Квантовая магия - Сергей Доронин

По большому счету, все взаимодействия являются «эффектом декогеренции». Более того, согласно теории декогеренции, весь классический мир — это «эффект декогеренции». Данный момент подчеркивается, например, в самом названии книги по теории декогеренции: E. Joos, H. D. Zeh, C. Kiefer, D. Giulini, J. Kupsch, and I. O. Stamatescu «Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory» (Springer, Heidelberg, 2003). Ссылка на эту работу идет первой в списке литературы статьи в Nature, о которой упоминалось выше. Это серьезный источник, и авторы — известные ученые.

На сайте первого автора этой книги — E. Joos-а http://www.decoherence.de — можно прочитать следующие утверждения (выделения сохранены).

«Декогеренция…

— объясняет, почему кажется, что макроскопические системы обладают привычными классическими свойствами;

— объясняет, почему некоторые объекты кажутся нам локализованными в пространстве;

— объясняет, почему появились ранее противоречивые уровни описания в физике (классический и квантовый).

— Никаких дополнительных классических концепций не требуется для самодостаточного квантового описания.

— Не существует никаких частиц.

— Не существует никакого времени на фундаментальном уровне.

— Существует всего лишь ОДИН основной каркас для всех физических теорий: квантовая теория».

Все эти выводы сделаны не на пустом месте. Они отражают и обобщают результаты многолетних научных исследований тысяч и тысяч ученых, подтвержденные многочисленными экспериментами. В последнее время в научных журналах ежегодно публикуется огромное количество экспериментальных и теоретических статей по декогеренции и квантовой запутанности. Подчеркну, что речь идет о стандартной квантовой теории, а не о различных новомодных «интерпретациях» квантовой механики. Теория декогеренции, квантовая теория информации, теория запутанных (несепарабельных) состояний — все это прикладные разделы стандартной квантовой теории, и на их основе разрабатываются технические устройства, основным рабочим ресурсом которых являются запутанные состояния.

Процессы декогеренции, наличие квантовой запутанности, возможность целенаправленно ее изменять — все это факты, которые сегодня нельзя игнорировать. Все это уже работает в технических устройствах.

Таким образом, во многом благодаря практическим нуждам, важнейшие фундаментальные физические процессы, происходящие в реальности, которые наука раньше не рассматривала, вошли в сферу внимания научного сообщества и стали объектом тщательного (как теоретического, так и экспериментального) исследования. Пришло понимание того, что мера квантовой запутанности системы, ее динамика и физические процессы, ведущие к усилению или уменьшению квантовой запутанности, — это основополагающие характеристики системы. А фундаментальность новых (для науки) физических процессов обусловлена тем, что они являются неотъемлемым свойством любого элемента реальности.

Ориентируясь на потребности общества в новых перспективных технологиях, наука была вынуждена сделать психологически трудный для нее шаг. Ей пришлось перейти от привычной полуклассической копенгагенской интерпретации квантовой механики, подразумевающей обязательное наличие классического наблюдателя (измерительного прибора), к чисто квантовому подходу, в котором уже не осталось места классическому «пережитку». И это был поистине революционный шаг.

В результате квантовый подход к описанию окружающей реальности стал самодостаточной согласованной теорией, построенной из единых общих принципов, логично включающей в себя классическую физику как частный случай квантового описания.

Другое дело, что при осмыслении квантовой запутанности и процессов декогеренции, при попытке увязать их с нашим мировоззрением и пониманием окружающей реальности возникает множество вопросов. Тут может быть очень широкий диапазон различных мнений и точек зрения.

Таким образом, от теоретических основ квантового компьютера мы постепенно подошли к фундаментальным вопросам естествознания, к тем существенным изменениям в научной картине мира, которые следуют из последних достижений современной теоретической физики.

1.4. Нелокальный источник реальности

Для начала давайте сформулируем основной вопрос, который мы хотим прояснить. Как известно, правильно поставленный вопрос — более половины ответа. Попробуем спросить:«Действительно ли окружающий нас мир состоит из обособленных твердых объектов?» Действительно ли мир ограничивается материей и различными физическими полями, которые мы можем воспринимать непосредственно или с помощью классических приборов, и кроме этого ничего не существует? Или все, что мы видим вокруг себя, — лишь незначительная часть более сложной совокупной реальности? На первый взгляд, вопрос может показаться абстрактным, «нефизичным», не имеющим однозначного ответа со стороны физики, которая бы подтверждала свои выводы экспериментами. Такие эксперименты проводились и проводятся, и мы еще будем о них говорить более подробно, и есть однозначные выводы, хотя не все готовы их принять. Но пока не будем торопиться и начнем издалека.

Практически каждый из нас что-то слышал о волнах де Бройля, о дуализме волна-частица. Тот, кто знаком с квантовой теорией, может вспомнить, что поля и частицы — это не разные объекты, а разные способы описания одного и того же объекта. Для микромира давно решен вопрос и о том, что мы будем наблюдать в эксперименте — волну или частицу. Решение это очень поучительное. Оказывается, все зависит от наблюдателя. Если он захочет увидеть исследуемый объект в виде частицы, то возьмет нужный измерительный прибор — и увидит ее вполне твердой «на ощупь», а пожелает увидеть распределенным в пространстве (волну), возьмет другой прибор, и вся твердость куда-то исчезнет (частица проходит через две щели одновременно). Прибор играет роль своеобразного фильтра восприятия, отбирая и показывая нам лишь один из возможных способов описания материи. Как говорил Луи де Бройль[18], «этот прибор как раз и извлекает из состояния, которое существовало до измерения, одну из содержащихся в нем возможностей».

Квантовая механика первой поставила под сомнение, казалось бы, очевидную предметность нашего мира и осознала, что немаловажная роль в процессе «опредмечивания» окружающей действительности принадлежит измерительному прибору и наблюдателю. До недавнего времени считалось, что такое необычное поведение материи характерно только для микрочастиц. Но классики уже в момент становления квантовой механики прекрасно понимали, какое огромное значение имеют эти выводы для общей картины окружающего мира, и что они выходят далеко за рамки микромира. Например, В. Гейзенберг[19], рассуждая на эту тему, говорил: «Идея реальности материи, вероятно, являлась самой сильной стороной жесткой системы понятий XIX века; эта идея в связи с новым опытом должна быть, по меньшей мере, модифицирована». Однако недостаток научных данных в то время позволял ученым лишь философствовать на эту тему.

Лишь в последние годы результаты, полученные теорией запутанных состояний и декогеренции, смогли пролить свет на ситуацию в макромире. Как уже упоминалось, одним из первых «пал» постулат редукции волновой функции, и был сделан вывод, что все составные части Вселенной, как замкнутой системы, должны находиться в когерентном запутанном состоянии. Окружающий мир оказался намного сложнее так хорошо всем знакомой картины реальности.

Дело в том, что одна из основных особенностей запутанных состояний — это их несепарабельность. То есть объекты, находящиеся в запутанном состоянии с окружением, в принципе не могут быть полностью описаны в предметном мире. Они не принадлежат целиком и полностью привычному для нас пространству-времени и могут не подчиняться причинно-следственным связям. В своем обычном режиме восприятия мы способны видеть лишь проекции этих состояний, и их поведение может противоречить всем известным законам предметного мира.

Вот одна из близких аналогий. При просмотре какого-либо художественного фильма многие из нас прекрасно понимают, что если на экране мы видим «чудо», то оно объясняется действиями, которые происходят «за кадром». Специалист способен даже определить последовательность этих действий. Современная теоретическая физика доказывает, что аналогичная ситуация происходит и в фильме под названием «Предметная жизнь физических тел».