"Спутанные" фотоны могут поколебать пространство и время

2-я Книга Федора. Файл 6

Файл 5. http://artefact-2007.blogspot.ru/2014/12/blog-post.html

    Астрономы вычислили место рождения материи

    «Сегодня теоретики бьются над тем, как соединить космологические феномены и квантовые закономерности (два противоположных по своей природе состояния) с эффектом «спутанности» (entanglement) двух разделенных в пространстве элементарных частиц. Большие надежды возлагаются на приближающийся новый запуск большого адронного коллайдера (LHC). Напомним, что, перед тем как он был выведен на профилактику, были открыты какие-то туманные аномалии, исследование которых, как надеются экспериментаторы, позволит прояснить ситуацию с темными материей и энергией. Последних, как считается, в три раза больше, чем видимой материи во Вселенной...» («Независимая газета - Наука». 28.01.2015).

    [Ф. Дергачев: 
    Прежде чем анализировать вышеупомянутые «туманные аномалии», необходимо подробнее ознакомиться «с эффектом «спутанности» (entanglement) двух разделенных в пространстве элементарных частиц»
    Как следует из результатов экспериментов, если квантовые состояния объектов оказываются взаимозависимыми, то «связанные» фотоны реагируют друг на друга со скоростью, на пять порядков (то есть в сто тысяч раз) превышающей скорость света! А величина этого эффекта вообще не зависит от расстояния между частицами. 
    Меня заинтересовало следующее совпадение: в попытках найти теоретическое объяснение этому результату теоретики квантовой механики вынуждены отказываться от законов сохранения материи и энергии - так же, как астрофизики отказались от указанных законов при объяснении темной энергии (см. «Файл 4» и «Файл 5» «2-й Книги Федора»).
    Но свидетельствует ли данный отказ о проникновении в глубочайшие тайны Вселенной? Думаю, скорее он указывает на полнейшее творческое бессилие как тех, так и других, а не опровергает действие законов сохранения в микромире и мега мире. 
    Впрочем, ознакомьтесь с результатами экспериментов и судите сами. Пусть лучше факты говорят сами за себя.]

«Квантовая запутанность. (Фрагмент фильма "Тайны мироздания. Квантовый скачок")» 

    «Спутанные» фотоны могут поколебать пространство и время 

«Мы просто ещё раз наступили на больную мозоль современной физики», – поясняют авторы исследования. «Помогли» спутанные фотоны (иллюстрация Physics World)

    «Швейцарские физики провели очередной эксперимент по спутыванию частиц. Полученные результаты могут заставить учёных по-новому взглянуть на правильность «классических» представлений о нашей Вселенной. Всегда ли одно следует из другого, и возможна ли ситуация, когда наблюдаемые нами независимые события на самом деле являются частью чего-то большего?

Установка в университете Женевы (Université de Genève), на которой проводился эксперимент (фото с сайта gap-optique.unige.ch)

    С научной точки зрения суть вопроса сводится к существованию так называемой квантовой нелокальности. Или, если говорить упрощённо, в возможности взаимодействия выше скорости света. В своё время Эйнштейн назвал это «призрачным дальнодействием».

    Не исключено, что призрачным может стать стройное здание современной физики, построенное на постулатах теории относительности - инвариантности скорости света, собственно относительности систем отсчёта и однородности пространства-времени.

    Вкратце напомним, о чём идёт речь.

    Возможность взаимосвязанного описания квантового состояния двух объектов вытекала из квантовой теории, появившейся всего через 10 лет после теории относительности.

    Если запутанные частицы разнесены в пространстве, то, проведя замер одной из них, можно узнать о состоянии другой.

    Учитывая принцип неопределённости, получается, что мы сначала сообщаем (путём замера) подопытному объекту конкретную характеристику (например, спин), а потом этот объект каким-то образом передаёт своему «близнецу» информацию о замере.

    С тех был проведён не один эксперимент по спутыванию, но споры о сущности наблюдаемого явления не прекращались.

    Основной камень преткновения – «информация о замере» или просто «информация». Оказывают ли измерения, проводимые над одной системой, мгновенное воздействие на другую?

    Эйнштейн считал, что частицы каким-то образом находят возможность обмениваться информацией на скоростях, не превышающих 300 000 километров в секунду.

    В современной физике противники нелокальности считают, что либо частицы приобретают взаимоисключающие характеристики ещё до эксперимента, либо передача информации о коллапсе волновой функции возникает уже после сравнения результатов (а ведь для проверки их надо сравнить) - и это тоже не особо быстро.

    Николя Жизен (Nicolas Gisin) и его коллеги из университета Женевы решили поставить под сомнение саму передачу информации - отчёт об этой работе опубликован в журнале «Nature».

Каждый игрок сам выбирает, какой рукой делать бросок, а результат – орёл или решка – от выбора руки не зависит и составляет в среднем 50 на 50. Ход испытаний фиксируется в лабораторном журнале. Прилетают «монеты»-фотоны к «игрокам»-интерферометрам в деревни Сатиньи (Satigny) и Жюсси (Jussy), что на расстоянии 18 километров друг от друга (иллюстрация M-Sat Ltd/SPL/Nicolas Gisin)

    Проще всего объяснить теорию швейцарцев на конкретном примере. Представим себе двух игроков, подбрасывающих монеты. Они находятся на расстоянии друг от друга и бросают свои монеты один раз в минуту.

    Если два находящихся в разных местах «участника соревнований» сравнят свои записи, они увидят, что когда, по случайному совпадению, оба делают бросок левой рукой, их результаты всегда противоположны: орёл/решка или решка/орёл. А если хотя бы один бросает правой - наоборот, совпадают.

    Однако даже если бы игрок № 1 решил постоянно пользоваться только одной рукой, это не повлияло бы на статистику результатов игрока № 2, - конечный результат серии испытаний от выбора руки не зависит!

    Следовательно, наблюдаемая корреляция не предполагает никакого обмена информацией, то есть она является бессигнальной (non-signaling correlation). По крайней мере, так считают авторы исследования.

    С целью экспериментального подтверждения этой теории группа Жизена «связала» два фотона, а потом «разлучила» их, отправив по оптическому кабелю в противоположные стороны.

    Исследователи одновременно измеряли состояния запутанных частиц и пришли к выводу, что они «взаимодействовали», причём со скоростью, превышающей скорость света в 10 000 раз.

    Последующие расчёты показали, что частицы не могли «поделиться» информацией (а потом каким-то образом хранить её) до своего разбега.

    Более того, от движения источника (то есть системы отсчёта) скорость полученного взаимодействия тоже не зависела. Таким образом, два постулата теории относительности были поставлены под сомнение. Что заставило задуматься о сущности третьего - однородности нашего мира. 

«Одинаковая случайность проявляет себя сразу в различных местах, – говорит доктор Жизен, впрочем, сразу же добавляя, – но мне самому смысл сказанного не до конца понятен» (фото с сайта swissquantum.ch)

    Происходил ли обмен информацией между фотонами в принципе?

    Вот как это трактует доктор Жизен: «У них не просто не было времени для обмена информацией. Понятия времени в нашем понимании вообще не существует для запутанных частиц».

    По его мнению, полученные «сверхсветовые» данные свидетельствуют не о том, что частицы очень быстро чем-то обмениваются, но о том, что «искусственные» представления о пространстве-времени не отражают реального положения вещей.

    Корреляция между состояниями фотонов - не взаимосвязь (другими словами, передача информации), но некое единичное событие, проявляющее себя сразу в двух местах. Правда, описания сущности этого «события» швейцарец не даёт.

