fbpx

Каталог статей

Каталог статей для размещения статей информационного характера

Технології

Квантовий трюк нівелює каузальність

Альберт Ейнштейн відправляється на свою щоденну прогулянку і проходить дві пари дверей. Спочатку зелені, а потім червоні. Чи, може, спочатку червоні, а потім зелені? Події ж відбуваються в послідовності, хіба немає, запитує Філіп Болл у статті для излания Nature.
Тільки не в тому випадку, якби Ейнштейн рухався на одному з фотонів в лабораторії фізика Філіпа Вальтера з Віденського університету. Група Вальтера довела, що неможливо показати, в якій послідовності фотони проходять крізь сенсори. Справа не в тому, що ця інформація недоступна. Її просто немає. В експериментах Вальтера не існує такого звичного для нас поняття, як послідовність подій. Це те ж саме, якби хтось «вимкнув» час.
З точки зору щоденного досвіду це здається абсурдним, але в квантової теорії двозначність щодо причинно-наслідкових зв’язків постає як цілком логічний і послідовний висновок з її постулатів. Можливість створювати і управляти квантовими системами, в яких не існує причинно-наслідкових зв’язків, відкриває перед ученими неймовірні шанси.
«Квантовий комп’ютер, позбавлений детерміністських обмежень, міг би виробляти обчислення набагато швидше», – говорить фізик-теоретик з Університету Гонконгу Джуліо Кирибелла.
Втім, теорія навіть ще важливіше.
Оскільки причинність – це те, як об’єкти взаємодіють у часі і просторі, то її можна розглядати як основна ланка, що розділяє дві фундаментальні теорії – квантову механіку і теорію відносності, які ґрунтуються саме на різних уявленнях про час і простір, – стверджує фізик-теоретик з Інституту квантової оптики та квантової інформації при Віденському університеті Чеслав Брукнер.
Ще в 1930-ті саме причинність стала каменем спотикання між Альбертом Ейнштейном і теоретиками квантової механіки Нільсом Бором і Вернером Гайзенбергом. Так звана «Копенгагенська інтерпретація», розроблена Бором і Гайзенбергом, постулює принцип невизначеності квантових систем, які набувають певного значення тільки в момент вимірювання. Не існує жодної об’єктивної причини, по якій можна було б пояснити результат вимірювання. Але в 1935 р. Ейнштейн і його колеги Борис Подільський Натан Розен описали уявний експеримент, який призводить інтерпретацію Бора-Гайзенберга до, здавалося б, неможливого висновку.
Уявіть собі дві частинки А і Б, які пов’язані так званим змішаною станом. Тобто якщо змінюються параметри однієї частинки, автоматично змінюються параметри іншого незалежно від відстані, яка їх розділяє (друге контрінтуїтивне властивість квантового світу). Наприклад, якщо А спін спрямований вгору, то спін Б вниз, і навпаки. Згідно «Копенгагенської інтерпретацією», вимір не просто показує нам властивість частки, але і, власне, фіксує її в цю властивість для спостерігача. Як наслідок, вимірювання спина А автоматично фіксує спін Б. Однак це означає взаємодію між ними, яке відбувається швидше, ніж швидкість світла. А це заперечує теорія відносності. Ейнштейн був переконаний, що це спростовує «Копенгагенську інтерпретацію», а елементарні частинки мають заздалегідь визначені властивості ще перед тим, як їх хто-небудь виміряє.
Втім, вимірювання заплутаних часток доводять, що кореляцію між їхніми спинами неможливо пояснити на основі попередніх властивостей, а ці кореляції не суперечать теорії відносності в тому сенсі, що їх не можна використовувати для комунікації між частинками зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Справа в тому, що цю кореляцію неможливо пояснити причинно-слідчим способом.
Хоча «Копенгагенська інтерпретація» все ще зберігає тимчасову логіку: вимірювання не може вплинути на частку ще перед тим, як воно зроблено. Подія А має відбутися раніше, щоб вплинути на подію Б. Але протягом останнього десятиліття вчені довели, що і ця логіка зникає. Адже тепер існує можливість поставити експеримент, в якому взагалі неможливо сказати, яке з двох подій передує іншому.
