Нобелевская премия 2022: квантовая запутанность простыми словами

Спор Эйнштейна и Бора

Квантовая механика говорит, что у частицы до измерения часто нет определённого значения некоторых свойств, есть только вероятности. Нильс Бор и его сторонники принимали это как устройство природы. Эйнштейн не соглашался: «Бог не играет в кости».

В 1935 году Эйнштейн с коллегами Подольским и Розеном описал мысленный опыт. Пусть две частицы родились вместе так, что их свойства связаны. Квантовая механика говорит: если измерить одну, вторая мгновенно «узнаёт» результат, как бы далеко она ни была. Эйнштейн считал это абсурдом и назвал «жутким действием на расстоянии». По его мнению, у частиц с самого начала были скрытые от нас готовые ответы, а квантовая механика просто неполная.

Перчатки или нечто странное

Версия Эйнштейна похожа на перчатки. Положим левую и правую перчатку в две коробки и отправим одну в Москву, другую во Владивосток. Открыв коробку в Москве и увидев левую, мы сразу знаем, что во Владивостоке правая. Ничего странного: ответ был с самого начала.

Квантовая механика говорит, что с частицами всё иначе: до открытия коробок «левой» и «правой» нет вовсе, результат возникает при измерении, но всегда согласованно. Долго казалось, что отличить эти две картины опытом нельзя. Как узнать, был ли ответ готов, если увидеть его можно только открыв коробку?

Хитрость Белла

В 1964 году ирландский физик Джон Белл нашёл способ. Если измерять частицы не одним способом, а несколькими, выбирая способ случайно, то в мире «перчаток» совпадения результатов не могут превысить определённую границу. Это неравенство Белла. А квантовая механика предсказывает, что граница будет нарушена.

Значит, достаточно поставить опыт и посчитать совпадения. Если граница нарушена, Эйнштейн был неправ: готовых ответов у частиц нет.

Три опыта

Каждый следующий опыт закрывал возможные лазейки, через которые сторонник «перчаток» мог бы объяснить результат. В 2015 году несколько групп провели опыты без существенных лазеек. Природа оказалась квантовой.

Телепортация и квантовая связь

Слово «телепортация» звучит как фантастика, но людей так не переносят. Переносится квантовое состояние: свойства одной частицы с помощью запутанности передаются другой, а исходная их теряет. Для этого всё равно нужен обычный канал связи, поэтому быстрее света ничего не передаётся.

На запутанности строят квантовую криптографию. Если кто-то подслушивает канал с запутанными частицами, он неизбежно нарушает их состояние, и это сразу видно. В 2017 году с помощью спутника провели сеанс видеосвязи между Китаем и Австрией, защищённый квантовым ключом. Его организовали ученик Цайлингера Пань Цзяньвэй и сам Цайлингер.

Запутанность нужна и квантовым компьютерам: именно она позволяет кубитам работать вместе.

Частые вопросы