    Аналогичной точки зрения придерживается Теренс Рудольф (Terence Rudolph) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), который считает, что квантовые объекты выходят за пределы классического пространственно-временного континуума, фактически придуманного человеком для собственного удобства.

    Но, само собой, есть и оппоненты столь смелым суждениям. Основная контроверза состоит в отсутствии теоретического обоснования характера взаимодействия спутанных частиц «как одного события».

    Впрочем, и сам Жизен согласен с этим: «Пока мы не можем внятно объяснить, что же там происходит». Но учёный надеется, что необъяснимые в рамках существующих моделей результаты послужат катализатором новых теоретических разработок.

    Кто знает, может, «Теория Всего» уже не за горами?» (15 августа 2008 года). 

    Обсуждение - см. тему «Эксперименты со «спутанными» фотонами» на форуме журнала «Наука и жизнь». 

    Physicists spooked by faster-than-light information transfer. Quantum weirdness even stranger than previously thought

    «Two photons can be connected in a way that seems to defy the very nature of space and time, yet still obeys the laws of quantum mechanics.

    Physicists at the University of Geneva achieved the weird result by creating a pair of ‘entangled’ photons, separating them, then sending them down a fibre optic cable to the Swiss villages of Satigny and Jussy, some 18 kilometres apart.

    The researchers found that when each photon reached its destination, it could instantly sense its twin’s behaviour without any direct communication. The finding does not violate the laws of quantum mechanics, the theory that physicists use to describe the behaviour of very small systems. Rather, it shows just how quantum mechanics can defy everyday expectation, says Nicolas Gisin, the researcher who led the study. “Our experiment just puts the finger where it hurts,” he says. The study is published in "Nature" [Salart, D., Baas, A., Branciard, C., Gisin, N. & Zbinden, H. Nature, 454, 861–864 (2008)].

    Spooky and unsettling

    In the everyday world, objects can organize themselves in just a few ways. For example, two people can coordinate their actions by talking directly with each other, or they can both receive instructions from a third source.

    In both these cases, the information is communicated at or below the speed of light, in keeping with Einstein’s axiom that nothing in the Universe can go faster. But quantum mechanics allows for a third way to coordinate information. When two particles are quantum mechanically ‘entangled’ with each other, measuring the properties of one will instantly tell you something about the other. In other words, quantum theory allows two particles to organize themselves at apparently faster-than-light speeds.

    Einstein called such behaviour “spooky action at a distance”, because he found it deeply unsettling. He and other physicists clung to the idea that there might be some other way for the particles to communicate with each other at or near the speed of light.

    But the new experiment shows that direct communication between the photons (at least as we know it) is simply impossible. The team simultaneously measured several properties of both photons, such as phase, when they arrived at their villages and found that they did indeed have a spooky awareness of each other’s behaviour. On the basis of their measurements, the team concluded that if the photons had communicated, they must have done so at least 100,000 times faster than the speed of light - something nearly all physicists thought would be impossible. In other words, these photons cannot know about each other through any sort of normal exchange of information.

    Framed

    The team also ruled out other possible reasons for the apparently coordinated behaviour. For example, one could imagine that the photons might have shared information before they left Geneva - but Gisin’s measurements showed that they could not.

    A second test ensured that the scientists in the two villages weren’t missing some form of communication thanks to Earth’s motion through space. According to Einstein’s theory of relativity, observers moving at high speeds can have different ‘reference frames’, so that they can potentially get different measurements of the same event. The Geneva results could possibly be explained if the two photons were communicating through a frame of reference that wasn’t readily apparent to the scientists."

The entangled photons were sent to the villages of Satigny and Jussy, some 18 kilometres apart

    But theoretical calculations [Scarani, V. et al Phys. Lett. A 276, 1-7 (2000)] have shown that performing tests over a full spin of the globe would test all possible reference frames. The team did just that, and they got the same result in all cases.

    The bottom line, says Gisin is that “there is just no time for these two photons to communicate”.

    The experiment shows that in quantum mechanics at least, some things transcend space-time, says Terence Rudolph, a theorist at Imperial College London. It also shows that humans have attached undue importance to the three dimensions of space and one of time we live in, he argues. “We think space and time are important because that’s the kind of monkeys we are.”

    If you are baffled by the result, fear not — you’re not alone. “For me, honestly, it doesn’t make any sense,” says Gisin. “I don’t think we can today claim that we have a good story to tell how this all happens.” He hopes that the work will stimulate theorists to come up with new ways of explaining the spooky effect». (Geoff Brumfiel. 13 August 2008). 

    Получено наиболее точное доказательство «призрачного действия на расстоянии»

    «Группа швейцарских ученых получила наиболее точное на сегодняшний день доказательство существования связанных (запутанных) квантовых состояний, исключив их передачу в паре связанных частиц через какой-либо неизвестный науке механизм.

    Соответствующий опыт, поставленный группой ученых из Университета Женевы, относится к так называемым экспериментам Белла - имеющим доказанную надежность экспериментам по проверке существования связанных квантовых состояний.

    Физической науке пока неизвестны способы, которым разделенные пространственно связанные частицы могли бы передавать друг другу информацию о своем квантовом состоянии. Однако, если даже такой способ существует, то, согласно принципу No-go, скорость передачи данных при его реализации не может быть больше скорости света.

    Отличие настоящего эксперимента Белла от всех проведенных ранее - исключение возможности подобной передачи. Можно сказать, что ученым впервые удалось получить строгое доказательство «призрачного действия на расстоянии», так как корреляция квантовых состояний каждой частицы доказано проявлялась без каких-либо взаимодействий со своей парой.

    В своей работе швейцарец Николас Гисин (Nicolas Gisin) с коллегами использовали идею британского физика Роджера Пенроуза о том, что коллапс - распад суперпозиции в одно из квантовых состояний, - связан с «гравитационной энергией» системы. Чем больше эта энергия, тем быстрее происходит коллапс.

Nicolas Gisin 

    До сих пор физики продолжают спорить, что следует считать моментом квантового измерения - регистрацию квантовых изменений в классической системе, необратимую утечку информации о квантовой системе во внешнюю среду, или что-либо другое. Основываясь на идеях Пенроуза, швейцарские исследователи привязали момент квантовых измерений к «гравитационному» коллапсу.

    Они приняли следующий интуитивно непонятный и не применяемый ранее в тестах Белла принцип: измерение квантового состояния считается произведенным при перемещении объекта с достаточно большой массой, которое связано с коллапсом волновой функции (в данном эксперименте таким объектом было зеркало).

    Как сообщила пресс-служба Университета Женевы, исследователи посылали запутанные фотоны из одного источника в двух различных направлениях по стандартным волоконно-оптическим каналам связи длиной 17,5 км каждый. Фотоны направляли из Женевы к двум принимающим станциям в двух швейцарских деревнях, находящихся в 18 км друг от друга, поставив тем самым рекорд расстояния передачи фотонов для экспериментов Белла с независимым источником посередине канала.

    На принимающих станциях находились пьезоэлектрические приводы, прикрепленные к покрытым золотом зеркалам интерферометра. Когда фотон достигал однофотонного детектора, на привод подавалось напряжение, он расширялся и передвигал зеркало, в результате чего менялся оптический путь отражаемого от него лазерного луча и создаваемая интерференционная картина.

    Коммуникация между связанными частицами была исключена благодаря тому, что время прохождения фотона от источника до детектора, последующего коллапса и поворота зеркала было меньше, чем время, за которое свет мог пройти расстояние между двумя принимающими станциями.