Інтуїтивно це здається неможливим. Ми можемо не знати, яке з двох подій А і Б – відбулося раніше, але нам достеменно відомо, що будь-таки відбулося. Квантова невизначеність, однак, пов’язана не з браком знань, а з фундаментальним забороною на артикуляцію будь-якого «істинного стану» системи до моменту вимірювання.
Команди Філіпа Вальтера у Відні і Джуліо Кирибелли в Гонконзі поставили собі за мету поставити експеримент, в якому дві події – А і Б – пов’язані між собою зв’язком, але таким чином, щоб неможливо було сказати, А передувало багато часу й зумовила Б, або навпаки. Тобто передача інформації між ними відбувається не причинно-слідчим способом.
Для цього вчені використовували принцип квантової суперпозиції, який означає поєднання декількох квантових станів. В експерименті Ейнштейна-Подільського-Розена спін частинки до моменту вимірювання знаходиться в суперпозиції станів «вгору» і «вниз», а квантові біти – кубіти – мають суперпозицію станів з 1 і 0. Вальтер і Кирибелла поширили суперпозицію на причинно-наслідкові відносини. Якщо частинка спочатку проходить крізь сенсор А, потім Б, то вимір її властивостей першим сенсором впливає на її стан у другому. У 2009 р. Кирибелла провів експеримент, в якому використав кубіт як перемикач, який контролює причинно-наслідковий логіку подій. Коли кубіт знаходиться в значенні 0, пов’язана з ним частинка проходить спочатку крізь сенсор А, а згодом сенсор Б. Якщо квантовий біт приймає значення 1, то послідовність проходження сенсорів змінюється на Б–А. Але якщо кубіт знаходиться в суперпозиції двох станів, то зв’язана з ним частка втрачає причинно-наслідковий послідовність проходження сенсорів. Тобто ми «не знаємо», вона пройшла спочатку крізь А, потім Б, або навпаки. Але це «не знаємо» в даному випадку означає не те, що цієї інформації у нас немає, а те, що її немає взагалі в природі.
Проте експериментально продемонструвати каузальную невизначеність виявилося недостатньо для дослідників. Вони вирішили піти далі і довести, що вона залишається навіть тоді, коли спостерігач проводить вимірювання. На перший погляд здається, що це неможливо, адже вимір руйнує суперпозицію і змушує систему придбати певного значення. Але вчені недавно почали усвідомлювати, що у випадку з квантовою системою важливо не те, що ми з нею робимо, а те, що ми про неї знаємо. У минулому році Філіп Вальтер винайшов спосіб, як виміряти властивості фотона при проходженні їм датчика, яке не змінювало б негайно нашого знання про нього. Результати вимірювання закодували в сам фотон, а під час його проходження крізь сенсор їх відразу не прочитали. Оскільки фотон пройшов крізь декілька сенсорів, отримана в ході вимірювання інформація нічого не повідомила про їх послідовність. Це те ж саме, що попросити людину зафіксувати, як він почував себе під час подорожі по різних містах, і попросити розповісти цю інформацію пізніше, – так ви дізнаєтеся, що в одному місті він відчував себе добре, а в іншому погано, проте не дізнаєтеся, в якому з них вона побувала спочатку, – пояснює дослідник.
У минулому році вчені довели, що використання протоколів з причинно-наслідкового суперпозицією в квантових комп’ютерах дає експоненційний приріст потужності. Причому створення такої мережної архітектури не є неймовірно складним: принцип її дії грунтується на тих же квантових перемикачах, які використовував у своєму експерименті Філіп Вальтер.
Але теорія є навіть більшою метою цих експериментів. Адже квантова причинність може стати путівником до вирішення однієї з найскладніших проблем у фізиці, а саме проблеми природи квантових взаємодій. Адже квантова теорія виглядає дещо ad hoc. Рівняння Шредінгера дозволяє передбачити результати експериментів, але фізика, що лежить в їх основі, залишається незрозумілою. «Каузальные моделі створюють нові можливості для відповідей на ці питання, – каже Катя Рід, фізик з Університету Інсбрука. – Якщо квантова теорія – це теорія того, як природа обробляє інформацію, то питання про те, якими способами події впливають один на одного, може відкрити правила обробки». А той факт, що каузальна логіка відіграє центральну роль у теорії відносності, за її словами, мотивує нас на дослідження шляхів, коли гравітація може вести себе в квантовий спосіб.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *