«Жуткое действие на расстоянии» распространяется со скоростью на четыре порядка выше скорости света
Китайские учёные установили, что при изменении состояния одной из двух квантово сцепленных частиц, сигнал об этом достигает второй частицы со скоростью, как минимум на четыре порядка быстрее скорости света в вакууме.
Квантовая сцепленность — одно из наиболее загадочных явлений, с которым сталкиваются те, кто изучает законы микромира. Оно настолько необычно, что даже Эйнштейн не верил в его существование и в одном из писем, адресованных датскому физику Максу Борну, назвал связь, существующую между сцепленными частицами, «жутким действием на расстоянии» (нем. spukhafte Fernwirkung).
Что же так поразило великого учёного? Дело в том, что как уже тогда было известно, ни один объект во Вселенной не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, никакая информация не может быть передана с такой скоростью. Этот экспериментальный факт лежит в основе созданной, в том числе усилиями Эйнштейна, Специальной теории относительности и не подлежит сомнению.
Однако в мире атомов всё оказалось несколько сложнее. Для его описания была создана квантовая механика, которая, в частности, утверждает, что каждая частица обладает не только свойствами частицы, но и свойствами волны. Что это означает на практике?
На практике это означает, что каждая частица, например, электрон или фотон, как бы «чувствует» всё окружающее пространство. Нельзя указать, в какой именно точке пространства частица находится в данный момент. Будучи испущенной, частица «расплывается» подобно волнам на воде. Однако если вы захотите частицу «поймать», например, определив её положение специальными детекторами, то вся эта волна мгновенно «схлопнется» в одной точке.
Это кажется противоречащим факту невозможности распространения информации со скоростью больше скорости света. Особо ярко это проявляется в виде так называемого парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Этот мысленный парадокс, сформулированный ещё в 1935 году, выдвигался как аргумент против полноты постулатов квантовой механики.
ЭПР-парадокс имеет дело с двумя частицами, например, фотонами, находящимися в так называемом квантово сцепленном состоянии. Такое состояние можно получить, например, путём одновременного испускания источником двух фотонов с противоположными поляризациями — правой и левой. Дело в том, что в этом случае два фотона являются совершенно идентичными, неся в себя одновременно и правую, и левую поляризации, и только в момент измерения фотоны получают вполне определённую поляризацию — и всегда противоположную друг другу. То есть если вы измерили поляризацию одного из двух связанных фотонов, и она оказалась правой, то у другого при измерении наверняка будет левой. При этом невозможно заранее предсказать, какая поляризация будет у какого фотона.
Суть парадокса заключается в том, что если эти два фотона направить по двум различным каналам и разнести в пространстве на большое расстояние, то при измерении поляризации одного из фотонов, информация о факте измерения до другого фотона не может дойти мгновенно, поскольку это противоречило бы, как полагал Эйнштейн, невозможности превысить скорость света. Квантовая механика же утверждает, что состояние второго фотона должно в этом случае измениться мгновенно, иначе возможна ситуация, когда оба фотона после измерения окажутся с одинаковой поляризацией.
Спор вокруг ЭПР-парадокса длился много лет, и до сих пор иногда возобновляется, однако было найдено его решение. Дело в том, что, хотя состояние второго фотона и меняется мгновенно, никакой информации таким образом передать невозможно. Процесс измерения поляризации совершенно случаен и закодировать с его помощью послание невозможно. Таким образом, формально такое дальнодействие не нарушает принципов теории относительности.
Однако вопрос о фактической скорости распространения информации об изменении состояния от одной сцепленной частицы до другой оставался. Экспериментально определить эту скорость не так-то просто. Помимо того, что необходимо создать сцепленную пару фотонов, их ещё необходимо разнести на достаточно большое расстояние, не разрушив эту сцепленность, а также провести синхронизацию двух процессов измерения с высочайшей точностью.
Эта задача и была решена учёными из Китайского университета науки и технологий. Им удалось разнести фотоны на расстояние около 15 км и измерить их одновременно с задержкой не более 100 наносекунд (в 1 секунде миллиард наносекунд). Никаких отклонений от законов квантовой механики при этом выявлено не было, и таким образом они показали, что скорость распространения информации об изменении состояния частиц как минимум на четыре порядка — то есть в 10 000 раз — выше скорости света.
Это, кстати, не первое достижение этой группы учёных. Меньше года назад ими же был установлен новый рекорд по дальности разнесения сцепленных фотонов — более 100 км (я упоминал об этом в своём посте, посвящённому развенчиванию мифов, связанных с квантовой телепортацией).
Эксперименты со сцепленными фотонами в последние годы представляют повышенный интерес не только по причине загадочности самого явления, но и потому, что обещают стать основой для создания каналов связи с повышенной защитой от перехвата. Поскольку процесс измерения поляризации фотонов совершенно случаен, то даже если такие фотоны будут перехвачены, злоумышленнику не удастся извлечь из них какие-либо полезные сведения. Кроме того, проводя специальные измерения, приёмник и передатчик могут определить, перехватывал ли кто-нибудь посланные фотоны или нет.
Источник: Chinese Physicists Measure Speed of «Spooky Action At a Distance» | MIT Technology Review