    Используя формулу Пенроуза-Диози, на основе данных о массе, объеме зеркала и расстоянии, на которое оно было перемещено, ученые рассчитали время коллапса. В результате суммирования времени коллапса и времени, затраченного на передвижение фотона, его детекцию и поворот зеркала, было получено значение 7,1 микросекунд, что примерно в 8 раз меньше 60 микросекунд, которые были необходимы для передвижения света по каналу между двумя принимающими станциями.

    Согласно принципу No-go, информация не может передаваться быстрее скорости света. На основании этого ученые сделали вывод, что частицы из одной пары связанных фотонов не могли передавать друг другу каким-либо образом данные о своем состоянии.

    Для доказательства связанности пар фотонов исследователи применили неравенство Белла в версии Клаузера – Хорна – Шимони – Хольта. Этот неравенство должно выполняться для несвязанных фотонов. Как оказалось, для данных, полученных в настоящем исследовании, неравенство Белла не выполнялось, следовательно, частицы были связаны.

    Таким образом швейцарским ученым удалось успешно применить идею Роджера Пенроуза о гравитационной природе редукции волновой функции для доказательства нелокального характера квантовых корреляций.

    По мнению Пенроуза, объективная квантовая редукция связана с гравитацией и может происходить спонтанно и без каких-либо измерений, через промежуток времени, зависящий от массы объекта.

    Свои идеи о редукции волновой функции Роджер Пенроуз связывает и с человеческим сознанием. По его мнению, мышление обусловлено определенными квантовыми состояниями структур мозга, и редукция суперпозиции играет ключевую роль в функционировании данных структур». (12.05.08, 16:59, Мск). 

    Обсуждение статьи - тема «Получено наиболее точное доказательство "призрачного действия на расстоянии"» на «Форумах CNews».

    Опровергнут фундаментальный принцип современной физики

    «Швейцарские ученые не только продемонстрировали ложность постулата о предельности скорости света, но и превысили ее сразу на пять порядков.

    В ходе исследований квантовомеханически связанных фотонов (entangled photons), которые предполагается широко использовать в системах криптографии и даже в разведывательных системах, подтверждено наличие связи между ними, позволяющей передавать информацию со скоростью, не просто большей скорости света, но и существенно ее превышающей.

    Исследовательская группа доктора Николаса Гизина (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, показала, что взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света.

    В рамках поставленного эксперимента связанные пары фотонов, образованные расположенным в Женеве генератором, направлялись по оптиковолоконным каналам – один в деревню Сатини, другой – в деревню Джусси. Расстояние между обоими составляет 18 км.

    Исследования показали, что оба фотона «чувствуют» происходящее друг с другом – причем мгновенно. По крайней мере, скорость передачи на пять порядков превышает скорость света в вакууме, считающуюся в рамках современной физики максимальной и предельной.

    Как сообщает «Physorg», попытки объяснить полученные результаты с помощью принятых в современной физике теорий, предпринятые швейцарскими учеными, не увенчались успехом.

    Физическая природа механизма, с помощью которого осуществляется сверхскоростное взаимодействие между связанными фотонами, остается совершенно непонятной.

    Согласно догмам современной физики, скорость света (в вакууме) является предельной. Этот вывод сделан на основе интерпретации результатов эксперимента Майкельсона-Морли и положений теории относительности – в частности, принципиального отказа от гипотезы эфира.

    Ранее было показано, что использование связанных состояний фотонов позволяет мгновенно передавать не просто информацию, но и изображения – причем без какой бы то ни было связи между устройством, получающим изображения, и устройством, в котором эти изображения "материализуются"». (15.08.2008, 11:19, Мск). 

    Обсуждение статьи - тема «Опровергнут фундаментальный принцип современной физики» на «Форумах CNews».

«Укротители кванта. Что день грядущий нам готовит / 2009» 

    Сто тысяч световых скоростей

    «Швейцарские физики утверждают, что доказали, будто информацию можно передавать со сверхсветовой скоростью. Это сообщение появилось не где-нибудь, а в одном из самых уважаемых в мире научных журналов – «Nature», – который этим уважением очень (иногда даже слишком) дорожит и с помощью целой армии экспертов проверяет на достоверность каждую публикацию.

    Сам эксперимент новым не назовешь. Швейцарцы изучали так называемый парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена, открытый еще в 1935 году. Это был мысленный эксперимент, с помощью которого Альберт Эйнштейн в своем споре с Нильсом Бором пытался доказать «неполноту» квантовой механики. Неполноту доказать не удалось, но парадокс остался, получив статус эффекта.

До сих пор считалось, что скорость передачи информации от одного фотона к другому не превысит скорости света. Источник: www.istar.org

    Он заключается в следующем. Если две частицы рождаются в одной точке и разлетаются в разные стороны, то их состояния становятся связанными (entangled) – их суммарный импульс и суммарная энергия равны нулю, сохраняются также суммарные квантовые характеристики. Если теперь измерить координаты одной частицы, то ее состояние от такого вмешательства изменится, соответственно тут же должно измениться состояние второй частицы, причем независимо от расстояния между ними – она должна «почувствовать» первую тут же. Правда, до сих пор считалось, что скорость передачи информации от одного фотона к другому не превысит скорости света.

    Начиная с девяностых годов, эксперименты по проверке этого эффекта с двумя связанными фотонами проводились неоднократно. С каждым годом расстояния между ними постоянно увеличивались – сначала они ограничивались размером установки, затем размером лаборатории. В 2004 году в той же Швейцарии этот эффект наблюдался при разнесении частиц на 600 м. В этом году фотоны были разнесены на 18 км – именно такое расстояние отделяет друг от друга две швейцарских деревни, куда по световодам были направлены связанные фотоны. Столь приличное расстояние позволило наконец грубо измерить скорость, с которой частицы реагируют друг на друга.

    Оказалось, что она по меньшей мере в сто тысяч раз (!) превысила световой предел, обозначенный Эйнштейном и до сей поры представлявшийся незыблемым.

    Не сказать, чтобы исследователи стали прыгать от радости – есть такое тысячи раз проверенное правило, что, когда нападаешь на канон, ставший незыблемым, готовься к неприятностям. Об этом мог бы рассказать даже сам Эйнштейн, который поначалу со своим знаменитым мысленным экспериментом относительно наблюдателя и поезда, доказывающим замедление времени в зависимости от скорости, куда только ни совался – и все напрасно. Этот эксперимент настолько элементарен, что его может воспроизвести на бумаге и пятиклассник. Говорят, что даже Эйнштейн чуть ли не по блату добился внимания к своим выкладкам. Это уж потом он заработал звание величайшего физика XX столетия. А швейцарцы, что ни говори, получается, нападали на самого Эйнштейна – ведь он утверждал, что выше скорости света не может быть никакой, и на этом утверждении строится вся современная физика.

    Ученые, довольно уважаемая группа из Университета Женевы под руководством Николаса Гизина, натурально, обеспокоились судьбой своего международного статуса и проверили, по их словам, все, что возможно, и все, что невозможно. Проверив и убедившись, что все правильно, стиснули зубы и послали статью, как уже было сказано, в один из самых уважаемых научных журналов мира. После соответствующей экспертизы ее опубликовали. Любознательный читатель, имеющий связь с интернетом, может зайти на сайт журнала и прочитать об этой работе. Сама работа запаролена, но сообщение о ней и комментарии доступны – они множатся лавинообразно, большинство физиков просто не верят, что такое возможно.

    Когда корреспондент «НГ» обратился к человеку, мнению которого безусловно доверяет – физику-теоретику Константину Кикоину, бывшему курчатовцу, живущему теперь в Израиле, тот был настроен примерно так же, как и большинство комментаторов статьи в Nature.

