Альберт Ейнштейн прямує на свою щоденну прогулянку і проходить дві пари дверей. Спочатку зелені, а згодом червоні. Чи, може, спершу червоні, а згодом зелені? Події ж відбуваються в послідовності, хіба ні?
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. Річ 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 саме, якби хтось «вимкнув» час.
Із погляду щоденного досвіду це здається абсурдним, але в квантовій теорії двозначність щодо причинно-наслідкових зв'язків постає як цілком логічний і послідовний висновок з її постулатів. Можливість створювати і керувати квантовими системами, в яких не існує причинно-наслідкових зв’язків, відкриває перед вченими неймовірні шанси. «Квантовий комп’ютер, позбавлений детерміністських обмежень, міг би проводити обчислення набагато швидше», – каже фізик-теоретик з Університету Гонконга Джуліо Кірібелла. Утім, теорія навіть іще важливіша.
Оскільки причинність – це те, як об'єкти взаємодіють в часі і просторі, то її можна розглядати як основну ланку, 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 і квантової інформації при Віденському університеті Чеслав Брукнер.
Ще у 1930-ті саме причинність стала каменем спотикання між Альбертом Ейнштейном і теоретиками квантової механіки Нільсом Бором та Вернером Гайзенбергом. Так звана «Копенгагенська інтерпретація», розроблена Бором і Гайзенбергом, постулює принцип невизначеності квантових систем, які набувають певного значення лише в момент вимірювання. Не існує жодної об’єктивної причини, якою можна було б пояснити результат вимірювання. Але в 1935 р. Ейнштейн та його колеги Борис Подольський та Натан Розен описали розумовий експеримент, який приводить інтерпретацію Бора-Гайзенберга до, здавалось би, неможливого висновку.
Уявіть собі дві частинки А і Б, які пов’язані так званим сплутаним станом. Тобто якщо змінюються параметри однієї частинки, автоматично змінюються параметри іншої незалежно від відстані, яка їх розділяє (інша контрінтуїтивна властивість квантового світу). Наприклад, якщо спін А спрямований угору, то спін Б вниз, і навпаки. Згідно з «Копенгагенською інтерпретацією», вимірювання не просто показує нам властивість частинки, а й, власне, фіксує її у цій властивості для спостерігача. Як наслідок, вимірювання спіну А автоматично фіксує спін Б. Однак це означає взаємодію між ними, яка відбувається швидше, ніж швидкість світла. А це заперечує теорія відносності. Ейнштейн був переконаний, що це спростовує «Копенгагенську інтерпретацію», а елементарні частинки мають наперед визначені властивості ще перед тим, як їх хто-небудь виміряє.
Утім, вимірювання сплутаних частинок доводять, що кореляцію між їхніми спінами неможливо пояснити на основі попередніх властивостей, а ці кореляції не суперечать теорії відносності в тому сенсі, що їх не можна використати для комунікації між частинками зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Річ у тім, що цю кореляцію неможливо пояснити причинно-наслідковим способом.
Хоча «Копенгагенська інтерпретація» все ще зберігає часову логіку: вимірювання не може вплинути на частинку ще перед тим, як воно зроблене. Подія А повинна 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, яка з двох подій передує іншій.
Інтуїтивно це здається неможливим. Ми можемо не знати, яка з двох подій – А і Б – відбулася раніше, але нам достеменно відомо, що якась таки відбулася. Квантова невизначеність, однак, пов’язана не з нестачею знань, а з фундаментальною забороною на артикуляцію будь-якого «справжнього стану» системи до моменту вимірювання.
Команди Філіпа Вальтера у Відні та Джуліо Кірібелли у Гонконзі поставили собі за мету поставити експеримент, в якому дві події – А і Б – пов’язані між собою зв’язком, але у такий спосіб, щоб неможливо було сказати, чи А передувала в часі і зумовила Б, чи навпаки. Тобто передача інформації між ними відбувається не причинно-наслідковим способом.
Для цього вчені використали принцип квантової суперпозиції, який означає поєднання кількох квантових станів. В експерименті Ейнштейна-Подольського-Розена спін частинки до моменту вимірювання перебуває в суперпозиції станів «вверх» і «вниз», а квантові біти – кубіти – мають суперпозицію зі станів 1 і 0. Вальтер та Кірібелла поширили суперпозицію на причинно-наслідкові відношення. Якщо частинка спершу проходить крізь сенсор А, а згодом Б, то вимірювання її властивостей першим сенсором впливає на її стан у другому. У 2009 р. Кірібелла провів експеримент, в якому використав кубіт як перемикач, який контролює причинно-наслідкову логіку подій. Коли кубіт перебуває у значенні 0, пов’язана з ним частинка проходить спершу крізь сенсор А, а згодом сенсор Б. Якщо кубіт набуває значення 1, то послідовність проходження сенсорів змінюється на Б–А. Але якщо кубіт перебуває у суперпозиції з двох станів, то пов’язана з ним частинка втрачає причинно-наслідкову послідовність проходження сенсорів. Тобто ми «не знаємо», чи вона пройшла спершу крізь А, а згодом Б, чи навпаки. Але це «не знаємо» в цьому випадку означає не те, що цієї інформації у нас немає, а те, що її немає взагалі в природі.
Однак експериментально продемонструвати каузальну невизначеність виявилось замало 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 вимірювання руйнує суперпозицію і змушує систему набути певного значення. Але вчені нещодавно почали усвідомлювати, що у випадку з квантовою системою важливо не те, що ми з нею робимо, а те, що ми про неї знаємо. Минулого року Філіп Вальтер винайшов спосіб, як виміряти властивості фотона під час проходження ним сенсора, яке не змінювало б негайно нашого знання про нього. Результати вимірювання закодували у сам фотон, а під час його проходження крізь сенсор їх відразу не прочитали. Оскільки фотон пройшов крізь кілька сенсорів, отримана під час вимірювання інформація нічого не повідомила про їхню послідовність. Це те саме, що попросити людину зафіксувати, як вона почувалася під час мандрівки різними містами, і попросити розказати цю інформацію пізніше, – так ви довідаєтесь, що в одному місті вона почувалась добре, а в іншому погано, проте не дізнаєтесь, в якому з них вона побувала спершу, – пояснює дослідник.
Минулого року вчені довели, що використання протоколів із причинно-наслідковою суперпозицією у квантових комп’ютерах дає експоненційний приріст потужності. Причому створення такої мережевої архітектури не є неймовірно складним: принцип її дії ґрунтується на тих самих квантових перемикачах, які використовував у своєму експерименті Філіп Вальтер.
Але теорія є навіть більшою ціллю цих експериментів. Адже квантова причинність може стати дороговказом до вирішення однієї із 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 їхній основі, залишається незрозумілою. «Каузальні моделі створюють нові можливості для відповідей на ці запитання, – каже Катя Рід, фізик з Університету Інсбрука. – Якщо квантова теорія – це теорія того, як природа опрацьовує інформацію, то запитання про те, якими способами події впливають одна на одну, може відкрити правила цього опрацювання». А той факт, що каузальна логіка відіграє центральну роль в теорії відносності, за її словами, мотивує нас на дослідження шляхів, коли гравітація може поводитися у квантовий спосіб.
Philip Ball
How quantum trickery can scramble cause and effect
Nature, 28/06/2017
Зреферував Євген Ланюк
05.07.2017