[Перевод] Спросите Итана: можно ли использовать квантовую запутанность для отправки сообщений быстрее света?

Концепт японского солнечного паруса IKAROS у удалённой звёздной системы

Мы уже обсуждали проект Юрия Мильнера и Стивена Хокинга, Breakthrough Starshot, по отправке космического корабля к другой солнечной системе, находящейся в нашей галактике. И хотя гигантский массив лазеров в принципе может отправить лёгкие корабли размером с микрочип к другой звезде со скоростью в 20% от скорости света, непонятно, каким образом эти устройства, лишённые источников энергии, будут передавать нам сообщения через огромные пространства. Оливьер Мануэль считает, что нашёл выход:

Это смелое предположение, но нельзя ли использовать для передачи сообщений квантовую запутанность?

Стоит рассмотреть такую возможность. Давайте взглянем на эту идею.

Представьте, что у вас есть две монеты, каждая из которых может выпадать орлом или решкой. Одна у вас, другая у меня, и мы находимся очень далеко друг от друга. Мы подбрасываем их, ловим, и кладём на стол. Когда мы смотрим на монету, то ожидаем, что у каждого из нас есть шанс 50/50 открыть орла и 50/50 на решку. В обычной, незапутанной Вселенной, наши с вами результаты не будут зависеть друг от друга. Если вы получите орла, у меня всё равно остаётся шанс 50/50 на получение орла или решки. Но при особых обстоятельствах результаты могут оказаться запутанными, то есть, когда у вас выпадет орёл, вы на 100% сможете быть уверены в том, что у меня выпала решка – ещё до того, как я вам об этом сообщу. Вы будете знать это мгновенно, даже если между нами будут световые года.

Квантово-механический тест Белла для частиц с полуцелым спином

В квантовой физике запутываются не монеты, а отдельные частицы, электроны или фотоны, и тогда, к примеру, у каждого из фотонов спин может равняться +1 или -1. Если вы измеряете спин одного из них, вы сразу же можете узнать спин другого, даже если он находится на расстоянии в половину Вселенной. Пока вы не измерите спин этих частиц, они будут существовать в неопределённом состоянии; но когда вы измерите один, вы сразу же узнаете второй. На Земле мы проводили эксперимент, где два запутанных фотона были разделены на много километров, и мы измеряли их спины с промежутком меньше, чем несколько наносекунд. Мы обнаружили, что если один из них оказывался равен +1, мы знали, что другой равен -1 в 10 000 раз быстрее, чем скорость света позволила бы нам передать эту информацию.

Вернёмся к вопросу Оливьера: можно ли использовать эту запутанность для передачи сообщений от удалённой звёздной системы к нашей? В принципе, да, если измерение, выполненное в удалённой точке, принять за одну из форм коммуникации. Но говоря о сообщениях, вы, скорее всего, имеете в виду, что хотите узнать что-либо об удалённой точке. Вы можете, к примеру, держать частицу в неопределённом состоянии, отправить её к удалённой звезде, и поставить задачу поиска каменистой планеты в зоне обитаемости. Если система находит планету, то измерение заставляет частицу принять состояние +1, а если не находит – измерение придаёт частице состояние -1.

Поэтому, вроде бы получается, что частица на Земле, когда вы её измерите, будет либо в состоянии -1, что будет означать, что космический корабль нашёл каменистую планету в обитаемой зоне, либо в состоянии +1, что значит, что планеты там нет. Если вы знаете, что измерение произошло, вы должны иметь возможность провести своё измерение и сразу узнать состояние той частицы, находящейся, возможно, в многих световых годах от вас.

Волновая картина при прохождении электронов через две щели. Если измерять, через какую конкретно щель проходят электроны, картина квантовой интерференции нарушается.

Гениальный план, но у него есть проблема: запутанность работает, только если вы спросите у частицы: «в каком ты состоянии?». Если вы принудите запутанную частицу принять какое-либо состояние, вы нарушите запутанность, и измерение на Земле не будет зависеть от измерений у удалённой звезды. Если вы простои измерите состояние удалённой частицы, будь оно +1 или -1, тогда ваше измерение на Земле выдаст вам, соответственно, –1 или +1, и вы будете знать состояние удалённой звезды. Но если вы заставите удалённую частицу принять состояние +1 или -1, это будет означать, вне зависимости от результата, что ваша частица на Земле будет находиться в состоянии +1 или -1 с шансами 50/50.

Эксперимент со стиранием квантового состояния

Это одно из самых непонятных свойств квантовой физики: запутанность можно использовать для получения информации о компоненте системы, когда вам известно полное состояние, и вы измеряете состояние другой компоненты, но не для создания и передачи информации от одной части запутанной системы к другой. Хитрая идея, Оливьер, но коммуникаций со скоростью, превышающей световую, не бывает.

Эффект квантовой телепортации путают с путешествием быстрее света. На самом деле информация не передаётся быстрее, чем свет

Квантовая запутанность – удивительное свойство, и его можно использовать в разных целях, к примеру, в идеальной системе замок/ключ. Но коммуникации быстрее света? Чтобы понять, почему это невозможно, нужно понять ключевое свойство квантовой физики: принуждение части запутанной системы к переходу в некое состояние не позволяет вам получать информацию об этом состоянии, измеряя её оставшуюся часть. Как гласит известное высказывание Нильса Бора:

Если квантовая механика вас ещё не шокировала, вы её просто ещё не поняли.

Вселенная постоянно играет с нами в кости, к великому огорчению Эйнштейна. Но природа расстраивает даже наши лучшие попытки сжульничать в этой игре. Если бы только все судьи с арбитрами были так же строги, как законы квантовой физики!