    «Честно говоря, я стараюсь держаться подальше от всех этих дискуссий о телепортации, сверхсветовых скоростях и всем таком прочем, – сказал он. – Для меня это вопиющая ошибка, происходящая из-за неверной интерпретации основных принципов квантовой механики. Да, конечно, здесь существуют тонкие проблемы открытых и закрытых систем, когда вторжение наблюдателя превращает закрытую систему в открытую и таким образом делает невозможным сравнение состояний до и после измерения в смысле скорости распространения сигнала и так далее и тому подобное. Но для того, чтобы сформулировать взвешенный ответ на любой, извини, глупый вопрос, человек должен иметь много времени впереди. У меня такого времени нет┘ Что же до гипотезы Эйнштейна об универсальной скорости, то мы должны воспринимать ее как Закон Природы («ассерторическое» утверждение в терминологии Канта), который не обсуждается, а лишь проверятся экспериментально. Он, кстати, проверялся сотни раз».

    Есть и другие мнения, прямо противоположные.

    Альберт Чечельницкий, физик-теоретик из Дубны, лет 30 назад выдвинул гипотезу, согласно которой квантовая механика работает не только в размерах атомного ядра и ниже, но и в мегаразмерах, на уровне строения Солнечной системы и далее. Насколько эта теория верна, судить специалистам, но она высосана не из пальца и основана, в частности, на том, что орбиты наших планет удивительным образом напоминают орбиты электронов – соотношения между их радиусами есть целые числа.

    Вот уж кого-кого, а Чечельницкого нельзя назвать человеком, который боится нападать на каноны. Из этой гипотезы вытекают следствия, которые от современной астрофизики камня на камне не оставляют – по ней нет ни черных дыр, не было никогда и Большого взрыва, и еще много чего нет из того, что сейчас является краеугольными камнями нашего астрофизического мировоззрения. В частности, из его гипотезы получается, что предельной скорости во Вселенной не существует.

     «Астрофизики порой даже наблюдают такие скорости, в 8–10 раз больше световой, но, по существующей теории, это иллюзия, хотя на самом деле это реальность, – заявил Альберт Чечельницкий в интервью «НГ». – Сама история «бронзовения» постулата о предельной скорости очень драматична и заслуживает отдельного разговора. Поначалу это была просто умозрительная декларация, не подкрепленная никакими экспериментальными свидетельствами. Сегодня она стала непоколебимым каноном».

    А пока физики разбираются с неугодным экспериментом. Неугодный он или негодный, покажет время». (24.09.2008). 

    Квантовая скорость запутала Эйнштейна

    «Физики измерили скорость передачи информации между запутанными квантовым образом частицами. Она должна во много раз превышать скорость света. Это не нарушает теорию относительности, но в очередной раз опровергает другое убеждение Эйнштейна. Скорее всего, под квантовой механикой никакой «более глубокой теории» нет.

    «Несуразности» квантовой механики – теории, описывающей поведение мира на уровне элементарных частиц, – способны свести с ума любого человека, не потерявшего здравого смысла. Электроны находятся одновременно в нескольких местах, электротоки текут сразу в обе стороны, а простое наблюдение за объективным физическим процессом останавливает его развитие. Тем не менее, эксперимент неизменно показывает, что именно квантовое описание реальности истинно, а наш «здравый смысл» просто неадекватен реалиям микромира, будучи сформирован в мире макроскопических объектов.

    Однако это всё ещё цветочки. Ягодки, которые возникают при описании систем из нескольких частиц, не могут проглотить не только далёкие от науки люди. Даже учёные, и иногда великие учёные, считают, что явление квантового запутывания – это уже слишком.

    В классической физике, обладая полным знанием о состоянии всех частей системы, мы одновременно обладаем полным знанием о целой системе, а зная состояние целого, всегда знаем состояние его частей. Это утверждение кажется до тупого тривиальным, но лишь до тех пор, пока в дело не вступает квантовая теория. Здесь верна лишь первая его половина – состояние частей всегда определяет состояние целого, но существуют и такие целые, которым не соответствует никакая комбинация составляющих его частей. Такие состояния как раз и называются запутанными.

http://images.myshared.ru/6/764785/slide_5.jpg

    Запутанные частицы очень сильно связаны друг с другом – притом, что могут совершенно не взаимодействовать между собой. И находиться на сколь угодно большом расстоянии друг от друга.

    Квантовая механика утверждает, что, измеряя состояние частицы, мы, по сути, создаём реальность. Например, если запутаны два электрона с суммарным спином ноль, и в результате измерения спина одной из них получилось значение +1/2, то спин этой частицы действительно превращается из неопределённого в положительный. И одновременно спин второй, «запутанной» с первой, частицы при таком измерении тотчас превращается из неопределённого в отрицательный. И если измерить его значение, оно со стопроцентной вероятностью окажется отрицательным.

    Притом, что первая частица может находиться у нас в лаборатории, а вторая – на Марсе. Как она узнает о том, что мы что-то там делаем с первой? Какие такие высшие силы зафиксируют её спин, если, например, на Марсе она находится в полной изоляции? И как такое может произойти мгновенно?

    Один из отцов квантовой механики, немецкий физик Эрвин Шрёдингер, который сам впервые описал запутанные частицы, но считал это явление ещё более странным, чем саму квантовую механику, сразу поспешил предположить, что у запутывания должен быть какой-то предел. Он выдвинул гипотезу, что запутывание каким-то неизвестным нам пока образом должно распространяться лишь на микроскопические расстояния.

    А Альберт Эйнштейн, который и так имел большой зуб на квантовую механику, активно пользовался этой несуразностью, доказывая ограниченность квантового подхода. И описанное выше мгновенное изменение состояния второй частицы удостоилось от великого физика знаменитой презрительной характеристики «призрачное дальнодействие».

    Тем не менее, и Эйнштейн, не веривший в завершённость квантовой механики, и Шрёдингер, предполагавший её ограниченность масштабами микромира, были неправы.

Сольвейская конференция в 1927-м году. Эйнштейн и Шрёдингер (в верхнем ряду)  

    Ошибку Шрёдингера показала демонстрация квантового запутывания на расстояниях в метры и даже километры. Это основа популярных в наши дни явлений квантовой телепортации и квантовой криптографии. А не так давно австрийским и испанским физикам удалось телепортировать состояние фотона даже через околоземный спутник.

    Опровергнуть Эйнштейна оказалось гораздо сложнее. Он полагал, что квантовая механика – лишь вершина айсберга, что существуют какие-то скрытые параметры, скрытые связи между частицами, которые мы не наблюдаем, но которые каким-то образом определяют такое необычное поведение квантовых систем.

    В конце концов, с точки зрения здравого смысла (и это важная оговорка), причин, которые могли бы привести к чёткой корреляции между результатами измерения состояний запутанных частиц («если здесь »+», то там »–», а если здесь »–», то там »+»» в примере со спинами электронов), может быть две. Либо первая из частиц, переходя в фиксированное состояние из неопределённого, как-то сигнализирует второй запутанной с ним частице и заставляет её также перейти в определённое состояние. Либо с самого начала какой-то коварный демон эксперимента разделил все пары на (+ –) и (– +), а мы просто не знаем, какой из вариантов реализуется в данном конкретном опыте.

    На первый взгляд кажется, что наше неведение от реальной неопределённости невозможно. Первым придумал, как это сделать, ирландский физик Джон Белл. В 60-х годах прошлого века он вывел своё знаменитое «неравенство Белла», которому должны подчиняться результаты эксперимента в случае, если предположение о наличии «коварного демона» верно.

    В 1982 году опыт французских физиков впервые убедительно показал, что неравенство Белла не выполняется. Коварного демона нет. Эйнштейн не прав.

