эксперименты с использованием пар запутанных фотонов подтвердили, что нарушения неравенств Белла наблюдаются. Эти результаты продемонстрировали, что природа действительно действует нелокально — взаимосвязь между частицами может существовать даже на больших расстояниях, без какой-либо передачи информации между ними.
Квантовая запутанность имеет значительное значение для области квантовой теории информации, которая изучает, как квантовые системы могут быть использованы для обработки и хранения информации. Запутанные состояния являются основой таких квантовых вычислений, как квантовая криптография, квантовое шифрование и квантовые алгоритмы.
В квантовых вычислениях запутанность используется для создания квантовых состояний, которые позволяют выполнять вычисления гораздо быстрее, чем в классических вычислительных системах. Запутанные кубиты (квантовые биты) могут существовать в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция), что дает огромную вычислительную мощность для решения задач, которые невозможно решить с использованием классических вычислений за разумное время.
В квантовой криптографии квантовая запутанность используется для обеспечения безопасности передачи данных. Протоколы, такие как квантовая распределенная ключевая система (QKD), используют запутанность для того, чтобы злоумышленник не мог перехватить или подслушать передаваемое сообщение без изменения состояния системы и, следовательно, без того, чтобы это было замечено пользователями.
Запутанность ставит под сомнение классическое представление о локальности — принципе, согласно которому объекты, находящиеся в разных местах, не могут мгновенно воздействовать друг на друга. Это ведет к философским и физическим вопросам, связанным с понятием “реальности” и “информации” в квантовой механике.
Запутанность не является просто математическим абстракцией, это реальное явление, которое воздействует на наше понимание пространства и времени. Элементы запутанных систем в квантовой механике не могут быть разделены на независимые компоненты, что нарушает классическое представление о том, что объекты должны действовать независимо друг от друга.
Квантовая запутанность продолжает быть предметом активных исследований, как в экспериментальной физике, так и в теории. К примеру, изучаются способы контроля над состояниями запутанных частиц, что необходимо для дальнейшего развития квантовых вычислений и криптографии. Однако на философском уровне остается ряд нерешенных вопросов, связанных с тем, как взаимодействие частиц на больших расстояниях может быть описано в рамках существующих теорий, и что это говорит о природе реальности.
Запутанность также привела к развитию различных интерпретаций квантовой механики, таких как интерпретация многомировой теории и теория “коллапса волновой функции”. Эти подходы пытаются дать ответы на вопросы, связанные с тем, как интерпретировать квантовые состояния и их изменения.
Квантовая запутанность продолжает озадачивать ученых, открывая новые горизонты не только в физике, но и в философии науки.