Пролили свет на одну из загадок квантовой механики
В 2025 году исполняется 100 лет со дня рождения квантовой механики. За столетие, прошедшее с момента основания этой области, ученые и инженеры использовали квантовую механику для создания таких технологий, как лазеры, МРТ-сканеры и компьютерные чипы.
Сегодня исследователи стремятся к созданию квантовых компьютеров и способов безопасной передачи информации, используя совершенно новую смежную область, называемую квантовой информатикой.
Но, несмотря на создание всех этих прорывных технологий, физики и философы, изучающие квантовую механику, до сих пор не нашли ответов на некоторые важные вопросы, поднятые основателями этой области. Учитывая последние достижения в области квантовой информатики, исследователи, подобные мне, используют квантовую теорию информации, чтобы по-новому взглянуть на эти фундаментальные вопросы, на которые пока нет ответов. И одно из направлений, которое мы изучаем, связано с принципом относительности Альберта Эйнштейна и кубитом.
Квантовые компьютеры
Квантовая информатика фокусируется на создании квантовых компьютеров, основанных на квантовом "бите" информации, или кубите. Кубит исторически основан на открытиях физиков Макса Планка и Эйнштейна. Они положили начало развитию квантовой механики в 1900 и 1905 годах, соответственно, когда обнаружили, что свет существует в виде дискретных, или "квантовых", пучков энергии.
Эти кванты энергии также содержатся в небольших формах материи, таких как атомы и электроны, из которых состоит все во Вселенной. Именно необычные свойства этих крошечных частиц материи и энергии обеспечивают вычислительные преимущества кубита.
Компьютер, основанный на квантовом бите, а не на классическом бите, мог бы получить значительное вычислительное преимущество. И это потому, что классический бит выдает двоичный ответ — либо 1, либо 0 — только на один запрос.
В отличие от этого, кубит выдает двоичный ответ на бесконечно большое количество запросов, используя свойство квантовой суперпозиции. Это свойство позволяет исследователям соединять несколько кубитов в так называемом квантово-запутанном состоянии. Здесь запутанные кубиты действуют сообща так, как не могут действовать массивы классических битов.
Это означает, что квантовый компьютер может выполнять некоторые вычисления намного быстрее, чем обычный компьютер. Например, сообщается, что одно устройство использовало 76 запутанных кубитов для решения задачи выборки в 100 триллионов раз быстрее, чем классический компьютер.
Но какая именно сила или принцип природы ответственна за это квантовое запутанное состояние, лежащее в основе квантовых вычислений, остается большим вопросом без ответа. Решение, предложенное моими коллегами и мной в области квантовой теории информации, связано с принципом относительности Эйнштейна.
Квантовая теория информации
Принцип относительности гласит, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей, независимо от того, где они находятся в пространстве, как они ориентированы или как они движутся относительно друг друга. Моя команда показала, как использовать принцип относительности в сочетании с принципами квантовой теории информации для объяснения квантово-запутанных частиц.
Сторонники теории квантовой информации, такие как я, рассматривают квантовую механику как теорию информационных принципов, а не как теорию взаимодействий. Это сильно отличается от типичного подхода к квантовой физике, в котором сила и энергия являются важными понятиями для выполнения вычислений. Напротив, специалистам по теории квантовой информации не нужно знать, какая физическая сила может быть причиной загадочного поведения запутанных квантовых частиц.
Это дает нам преимущество при объяснении квантовой запутанности, потому что, как доказал физик Джон Белл в 1964 году, любое объяснение квантовой запутанности в терминах взаимодействий требует того, что Эйнштейн назвал "пугающими действиями на расстоянии".
Это связано с тем, что результаты измерений двух запутанных квантовых частиц коррелируют, даже если эти измерения выполняются одновременно и частицы физически разделены огромным расстоянием. Итак, если квантовую запутанность вызывает сила, она должна действовать быстрее скорости света. А сила, действующая со скоростью, превышающей скорость света, нарушает специальную теорию относительности Эйнштейна.
Многие исследователи пытаются найти объяснение квантовой запутанности, которое не требовало бы сверхъестественных действий на расстоянии, подобных предложенному моей командой решению.