    С точки зрения здравого смысла, остаётся одна возможность – посылка одной из частиц сигнала другой частице. Довольно скоро стало ясно, что происходить это должно со скоростью, большей скорости света. Такое, в принципе, возможно и даже не нарушит специальной теории относительности Эйнштейна. Ведь сигнал в данном случае идёт по «скрытым» каналам и передать с его помощью какую-то информацию нельзя.

    Швейцарские физики из Женевского университета решили экспериментальным путём выяснить, насколько быстрым должен быть такой сигнал.

    В своём опыте Даниэль Салар, аспирант женевского профессора Николя Жизена, и его коллеги использовали вместо пары запутанных электронов два фотона в запутанном состоянии, при этом запутанными у них были не их спины, а энергии. Пары запутанных фотонов появлялись в нелинейном оптическом кристалле, в котором приходящий от лазера фотон разделяется на два фотона немного отличающихся друг от друга частот; к тому же излучаются эти фотоны с небольшой задержкой друг относительно друга.

    Такие пары очень удобны для реальных экспериментов, поскольку по световолокну фотоны можно отправлять практически на любые расстояния. Салар и его коллеги изготавливали фотоны в главном кампусе Женевского университета, а детектировали – в деревеньках Сатиньи и Жусси, расположенных к западу и востоку от Женевского озера, на расстоянии 18 километров друг от друга по прямой. До Сатиньи и Жусси фотоны добирались по световодам компании Swisscom. К световоду, ведущему в Сатиньи, учёные дополнительно добавили виток световолокна длиной 4 км, чтобы точно выровнять два пути; общая длина каждого из световодов оказалось равной 17,5 км.

    В Сатиньи и Жусси фотоны попадали в интерферометры, а их корреляция измерялась по совпадению моментов прихода двух сигналов. Изменяя длину одного из плеч одного из интерферометров, учёные видели, как число совпадений то увеличивалось, то уменьшалось – классическое поведение, определяющее степень корреляции фотонов.

    В эксперименте, результаты которого описаны в последнем номере «Nature», степень корреляции составила от 80 до 95%. Это выше предела в 71%, который для такого эксперимента даёт неравенство Белла. А значит, несмотря на 18 км расстояния между двумя деревнями, запутывание никуда не делось.

    Точность измерения совпадений – с учётом всех дополнительных факторов вроде дифференциальной задержки в световодах из-за неопределённой точно длины волны каждого фотона – составила около 300 пикосекунд, то есть примерно одну трёхмиллиардную часть секунды.

    Разделив 18 км на 300 пикосекунд, получаем скорость распространения тайного сигнала в 200 тысяч раз выше, чем скорость света.

    Впрочем, здесь есть одна оговорка. Расстояние в 18 км и время 300 пикосекунд измерены в системе отсчёта, связанной Землёй. А скорость сверхсветового сигнала зависит от системы отсчёта и является постоянной лишь в одной из них, чем-то напоминающей универсальный «светоносный эфир» XIX века. Земля совсем не обязана покоиться относительно этой универсальной системы, а в соответствии со специальной теорией относительности, в других системах отсчёта и расстояние, и интервал времени могут быть другими.

    Чтобы устранить эту проблему, учёные продолжали свой эксперимент в течение двух суток, за которые Земля успела дважды развернуть линию Сатиньи--Жусси вокруг своей оси. Перпендикулярная этой линии плоскость, таким образом, дважды просканировала все возможные направления движения Земли относительно «квантового эфира». И квантовое запутывание всё это время никуда не исчезало.

    Предполагая, что скорость Земли относительно «квантового эфира» – не больше 300 км/c, учёные смогли показать, что скорость «сигналов запутывания» должна быть как минимум в 10 тысяч раз выше скорости света.

    300 км/c учёные, конечно, взяли не с потолка – примерно такова скорость движения Земли относительно реликтового излучения, определяющего систему отсчёта, в которой вещество нашей Вселенной в среднем покоится. Естественно предположить, что и «квантовый эфир» должен покоиться относительно этой системы. Если этого не сделать, то скорость сигналов запутывания может оказаться и меньше, но всё равно должна составить как минимум несколько десятков скоростей света.

    Означает ли результат Салара и его коллег, что существуют сверхсветовые сигналы?

    Скорее всего, нет. По крайней мере, современная физика предложить какой-то реальной физической модели, объясняющей их существование, не может. А альтернатива «коварный демон против сверхсветового взаимодействия» следует исключительно из здравого смысла, который много раз подводил при попытке объяснения квантовых явлений.

    Квантовая же механика отлично обходится и «призрачным дальнодействием», и её не смущает мгновенная передача информации на любое расстояние. По мнению Жизена, проще предположить, что есть некоторое чисто квантовое явление, которому никакое объяснение не нужно. В конце концов, если уж мы взялись объяснять невероятную скорость взаимодействия между запутанными частицами, неплохо бы объяснить и причину, по которой величина этого эффекта не зависит от расстояния между частицами. А как подступиться к этой проблеме, вообще никто не знает.

    Возможно, ситуация со скоростью передачи квантовой информации прояснится, когда мы поймём связь квантовой теории с понятиями пространства и времени.

    Пока получить приемлемой со всех точек зрения квантовой теории пространства и времени никому не удавалось, а после её появления сам вопрос о скорости может оказаться бессмысленным, а наши расчёты – неверными.

    Подобное в истории физики уже случалось. В начале XIX века французский астроном Пьер-Симон Лаплас решил оценить скорость гравитации. Он подсчитал, что если гравитация распространяется с конечной скоростью, то в движении небесных тел появятся возмущения – тем большие, чем меньше скорость гравитации. Поскольку никаких возмущений не наблюдалось – с той точностью, которую в то время позволяли астрономические наблюдения, Лаплас сделал вывод, что скорость гравитации должна быть как минимум в 5–6 миллионов раз больше, чем скорость света, а может быть, и вовсе бесконечной.

    Через 100 с небольшим лет после этих попыток была создана общая теория относительности, и сейчас мы знаем, что возмущения гравитационного поля распространяются со скоростью света. А вычисления Лапласа были просто основаны на неправильной теории гравитации. Не исключено, что такая же судьба ждёт и результаты эксперимента швейцарских физиков». (14.08.2008, 19:56). 

«Перспективы: Квантовая оптика и квантовая телепортация. Физик Юджин Ползик (профессор физики, Институт Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра) в новой программе «Перспективы» рассказывает о механизме телепортации, информационной безопасности и квантовом компьютере». 

    Квантовая запутанность

    «Квантовая запутанность («сцепленность») (англ. Entanglement) — квантовомеханическое явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз, и наоборот, и это несмотря на то, что согласно квантовой механике, предсказать, какие фактически каждый раз получатся направления, невозможно. Иными словами, создаётся впечатление, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на запутанную с ней. Однако то, что понимается под информацией в классическом смысле, всё-таки не может быть передано через запутанность быстрее, чем со скоростью света.
    Раньше исходный термин «entanglement» переводился противоположно по смыслу - как запу́танность, но смысл слова заключается в сохранении связи даже после сложной биографии квантовой частицы. Так что при наличии связи между двумя частицами в клубке физической системы, «подергав» одну частицу, можно было определить другую.
    Квантовая запутанность является основой таких будущих технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В теоретическом и философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как можно видеть, что корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения. Различные взгляды на то, что в действительности происходит во время процесса квантовомеханического запутывания, ведут к различным интерпретациям квантовой механики.

