Квантова заплутаність – одне з найскладніших понять в науці, але основні її принципи прості. А якщо зрозуміти її, заплутаність відкриває шлях до кращого розуміння таких понять, як множинність світів в квантової теорії. А відкриття квантової заплутаності в деякій мірі навіть пояснює теоретичну можливість телепортації.
Поняття «квантова заплутаність» з’явилося з теоретичного припущення, що випливає з рівнянь квантової механіки. Воно означає ось що: якщо 2 квантові частинки (ними можуть бути електрони, фотони) виявляються взаємозалежними (заплутаними), то зв’язок зберігається, навіть якщо їх рознести в різні частини Всесвіту.
Суть квантової заплутаності
Уявімо, що ми маємо пару фотонів, які ми отримали одночасно. Вони будуть взаємопов’язаними або заплутаними. В квантовій фізиці є два важливих поняття, в яких нам необхідно розібратися, щоб зрозуміти суть заплутаності. Перше з них, це спін.
Якщо коротко, то спіном квантової частинки (електрона, фотона) називається ЇЇ власний кутовий момент. Спін можна представити у вигляді вектора, а саму квантову частинку – у вигляді мікроскопічного магнітика.
Друге поняття – суперпозиція. Важливо зрозуміти, що коли за квантом, наприклад, за електроном ніхто не спостерігає, то він має всі значення спіна одночасно. Це фундаментальне поняття квантової механіки називається «суперпозицією».
Уявіть, що Ваш електрон обертається одночасно за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки. Тобто він відразу в обох станах спіна (вектор спіна вгору / вектор спіна вниз). Уявили? Добре. Але як тільки з’являється спостерігач і вимірює його стан, електрон сам визначає, який вектор спіна йому прийняти – вгору або вниз.
Тепер вам буде легше зрозуміти основну суть квантової заплутаності, що якщо заміряти спін одного з фотонів і він виявиться позитивним, то спін 2-го фотона – будьте впевнені – миттєво стане негативним. І навпаки.
Тобто, як тільки ви виміряли стан одного фотона і визначили, що його спін «+1», то пов’язаний або «заплутаний» з ним фотон приймає значення спіну «-1». Причому моментально, навіть якщо він знаходиться на Марсі. Хоча до вимірювання стану фотонів, вони обидва мали значення спіна одночасно ( «+1» і «-1»). І тільки після того, як перша частка вимірюється, друга, заплутана з нею, моментально приймає протилежне значення.
У 2008 році вченим вдалося виміряти стан квантово-заплутаних фотонів на відстані 144 кілометрів і взаємодія між ними все одно виявилася миттєвою, так якщо б вони були в одному місці або не існувало б простору. Вважається, що якщо такі квантово-заплутані фотони опиняться в протилежних ділянках Всесвіту, то взаємодія між ними все одно буде миттєвою, хоча світло цю ж відстань долає за десятки мільярдів років.
Цей парадокс, доведений математично, дуже не подобався Енштейну. Тому що він суперечив його відкриттю, що немає швидкості більшої, ніж швидкість світла. Але поняття заплутаних часток доводило: якщо одна із заплутаних часток буде перебувати на Землі, а 2-га – на Марсі, то 1-ша частинка в момент виміру ЇЇ стану миттєво (швидше за швидкість світла) передає 2-й частці інформацію, яке значення спіна їй прийняти. А саме: протилежне значення.
Суперечка Енштейна з Бором
Енштейн називав «квантову заплутаність» лякаючою, примарною, надприродною дією на відстані.
Енштейн не погоджувався з інтерпретацією Бора про квантову заплутаність часток. Тому що це суперечило його теорії, що інформація не може передаватися зі швидкістю більшою швидкості світла. У 1935 році він опублікував статтю з описом уявного експерименту. Цей експеримент назвали «Парадоксом Ейнштейна – Подільського – Розена».
Енштейн погоджувався, що пов’язані частинки можуть існувати, але придумав інше пояснення миттєвої передачі інформації між ними. Він сказав, що «заплутані частки» швидше нагадують пару рукавичок. Уявіть, що у Вас пара рукавичок. Ліву ви поклали в одну валізу, а праву – у другу. 1-шу валізу ви відправили другу, а 2-гу- на Місяць. Коли він отримає валізу, він буде знати, що у валізі або ліва, або права рукавичка. Коли ж він відкриє валізу і побачить, що в ній ліва рукавичка, то він миттєво дізнається, що на Місяці – права. І це не означає, що людина вплинула на те, що в валізі ліва рукавичка і не означає, що ліва рукавичка миттєво передала інформацію правій. Це тільки означає те, що властивості рукавичок були спочатку такими з моменту, як їх розділили. Тобто в заплутаних квантових частинках з самого початку закладена інформація про їх стани.
Так хто ж мав рацію Бор, який вважав, що пов’язані частинки передають один одному інформацію миттєво, навіть якщо вони рознесені на великі відстані? Або Енштейн, який вважав, що ніякого надприродного зв’язку немає, і все зумовлено задовго до моменту вимірювання?
Хто вирішив суперечку?
Ірландський фізик Джон Белл запропонував експериментально перевірити обидві гіпотези. Для цього він запропонував побудувати машину, яка б створювала і порівнювала багато пар заплутаних часток. Джон Клаузер взявся розробляти таку машину. Його машина могла створювати тисячі пар заплутаних часток і порівнювати їх за різними параметрами. Результати експериментів доводили правоту Бора.
Результати дослідів довели, що теоретичне припущення квантової механіки – вірне. Квантова заплутаність – це реальність. Квантові частинки можуть бути пов’язаними незважаючи на величезні відстані. Вимірювання стану однієї частки впливає на стан далеко розташованої від неї 2-ї частки так, якби відстані між ними не існувало. Надприродний зв’язок на відстані відбувається в дійсності.
У 2008 році групі швейцарських дослідників з Університету Женеви вдалося рознести два потоки заплутаних фотонів на відстань 18 кілометрів. Крім того, це дозволило зробити часові виміри з недосяжною раніше точністю. В результаті було встановлено, що якщо якась прихована взаємодія і відбувається, то швидкість її поширення повинна як мінімум в 100 000 разів перевищувати швидкість світла у вакуумі. При меншій швидкості тимчасові затримки були б помічені.
В будь-якому випадку наш світ неймовірний. Він приховує у собі безліч таємниць, на розкриття яких у людства підуть не одні покоління людей. Квантова заплутаність, при детальнішому вивченні могла б подарувати людству безліч можливостей, по типу надсвітлової квантової комунікації чи квантової телепортації. Можливо, ми дізнаємося більше про це, вже в найближчому майбутньому.