Классическая и квантовая запутанность
В случае запутанности вы можете что—то знать о двух частицах в совокупности — назовем их частицей 1 и частицей 2, - так что, измеряя частицу 1, вы сразу же узнаете что-то о частице 2.
Представьте, что вы отправляете двум друзьям, которых физики обычно называют Алиса и Боб, по почте по одной перчатке от одной пары перчаток. Когда Алиса откроет свою коробку и увидит перчатку для левой руки, она сразу поймет, что, когда Боб откроет другую коробку, он увидит перчатку для правой руки. Каждая комбинация коробки и перчатки дает один из двух результатов: либо перчатка для правой руки, либо перчатка для левой руки. Существует только одно возможное измерение — открытие коробки, поэтому Алиса и Боб перепутали классические фрагменты информации.
Но в случае квантовой запутанности речь идет о запутанных кубитах, которые ведут себя совсем не так, как классические биты.
Поведение кубита
Рассмотрим свойство электронов, называемое спином. Когда вы измеряете спин электрона с помощью магнитов, ориентированных вертикально, вы всегда получаете спин, направленный вверх или вниз, и ничего промежуточного. Это результат бинарного измерения, так что это немного информации.
Если вы повернете магниты боком, чтобы измерить вращение электрона по горизонтали, вы всегда получите вращение влево или вправо, ничего промежуточного. Вертикальная и горизонтальная ориентации магнитов представляют собой два разных измерения одного и того же бита. Итак, спин электрона — это кубит, который выдает двоичный отклик на множество измерений.
Квантовая суперпозиция
Теперь предположим, что вы сначала измеряете спин электрона по вертикали и обнаруживаете, что он направлен вверх, затем вы измеряете его спин по горизонтали. Когда вы стоите прямо, вы вообще не двигаетесь ни вправо, ни влево. Итак, если я измерю, насколько сильно вы двигаетесь из стороны в сторону, когда стоите прямо, я получу ноль.
Это именно то, чего можно ожидать от электронов с вертикальным вращением. Поскольку они ориентированы вертикально вверх, аналогично тому, как они стоят прямо, они не должны вращаться влево или вправо по горизонтали, аналогично перемещению из стороны в сторону.
Удивительно, но физики обнаружили, что половина из них расположена горизонтально справа, а половина - горизонтально слева. Теперь кажется бессмысленным, что электрон, вращающийся вертикально вверх, имеет левый спин (-1) и правый спин (+1) при измерении по горизонтали, точно так же, как мы не ожидаем движения из стороны в сторону, когда стоим вертикально вверх.
Но когда вы складываете все результаты левого (-1) и правого (+1) вращения, вы получаете ноль, как мы и ожидали в горизонтальном направлении, когда наше состояние вращения - вертикальное вращение вверх. Таким образом, в среднем, когда мы стоим прямо, у нас как будто нет движения из стороны в сторону или по горизонтали.
Это соотношение 50 на 50 в бинарных результатах (+1 и -1) и есть то, о чем говорят физики, когда говорят, что электрон с вертикальным вращением вверх находится в квантовой суперпозиции горизонтальных спинов влево и вправо.
Запутанность, вытекающая из принципа относительности
Согласно квантовой теории информации, вся квантовая механика, включая ее квантовые запутанные состояния, основана на кубите с его квантовой суперпозицией.
Мы с моими коллегами предположили, что эта квантовая суперпозиция вытекает из принципа относительности, который (опять же) гласит, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей с разной ориентацией в пространстве.
Если бы электрон с вертикальным спином в направлении вверх прошел прямо через горизонтальные магниты, как вы могли бы ожидать, у него не было бы вращения по горизонтали. Это нарушило бы принцип относительности, который гласит, что частица должна иметь спин независимо от того, измеряется ли он в горизонтальном или вертикальном направлении.
Поскольку электрон с вертикальным спином в направлении вверх действительно имеет спин при горизонтальном измерении, теоретики квантовой информации могут сказать, что принцип относительности (в конечном счете) ответственен за квантовую запутанность.
И поскольку в этом принципиальном объяснении не используется сила, нет и "жутких действий на расстоянии", которые высмеивал Эйнштейн.
Поскольку технологическое значение квантовой запутанности для квантовых вычислений твердо установлено, приятно осознавать, что на один важный вопрос о ее происхождении можно ответить с помощью высоко ценимого физического принципа.
