Если вы видели трейлер грядущего фильма кинематографической вселенной Marvel под названием "Капитан Марвел 2" (в оригинале "The Marvels", что имеет чуть больше смысла), то уже должны быть в курсе, что в нем встретятся три героини со схожими способностями. В мире супергероики не редко явление "мультивселенных" и существования разных версий одного персонажа, но в данном случае создатели делают явный упор на слова "запутанность".
Описывая начальное затруднительное положение фильма, героиня Рамбо, которую играет Тейона Пэррис, описывает силы трех героинь как "запутанные", когда они, по-видимому, меняются местами, при попытке их применить. Это могло бы быть не столь важно, если бы не тот факт, что способности Рамбо и мисс Марвел основаны на свете, а квантовое явление запутанности, возможно, лучше всего наблюдается у фотонов, или частицах света.
Таким образом, упоминание о запутанности связывает сюжет фильма с одним из самых противоречивых и, казалось бы, загадочных аспектов квантовой физики. С самого начала запутанность настолько беспокоила физиков, что Альберт Эйнштейн однажды описал ее коллеге-физику Максу Борну как "spukhafte Fernwirkungen" (жуткие действия на расстоянии).
Давайте разбираться с этим вместе. Осторожно — понимание квантовой запутанности может стать спойлером к сюжету фильма!
Начнем с азов. Идея запутанности заключается в том, что существуют квантовые системы, которые можно разделить на две части, скажем, на две частицы, и у них останется какое-то общее свойство. В квантовой механике также есть такая штука, которая говорит, что эти состояния должны быть неопределенными, пока вы их не измерите.
Чтобы понять это, подумайте о квантовом свойстве под названием "спин", которое вы можете рассматривать как магнитную версию углового момента. Если одна частица в запутанной паре вращается "вверх", то другая должна вращаться "вниз". Но вот в чем загвоздка: когда вы выводите эти частицы из своего эксперимента по запутыванию, ни одна из них не раскручивается вверх или вниз — их спин еще не определен.
Требуется измерение или взаимодействие, скажем, с другой физической системой, такой как магнитное поле, чтобы заставить одну частицу принять значение спина. И когда это происходит, частица-партнер мгновенно принимает соответствующее значение. Почему это странно? Видите ли, это мгновенное действие происходит на любом расстоянии. Это происходит мгновенно, даже если частицы находятся на противоположных концах Вселенной, разделенных пропастью около 93 миллиардов световых лет.
Неудивительно, что Эйнштейн был особенно обеспокоен, потому что теория, которую он сформулировал в 1905 году под названием "специальная теория относительности", явно основывается на том факте, что во Вселенной есть предел скорости для частиц с массой, который ограничивает скорость обмена информацией. Этот предел — скорость света в вакууме. Но сам факт того, что две частицы могут "обменяться" информацией на таком невероятном расстоянии, ставит под сомнение такой скоростной лимит. Или нет?
Для Эйнштейна сообщение, которое передала запутанность, было ясным: он полагал, что это демонстрирует, что квантовая физика была неполной теорией. Великий физик выдвинул идею о том, что в квантовых системах должны быть так называемые "скрытые переменные". Эйнштейн и другие физики полагали, что эти скрытые переменные должны присутствовать при создании запутанной системы и определять, какое состояние примет система, тем самым устраняя квантовую неопределенность и тревожную случайность квантовых систем.
Это сохранило идею "локального реализма", лежавшую в основе классической физики с момента ее зарождения. Проще говоря, локальный реализм состоит из двух принципов: "реальный" означает, что объекты обладают определенными свойствами, не зависящими от измерения, а "локальный" означает, что только непосредственное окружение объекта может влиять на него — смешение в специальной теории относительности означает, что никакое влияние не происходит быстрее, чем может переместиться свет.
Так было до середины 1960-х годов, когда физик ЦЕРН Джон Белл начал глубоко задумываться о том, что значит проводить измерения квантовых систем и обнаруживать их корреляцию. Белл разработал ситуацию, в которой можно было проверить детерминистическую теорию, которую Эйнштейн хотел бы применить с определенными состояниями. Белл доказал эту теорему, теперь называемую "теоремой Белла", предполагая, что существует предел того, какие результаты вы можете получить с состояниями, которые имеют определенные переменные.