    История вопроса 

    В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали знаменитый Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена, который показал, что из-за связности квантовая механика становится нелокальной теорией. Известно, как Эйнштейн высмеивал связность, называя его «кошмарным дальнодействием. Естественно нелокальная связность опровергала постулат Теории относительности о предельной скорости света (передаче сигнала).
    С другой стороны, квантовая механика отлично зарекомендовала себя в предсказании экспериментальных результатов, и фактически наблюдались даже сильные корреляции, происходящие благодаря феномену запутывания. Есть способ, который позволяет, казалось бы, успешно объяснить квантовое запутывание - подход «теории скрытых параметров» при котором за корреляции отвечают определённые, но неизвестные микроскопические параметры. Однако, в 1964 г. Дж. С. Белл показал, что «хорошую» локальную теорию таким образом построить всё равно не удастся, то есть, запутывание, предсказываемое квантовой механикой, можно экспериментально отличить от результатов, предсказываемых широким классом теорий с локальными скрытыми параметрами. Результаты последующих экспериментов дали ошеломляющее подтверждение квантовой механики. Некоторые проверки показывают, что в этих экспериментах есть ряд узких мест, но общепризнано, что они несущественны.
    Связность приводит к интересным взаимоотношениям с принципом относительности, который утверждает, что информация не может переноситься с места на место быстрее, чем со скоростью света. Хотя две системы могут быть разделены большим расстоянием и быть при этом запутанными, передать через их связь полезную информацию невозможно, поэтому причинность не нарушается из-за запутанности. Это происходит по двум причинам:
    - результаты измерений в квантовой механике носят принципиально вероятностный характер;
    - теорема о клонировании квантового состояния запрещает статистическую проверку запутанных состояний.

    Причины влияния частиц

    (Эта страница использует содержимое оригинальной статьи, которая находится по адресу «Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности» в соответствии с принципом добросовестного использования).

    В нашем мире существуют особые состояния нескольких квантовых частиц - запутанные состояния, у которых наблюдаются квантовые корреляции (вообще, корреляция - это взаимосвязь между событиями выше уровня случайных совпадений). Эти корреляции можно обнаружить экспериментально, что было сделано впервые свыше двадцати лет назад и сейчас уже рутинно используется в разнообразных экспериментах. В классическом (то есть неквантовом) мире существует два типа корреляций - когда одно событие является причиной другого или же когда у них обоих есть общая причина. В квантовой теории возникает третий тип корреляций, связанный с нелокальными свойствами запутанных состояний нескольких частиц. Этот третий тип корреляций трудно представить себе, пользуясь привычными бытовыми аналогиями. А может быть, эти квантовые корреляции есть результат какого-то нового, неизвестного до сих пор взаимодействия, благодаря которому запутанные частицы (и только они!) влияют друг на друга?
    Сразу стоит подчеркнуть «ненормальность» такого гипотетического взаимодействия. Квантовые корреляции наблюдаются, даже если детектирование двух разнесенных на большое расстояние частиц происходит одновременно (в пределах погрешностей эксперимента). Значит, если такое взаимодействие и имеет место, то оно должно распространяться в лабораторной системе отсчета чрезвычайно быстро, со сверхсветовой скоростью. А из этого неизбежно следует, что в других системах отсчета это взаимодействие будет вообще мгновенным и даже будет действовать из будущего в прошлое (правда, не нарушая принцип причинности).

    Суть эксперимента

Геометрия эксперимента. Пары запутанных фотонов порождались в Женеве, затем фотоны посылались вдоль оптоволоконных кабелей одинаковой длины (отмечены красным цветом) в два приемника (отмечены буквами APD), отстоящими друг от друга на 18 км. (Изображение из обсуждаемой статьи в Nature)

    Идея эксперимента состоит в следующем: создадим два запутанных фотона и отправим их в два детектора, отстоящих как можно дальше друг от друга (в описываемом эксперименте расстояние между двумя детекторами было 18 км). При этом пути фотонов до детекторов сделаем по возможности одинаковыми, так чтобы моменты их детектирования были максимально близкими. В этой работе моменты детектирования совпадали с точностью примерно 0,3 наносекунды. Квантовые корреляции в этих условиях по-прежнему наблюдались. Значит, если предположить, что они «работают» за счет описанного выше взаимодействия, то его скорость должна превышать скорость света в сотню тысяч раз.

    Такой эксперимент, на самом деле, проводился этой же группой и раньше, см., например, статьи "The speed of quantum information and the preferred frame: analysis of experimental data" и "Experimental test of nonlocal quantum correlation in relativistic configurations", опубликованные в 2000-2001 годах. Новизна данной работы лишь в том, что эксперимент длился долго. Квантовые корреляции наблюдались непрерывно и не исчезали ни в какое время суток.
    Почему это важно? Если гипотетическое взаимодействие переносится некоторой средой, то у этой среды будет выделенная система отсчета. Из-за вращения Земли лабораторная система отсчета движется относительно этой системы отсчета с разной скоростью. Это значит, что промежуток времени между двумя событиями детектирования двух фотонов будет для этой среды всё время разным, в зависимости от времени суток. В частности, будет и такой момент, когда эти два события для этой среды будут казаться одновременными. (Тут, кстати, используется тот факт из теории относительности, что два одновременных события будут одновременными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся перпендикулярно соединяющей их линии).
    Если квантовые корреляции осуществляются за счет описанного выше гипотетического взаимодействия и если скорость этого взаимодействия конечна (пусть и сколь угодно большая), то в этот момент корреляции бы исчезли. Поэтому непрерывное наблюдение корреляций в течение суток полностью закрыло бы эту возможность. А повторение такого эксперимента в разные времена года закрыло бы эту гипотезу даже с бесконечно быстрым взаимодействием в своей, выделенной системе отсчета.
    К сожалению, этого достичь не удалось из-за неидеальности эксперимента. В этом эксперименте для того, чтобы сказать, что корреляции действительно наблюдаются, требуется накапливать сигнал в течение нескольких минут. Исчезновение корреляций, например, на 1 секунду этот эксперимент не смог бы заметить. Именно поэтому авторы не смогли полностью закрыть гипотетическое взаимодействие, а лишь получили ограничение на скорость его распространения в своей выделенной системе отсчета, что, конечно, сильно снижает ценность полученного результата.

    А может быть...? 

    Читатель может спросить: а если всё же описанная выше гипотетическая возможность реализуется, но просто эксперимент из-за своей неидеальности ее проглядел, то означает ли это, что теория относительности неверна? Можно ли использовать этот эффект для сверхсветовой передачи информации или даже для перемещения в пространстве?
    Нет. Описанное выше гипотетическое взаимодействие по построению служит единственной цели - это те «шестеренки», которые заставляют «работать» квантовые корреляции. Но уже доказано, что с помощью квантовых корреляций невозможно передать информацию быстрее скорости света. Поэтому каков бы ни был механизм квантовых корреляций, нарушить теорию относительности он не может».

    Коммент: «Гипотетическое взаимодействие по построению - почему гипотетическое построение? Это же научный эксперимент. В чем его гипотетичность, непонятно. Что такое взаимодействие по построению? тут не хватает ключевого слова или я что-то не понимаю... Информация передается или нет? Я так понимаю, что передается. почему тогда не противоречит Теории относительности?» (Источник: статья «Квантовая запутанность» на портале «Виртуальная лаборатория»). 

