Играет ли Бог в кости: что такое квантовая запутанность по теории ЭПР-Кристалла-АКСИОННО-ФОТОННАЯ ЗАПУТАННОСТЬ
«Бог не играет в кости» — «Не указывайте Богу, что ему делать». Квантовая запутанность породила спор Эйнштейна и Бора.Запутанность — пожалуй, самое интересное свойство, отличающее квантовый мир от классического. Оно лежит в основе доказательства принципиальной неопределенности событий в квантовом мире, и на нем основаны современные квантовые технологии, такие как квантовая связь, квантовые вычисления и сверхточные квантовые измерительные приборы.
Буквально на днях американские физики изобрели сверхточные атомные часы на базе квантово-запутанных атомов, а группа китайских ученых продемонстрировала оптический квантовый вычислитель, работающий во много раз быстрее самого быстрого классического суперкомпьютера.
Само понятие «запутывание» ввел Эрвин Шредингер в 1935 году — тот самый физик-теоретик, который «мучил» воображаемого кота. Однако в широкое употребление понятие вошло лишь в 1990-е годы, с появлением первых систем квантовой связи и прототипов квантовых компьютеров.
Что же такое квантовая запутанность? Мы побеседовали о ней с Константином Катамадзе, кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН РАН и лаборатории квантовых оптических технологий физического факультета МГУ.
Актуальное
Потенциально опасный астероид максимально приблизится к Земле в День дурака
В мозге нашли нейроны, отвечающие за умение учиться на ошибках
У клеток нашли «щупальца», которые помогают им исследовать окружение и двигаться
— Константин, можно ли просто и понятно объяснить, что такое квантовая запутанность?
— Давайте для начала поясним, что такое запутанное состояние (или перепутанное, сцепленное, связанное, переплетенное — в русском языке есть много вариантов перевода термина entangle). Начнем с того, что квантовая запутанность — это всегда история о двухчастичной системе — один атом или фотон не может быть перепутанным. Система может быть и многочастичной, но тогда для определения ее запутанности все равно нужно разделить ее на две подсистемы и рассматривать их корреляции.
Чтобы частицы были перепутанными, они должны были когда-то провзаимодействовать. Если они никогда не взаимодействовали, значит, они не перепутаны. Как пример: две частицы образовались в результате распада одной частицы. Но дальше они физически не взаимодействуют, никаких сил между ними нет. Просто их состояние таково, что они проявляют корреляции в разных измерениях, которые нельзя описать с точки зрения классической физики.
— Математически это выражается в каком-то уравнении?
— Квантовые состояния описываются волновой функцией. Соответственно, если у нас есть две системы, то они описываются совместной волновой функцией Ψ (x1, x2), которая зависит от параметров первой системы (x1) и второй системы (x2). И если эту совместную волновую функцию нельзя представить в виде произведения волновых функций ее подсистем, то такое состояние называется запутанным. Физически это означает, что параметры этих систем связаны друг с другом. И если я измеряю параметр одной системы, то я сразу получаю информацию о параметре другой системы.
Важно отличать перепутанные состояния от состояний, проявляющих классические корреляции. Приведу простой пример классических корреляций. У нас есть пьяный стрелок с двуствольным ружьем. Он случайным образом палит во все стороны. И понятно, что каждая пуля — независимо от того, из какого дула она вышла, — может попасть в любую сторону. Но поскольку стрелок одновременно выпускает две пули, то куда пошла одна пуля, туда же примерно пойдет и другая. Эти пули друг с другом более-менее связаны, и если я измерю координаты одной, то примерно смогу понять, куда попала другая.
Еще пример классической корреляции. У меня есть пара сапог из одной коробки. Я случайным образом кладу один в одну коробку, другой — в другую. Один отправляется коллеге на Марс, другой — на Венеру. Они получают их, открывают коробки и видят: «Ага, у меня сапог левый, значит, у него правый». И наоборот: «Ага, у меня правый, значит, у него левый!» То есть, измерив состояние сапога в своей коробке, они могут понять состояние сапога у коллеги на другой планете.
— Понятно. А что же такое неклассические корреляции, которые проявляются при перепутанности?