В течение следующих трех десятилетий после этого физики попытались экспериментально подтвердить или опровергнуть теорему Белла, нарушая так называемые неравенства Белла, что было бы невозможно, если бы в системе скрывались скрытые переменные. В первую очередь среди этих физиков были Джон Клаузер, Ален Аспект и Антон Цайлингер. В 2022 году трио получило Нобелевскую премию по физике за установление нарушения неравенств Белла, показав, что запутанность действительно бросает вызов местному реализму.
Это убедило всех в том, что этот странный квантовый элемент, где измерения "здесь" определяют результаты измерений "там", кажется абсолютно верным. Это было и странно, и интересно, и это заставило физиков действительно выяснить, каковы последствия открытия. Это становится основой квантового информационного поля, которое действительно начинает развиваться в экспериментальном смысле, начиная с 80-х годов.
Какая от этого знания польза?
Когда "Капитан Марвел 2" появится на экранах, главные герои, скорее всего, будут использовать явление запутанности для противодействия космической угрозе. Но и в реальном мире, запутанность можно использовать для решения более приземленных, но важных вопросов, таких как неприкосновенность частной жизни и конфиденциальность. На самом деле, запутанность может быть очень полезна для супершпиона Николаса Дж. Фьюри, которого играет Сэмюэл Л. Джексон во вселенной Marvel.
Давайте разебермся, как запутывание можно использовать в квантовой криптографии для скремблирования и декодирования сообщений между удаленными отправителем и получателем. Назовем их "Маша" и "Сергей".
У Маши и Сергея есть набор запутанных частиц, и они могут сравнить их, выполнив измерения, которые предвидел Джон Белл. Маша получает случайную строку из единиц и нулей, и она может подтвердить, что у Сергея есть соответствующая строка из единиц и нулей. С применением некоторых математических операций эта случайная последовательность чисел может быть преобразована в ключ, уникальный для Маши и Сергея. Чтобы увидеть, насколько это эффективно, мы можем представить то, что нужно каждому хорошему шпионскому триллеру или фильму Marvel: антагониста. В этом случае угрозой являются не Танос, Канг или Локи, а нарушитель по имени Женя.
Женя пытается перехватить передачу квантового ключа между Машей и Сергеем, чтобы затем также интерпретировать сообщения, которые проходят между ними. Однако Жене мешает тот факт, что измерение нарушает квантовое состояние частиц, которые используют Маша и Сергей. Это означает, что когда Сергей и Маша сверяют случайный набор единиц и нулей друг с другом, они видят, что они больше не совпадают. Поэтому они знают, что их ключ был перехвачен, и могут его сбросить.
Всемогущая сила?
Из статьи может показаться, что для квантовой запутанности не существует границ. Увы, но это не совсем так. Существует предел тому, что может быть передано таким образом. Поскольку состояние квантовых систем совершенно случайно и неопределенно, Маша не может заранее выбрать, какое сообщение она пошлет Сергею.
Помните, как Эйнштейн подозревал, что квантовая механика несовершенна, потому что информация не должна передаваться мгновенно? Что ж, случайный характер квантовой механики означает, что мгновенная передача между частицами, когда одна из них измеряется, не может передавать информацию пригодным для использования способом.
К тому же, в процессе передачи запутанность между несколькими фотонами может измениться. Точнее не так: изменится то, какими инструментами ее нужно измерять. Представьте, что вы отправили голосовое сообщение на стационарный телефон, но оно преобразовалось в файл ".mp3". Технически — это аудиосообщение, но чтобы его принять потребуется немного другое устройство. И вы никак это не проконтролируете.
Запутанность сейчас уже не кажется такой загадочной, как в 1935 году, но она, безусловно, по-прежнему нелогична по сравнению с нашей повседневной картиной Вселенной. Может быть именно это придаст изюминку сюжету грядущего блокбастера?
