Запутанность в квантовом споре Шрёдингера
Для Шрёдингера запутанность была не названием будущей технологии, а указанием на место, где классическая привычка делить мир на самостоятельные части перестаёт работать.
Содержание статьи
Слово для неудобного свойства
В статье 1935 года Шрёдингер обсуждал то, что назвал entanglement of knowledge — запутанностью знания о системе. Формулировка может показаться старомодной, но предмет вполне современный: полное описание пары квантовых объектов иногда нельзя разложить на два независимых полных описания, по одному для каждой части.
Классическая интуиция устроена иначе. Если известны положение и скорость двух бильярдных шаров, можно выписать сведения о первом шаре и сведения о втором, а затем положить эти две карточки рядом. Даже если шары прежде столкнулись, после удара у каждого сохраняется собственный набор величин. Связь между ними остаётся в общей истории и в законах сохранения, но не обязана отменять отдельное описание.
В квантовой механике после взаимодействия двух систем возможна другая ситуация. Их общее состояние описывается корректно, а состояние каждой части по отдельности не является таким же полным самостоятельным портретом. Математически общее состояние нельзя представить произведением состояния первой системы на состояние второй. Именно отсутствие такого разложения Шрёдингер выделил как существенное.
Что создаёт общее состояние
Пусть две системы первоначально описываются раздельно и затем взаимодействуют. После взаимодействия результат может связать возможные значения их свойств: не «у первой уже лежит готовый ответ, у второй — другой готовый ответ», а единое состояние с согласованными альтернативами. Оно относится к паре целиком, словно физика на время отказалась заполнять две отдельные анкеты.
Полезен учебный образ с двумя объектами, для которых измерение одного из двух возможных свойств даёт противоположные результаты. Если обнаружен один результат у первой части, результат второй оказывается строго связан с ним. Но образ не должен подменять содержание: до измерения нельзя без дополнительных допущений считать, что обе части просто хранили в карманах заранее напечатанные карточки ответов.
После пространственного разлёта частей связь не исчезает лишь потому, что между ними выросло расстояние. В совместном описании сохраняются корреляции, возникшие при взаимодействии. Здесь легко соблазниться фразой «одна частица мгновенно сообщает другой новость». Шрёдингерова постановка говорит осторожнее: необычным является устройство общего состояния и статистика связанных результатов.
Прибор тоже входит в задачу
Шрёдингер применял эту линию рассуждений не только к паре маленьких объектов. Объект и измерительный прибор также можно рассматривать как одну физическую систему. При взаимодействии они становятся связанными: различным возможным состояниям объекта соответствуют различные положения стрелки, отметки на пластинке или иные состояния аппарата.
Такой ход важен для спора об измерении. Нельзя просто объявить прибор классическим по должности, а затем использовать его как нейтральную границу без объяснения. Если прибор состоит из материи и взаимодействует с объектом, квантовое описание допускает для пары общее состояние. Переход к одному наблюдаемому показанию требует отдельного истолкования.
В этом смысле запутанность у Шрёдингера — часть критики ограниченности классической модели. Классическая схема любит представлять целое как сумму вещей с уже определёнными локальными свойствами. Квантовая схема иногда требует начать с целого, а свойства частей обсуждать через возможные измерения и связи результатов.
Без телеграфа быстрее света
Корреляция между удалёнными результатами не даёт оператору кнопки для посылки управляемого сообщения быстрее света. Результат отдельного измерения не выбирается произвольно как буква в телеграмме. Лишь когда данные из двух мест сопоставлены обычным способом, становится видна закономерность совместной статистики.
Поэтому было бы неверно вручать Шрёдингеру готовые квантовые компьютеры, криптографию и весь словарь позднейшей квантовой информации. Эти области разработали последующие поколения, добавив новые задачи, эксперименты и формальные методы. В 1935 году речь шла прежде всего о том, что квантовая теория делает с идеей самостоятельной части системы.
Сила термина оказалась в его точности. Он не обещает мистической связи и не отменяет расстояние, зато напоминает: два объекта могут быть физически раздельны, а описание их состояния всё ещё не делится без остатка. Для классического здравого смысла это плохая новость; для квантовой механики — один из её самых характерных фактов.