«Квантовое запутывание (перепутанность, сцепленность, связность). Загадка квантовой физики 2» 

    Запутанные состояния

    «В квантово-криптографических системах основным рабочим ресурсом являются запутанные состояния фотонов, и их мгновенная нелокальная связь (квантовые корреляции) позволяет обеспечить абсолютную защиту информации от постороннего доступа. Связь между запутанными фотонами не просто «сверхсветовая», а именно бесконечная, мгновенная, но в данном случае она используется не для передачи информации, а для контроля безопасности канала связи - при доступе к передаваемой информации «со стороны» когерентность фотонов (квантовая запутанность) тут же нарушается.
    В разрабатываемых квантовых компьютерах запутанность также является основным рабочим ресурсом. В отличие от обычного компьютера, ячейки памяти которого могут принимать лишь два возможных значения (например, нуль и единица) и содержат классический бит информации, квантовый компьютер использует квантовые биты - кубиты (quantum bits, qubits). За счет суперпозиции состояний кубитов, наличия комплексных амплитуд и фазовых множителей возможности квантовых компьютеров существенно (экспоненциально) превышают возможности обычных. Запутанность между кубитами - это необходимое условие для работы квантового компьютера, это ключевой фактор, отвечающий за квантовый параллелизм и определяющий преимущество квантового компьютера над обычным.
    Еще раз подчеркну, что квантовая запутанность - это не теоретическая абстракция, которую ввели физики-теоретики, а объективный факт окружающей реальности. Это то, что существует в природе независимо от наших представлений, собственно, поэтому она и может быть использована на практике.
    В чем же заключаются удивительные особенности запутанных состояний? Почему они привлекают такое пристальное внимание исследователей? Суть в том, что они в прямом смысле являются запредельными, потусторонними, трансцендентными, как сказали бы философы, по отношению к материальному миру. Их свойства и возможности просто фантастические с точки зрения классической физики и наших привычных представлений о реальности. Поговорим об этом более подробно.
    Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (или взаимодействовавших ранее, а затем разделенных), и представляет собой суперпозицию макроскопически различимых состояний. В таких системах флуктуации отдельных частей взаимосвязаны, но не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных, например, скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях (даже если они разделены в пространстве, вплоть до бесконечно больших расстояний). И это не просто теория. Как уже говорилось, «магические» свойства запутанных состояний подтверждены многочисленными физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы квантового компьютера, когда все кубиты благодаря квантовой запутанности могут согласованно и мгновенно изменять свое состояние, даже если мы изменим состояние одного кубита.
    Таким образом, запутанность - это особый тип взаимосвязи между составными частями системы, у которой нет аналога в классической физике. Эта связь противоестественна, немыслима с точки зрения классических представлений о реальности и выглядит магической в прямом смысле этого слова.
Квантовая запутанность - состояние неразрывной целостности, единства. Обычно дают такое определение: запутанное состояние - это состояние составной системы, которую нельзя разделить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части. Оно является несепарабельным (неразделимым). Запутанность и несепарабельность - тождественные понятия.
    Когда квантовая теория обогатилась пониманием того, что квантовая запутанность - это обычная физическая величина, и с ней можно работать, как с другими физическими величинами, такими как энергия, масса и т. д., то возникла необходимость в ее количественном описании. Запутанные состояния нужно было охарактеризовать по величине (степени) запутанности. Одним из первых такую количественную характеристику, то есть меру запутанности, ввел в 1996 году Чарльз Беннетт (с соавторами) (Bennett C. H., Bernstein H. J., Popescu S. and Schumacher B. Phys. Rev. A 53, 2046. 1996). 
    В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Это нелокальное состояние, и тогда в системе нет никаких классических, «видимых» объектов (даже на тонких уровнях реальности).
    Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Такое разделение возможно только в том случае, если части системы никогда не взаимодействовали друг с другом.
    Любой объект, который взаимодействует со своим окружением, находится с ним в запутанном состоянии. Особо подчеркну: речь идет о любых объектах, в том числе макроскопических. Например, взаимодействуя с окружением, мы связаны с ним нелокальными квантовыми корреляциями. Может возникнуть вопрос: почему же тогда мы не чувствуем эти корреляции, почему не ощущаем нашу квантовую запутанность? Но дело в том, что мы прекрасно ее ощущаем, только не выделяем своим вниманием. Более того, у нас есть возможность сознательно и целенаправленно изменять меру запутанности. А это уже настоящая магия, и в дальнейшем нам предстоит поговорить об этом подробнее. Пока лишь отмечу, что существует большое количество самых различных типов взаимодействий макросистем с окружением, много каналов квантовой запутанности с различной мерой несепарабельности. По одним степеням свободы мы, например, локальны (наши тела разделены в пространстве), а по другим (в частности, можно говорить о наших чувствах или мыслях) - нелокальны, несепарабельны.
    Величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. В качестве примера можно привести такую аналогию. Пусть у нас есть лист фотобумаги с непроявленным изображением - это своеобразное нелокальное состояние. Видимые формы объектов могут появиться только в том случае, если мы опустим фотобумагу в проявитель (взаимодействие с окружением). Ситуация с запутанностью лишь немного сложнее — там нет заранее отображенной «картинки» с негатива. Потенциальное изображение (и оно не одно!) как бы равномерно «размазано» по фотобумаге и поэтому невидимо. Все возможные элементы находятся в суперпозиционном состоянии, у них нет локальных форм. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается, и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Этот физический процесс называется декогеренцией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной, классической точки зрения.
    Существует и обратный процесс - запутанность можно «концентрировать», увеличивать. Этот процесс называется рекогеренцией, или дистилляцией запутанности. В нашем примере с фотографией это равносильно тому, что с помощью неких хитрых операций с полученным снимком и отработанным проявителем мы сумеем вновь сделать лист фотобумаги чистым, то есть сможем вернуться к исходному суперпозиционному состоянию непроявленных изображений.
    Но запутанность - это не просто наложение различных состояний друг на друга и такое их переплетение, когда нет возможности «найти концы» и отделить одно от другого. Прежде всего, это наличие «потусторонней» связи между подсистемами, которая необъяснима с точки зрения известных физических полей и взаимодействий. Квантовые корреляции - это не просто взаимодействия, а скорее «телепатия», когда один объект непосредственно «ощущает» свое единство с другими телами, когда все внешние изменения мгновенно отзываются в нем самом, и, наоборот, изменения в объекте тут же сказываются на окружении. Здесь вся «игра» идет в пределах того, что принадлежит отдельным подсистемам в равной мере, в той составляющей, которая является общей для них, и эта общая часть изменяется как одно целое одновременно в различных объектах. Мера этого единства и степени взаимопроникновения одного тела в другое может быть разная, и она как раз характеризуется мерой квантовой запутанности. На первый взгляд, отдельные предметы, окружающие нас, могут выглядеть полностью самостоятельными и независимыми друг от друга. Но если они когда-то взаимодействовали (не только при прямом контакте, но и посредством физических полей), то мера квантовой запутанности между ними уже не будет равна нулю, и, пусть в самой незначительной своей части, эти объекты будут связаны квантовыми корреляциями.
    Но у квантовой запутанности и абсолютной согласованности поведения отдельных частей системы есть и обратная сторона. В максимально запутанном состоянии подсистемы полностью лишены самостоятельности, у них как бы нет «свободы воли», они не могут изменяться независимо от других подсистем. Самое малое «шевеление» какой-то одной подсистемы сопровождается одновременным согласованным изменением всех остальных частей системы. У подсистем нет индивидуальной динамики, нет возможности провести границу между собой и окружением и «сказать»: здесь Я, а здесь не Я. Она не может «ощутить» свою индивидуальность и не способна эволюционировать в качестве отдельной самостоятельной «личности».
    Кто-то из читателей может возразить, что все рассуждения о квантовой запутанности относятся исключительно к микрочастицам, и их нельзя распространять на макрообъекты, что все это не имеет отношения к окружающей нас реальности и никак в ней не проявляется. Однако сразу обращает на себя внимание тот факт, что удивительные свойства квантовой запутанности по своим проявлениям очень хорошо перекликаются с теми «сверхъестественными» возможностями человека, которые развивают в себе и широко практикуют представители различных эзотерических школ. В свете квантовой запутанности и процессов декогеренции/рекогеренции уже по-иному воспринимаются многочисленные свидетельства различных чудес и невероятных событий, о которых упоминается в мистической и религиозной литературе.
    Здесь стоит отметить, что теория запутанных состояний - это не теория микрочастиц, как иногда ошибочно считают. Ее основные результаты формулируются в терминах систем и подсистем, то есть общие выводы справедливы и в отношении произвольных макросистем. Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Она у них проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае с макрообъектами. Причем мера квантовой запутанности между частицами может контролироваться и целенаправленно изменяться в очень широких пределах - практически от нуля и вплоть до максимально запутанного, полностью нелокального состояния.
    Мера квантовой запутанности непосредственно связана с информацией, содержащейся в системе, которая может быть выражена количественно, например, через энтропию фон Неймана (Более подробно см. главу 3, раздел 3.4.) для чистых состояний. 
    Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать систему в терминах информации. В этом случае физические процессы усиления и уменьшения квантовой запутанности между составными частями системы рассматриваются как процессы обмена информацией между системой и ее окружением. Если запутанность между подсистемами уменьшается, то можно сказать, что система теряет часть своей информации в окружении при взаимодействии с ним. Информация как бы «перетекает» из самой системы в ее внешнее окружение. Былое единство и неразрывная целостность подсистем нарушаются, они отделяются друг от друга, приобретают индивидуальные характеристики и видимую форму (локализуются в виде классических объектов). Квантовая информация, которая связывала раньше части системы в единое целое и позволяла общаться по квантовому каналу связи на телепатическом уровне, уходит в окружение. Части системы теряют согласованность поведения и возможность «прямого знания» друг о друге. Теряется ощущение взаимопроникновения и непосредственного восприятия своих «соседей» как самого себя. При взаимодействии с окружением прямая телепатическая связь между подсистемами заменяется косвенной связью, теперь уже через окружение, и чем больше окружение у нашей системы, тем сильнее «размывается» эффект «прямого знания».
    При описании в терминах квантовой информации замкнутая система - единое информационное поле, которое содержит в себе данные о всех возможных реализациях внутренней структуры системы. Это как бы лист непроявленной фотобумаги, который, тем не менее, содержит вполне определенный набор потенциальных изображений, вся исходная информация там уже содержится.
В квантовой теории любая замкнутая система находится в нелокальном (непроявленном) состоянии из-за того, что нет внешнего окружения, некому осуществить редукцию. Это нематериальное состояние, о котором можно говорить в терминах квантовой информации, назвав его чистой информацией. А описать его в материальных терминах типа «совокупность большого числа элементарных частиц, физических полей» и т. п. невозможно, поскольку ничего этого просто не существует: это пустота, нелокальное состояние.
    Может возникнуть вопрос: а как же законы сохранения массы, энергии и т. д., которые все мы изучали в школе? Как известно, законы сохранения справедливы для замкнутых систем. А в квантовой теории замкнутая система - это чистая квантовая информация. Поэтому все, о чем мы говорим, сводится к сохранению такой первичной информации. По сути дела, все, чем занимается физика квантовой информации, - это изучение законов, по которым квантовая информация проявляется в локальных дискретных формах тварного мира (декогеренция), и обратного процесса растворения локальных форм, их перехода в нелокальное суперпозиционное состояние (рекогеренция). Квантовая теория, по сравнению с классической физикой, рассматривает более широкий круг явлений и процессов в окружающей реальности на самом фундаментальном уровне. Материальный мир с его законами сохранения - лишь небольшая часть совокупной Квантовой Реальности, и, соответственно, сфера применения законов сохранения материи, с точки зрения квантовой теории, ограничена классической реальностью». (С.И. Доронин, «Квантовая магия». Раздел 1.2.).  Также см. раздел 1.3.  «Декогеренция». 

    Обсуждение: Тема: «Квантовая запутанность - помогите разобраться!»  Астрофорума.  

    «Осуществлена квантовая запутанность в алмазе». (2008-06-10). 

В тот момент, когда Золушка делает замер поляризации первой из спутанных частиц, нам становится известно, какая характеристика будет у второй, которую измеряет прекрасный принц (иллюстрация с сайта ipod.org.uk).

    «Физики измерили запаздывание запутанных фотонов». (22 сентября 2009,19:35).

    «Квантовая телепортация: 143 км в атмосфере». (9 сентября 2012 года). 

    «Физики квантово запутали фотоны, одновременно не существующие». (27 мая 2013 в 14:00). 

    «Новая теория убедительно объединила ход времени и квантовую запутанность». (3 мая 2014 в 10:00). 

    «Установлен новый рекорд квантовой телепортации». (24 Сентября 2014, 06:00). 

    Дополнение от 24 марта 2015 года

    Альберт Эйнштейн: полемика с Нильсом Бором

    «Альберт Эйнштейн, который во многих отношениях был отцом квантовой механики, имел с ней характерные отношения любви-ненависти. Его полемика с Нильсом Бором - Бор полностью принимал квантовую механику, а Эйнштейн относился к ней крайне скептически - хорошо известна в истории науки. Общепринятое мнение среди большинства физиков состоит в том, что Бор победил, а Эйнштейн проиграл. На мой взгляд, и, я думаю, это мнение разделяет растущее число физиков, такая оценка несправедлива в отношении взглядов Эйнштейна.

Einstein vs. Bohr: How Their Career-Long Debate Led to Parallel Universes

    Бор и Эйнштейн оба были очень глубокими мыслителями. Эйнштейн изо всех сил стремился показать, что квантовая механика внутренне противоречива; Бор, однако, всегда находил возражения на его аргументы. Но в своей последней атаке Эйнштейн указал на нечто столь глубокое, столь контринтуитивное, столь тревожащее и в то же время столь возбуждающее, что в начале XXI века эта идея вновь вдохновляет физиков-теоретиков. Единственным ответом Бора на последнее великое открытие Эйнштейна - открытие квантовомеханической запутанности - было его игнорирование.

    Явление запутанности - это ключевой факт квантовой механики, факт, который делает ее столь отличной от классической физики. Благодаря ему под вопросом оказалось все наше понимание того, что в физическом мире является реальным. Согласно обыденному интуитивному представлению о физических системах, если мы всё знаем о системе, то есть всё, что в принципе о ней можно знать, то мы знаем также всё о ее частях. Если мы располагаем полным знанием об автомобиле, то знаем всё о его колесах, двигателе, коробке передач - вплоть до последнего винтика, удерживающего обивку. Будет абсурдом, если механик скажет: «Я знаю всё о вашем автомобиле, но, к сожалению, я ничего не могу сказать о его деталях».
    Но ведь именно это Эйнштейн объяснял Бору: в квантовой механике можно знать всё о системе и ничего о ее отдельных частях, однако Бор не смог признать этот факт, который также игнорировался в нескольких поколениях учебников по квантовой физике...» (Леонард Сасскинд. Предисловие к книге: Леонард Сасскинд, Арт Фридман «Квантовая механика. Теоретический минимум». Издательский дом «Питер», 2015 год).

    [Книга в работе...] 

    На эту тему:

    Статья «Квантовая запутанность»  на портале «Fornit».
    «"Школа злословия-2". Эйнштейн vs Гейзенберга». (17 февраля 2015 года).