Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов
М.Б. Менский
Представлен обзор некоторых концептуальных проблем квантовой механики, их современного статуса и вытекающего из них развития теории. Анализируются специфика запутанных (entangled) состояний квантовой системы, новые эксперименты, направленные на исследование таких состояний, и основанные на них новые приложения квантовой механики (квантовая информация). Обсуждается широко известный парадокс пшредингеровского кота" (ненаблюдаемость предсказываемых квантовой механикой суперпозиций макроскопически различимых состояний) и показывается, что явление декогеренции (возникающее при измерении в квантовой системе, когда информация о ее состоянии в той или иной форме записывается в окружающей среде) приводит к неразличимости суперпозиции и смеси и тем самым позволяет преодолеть парадоксальность квантовой теории в рамках теории открытых систем. Остающиеся концептуальные трудности лежат по существу вне физики, однако они активно исследуются в литературе и привели к чрезвычайно интересным новым интерпретациям квантовой механики. В этой связи обсуждается мнение (высказанное, например, Вигнером) о необходимости включить сознание наблюдателя в квантовую теорию измерений. Предлагается гипотеза, которая позволила бы описать функцию сознания в терминах квантовых измерений.
От редакционной коллегии. Создание теории относительности и квантовой механики глубоко изменило физику и, естественно, затронуло фундаментальные философские (мировоззренческие, гносеологические) проблемы. В отношении теории относительности (не говоря о тесно связанной с ней космологии и, в какой-то мере, о черных дырах) споры об основах практически уже не ведутся. Напротив, квантовая механика, ее методологические основы, теория измерений и некоторые другие проблемы широко обсуждаются в мировой литературе до сих пор. Особенно это имеет место в связи с развитием экспериментальной техники, позволившей произвести ряд тончайших опытов (упомянем хотя бы квантовую телепорта-цию).
В СССР в свое время основы новой физики также, конечно, широко дискутировались, но, к сожалению, такое обсуждение должно было проводиться с учетом идеологических ограничений. Конкретно, обязательно нужно было по существу или хотя бы по форме следовать положениям философии, называвшейся диалектическим материализмом. В результате свободная дискуссия стала невозможна, и вопросы методологии физики на современном уровне практически в нашей литературе перестали затрагиваться. Чувствуется это и до сих пор, несмотря на то, что в настоящее время в России существует
М.Б. Менский. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Ленинский просп. 53, Российская Федерация E-mail: mensky@sci.lebedev.ru
Статья поступила 12 апреля 2000 г., после доработки 19 апреля 2000 г.
полная свобода для подлинно научной дискуссии по методологическим и, в частности, гносеологическим вопросам. Примером такого научного и в то же время не ограниченного какими-либо догмами обсуждения основ квантовой механики может служить публикуемая статья М.Б. Менского. Мы надеемся, что она послужит поводом и для других авторов свободно высказывать свои взгляды в виде статей и писем в редакцию без ограничений, обусловленных какими-то требованиями философского характера. Но, разумеется, речь не может идти о спекуляциях, игнорирующих общепризнанное содержание современной физики и, в частности, квантовой механики.
Содержание
Введение (632).
Запутанные (entangled) состояния (633).
2.1. Неклассичность ЭПР-пары. 2.2. Приложения: квантовая информация. 2.3. Квантовая механика на новой стадии.
4.1. Решает ли декогеренция проблему измерения? 4.2. Попытки углубить теорию. 4.3. Квантовая механика и сознание. 4.4. Выбор альтернативы — это и есть работа сознания? 4.5. Квантовый мир и классический мир.
Квантовая механика давно стала привычным рабочим инструментом для исследователей в самых разных областях физики, однако концептуальные вопросы, которые впервые были поставлены еще в пору ее создания, до сих пор нельзя считать решенными. Общеизвестными примерами являются так называемый парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) и парадокс "шрё-дингеровского кота". Нерешенные концептуальные вопросы квантовой механики часто объединяют под именем "проблемы измерения". Они не имеют, подобно другим проблемам в физике, вполне ясной и однозначной формулировки и порой разными авторами преподносятся по-разному. Более того, большое число вполне квалифицированных и опытных специалистов считает, что никаких концептуальных проблем в квантовой механике вообще не существует. Те, кто такие проблемы обсуждает, часто встречают не только непонимание, но и осуждение. Типичная оценка такого рода обсуждений состоит в замечании, что это не физика, а философия, и при этом слово "философия" иногда произносится несколько свысока.
В последние годы, однако, отношение к концептуальным проблемам квантовой механики быстро меняется. Несмотря на то, что они интенсивно обсуждались в период становления квантовой механики (см., например, перепечатки классических статей в [1]) и во все времена систематически освещались в учебниках (например, [2-5]), этим проблемам в настоящее время посвящена обширная литература. При этом они обсуждаются гораздо более детально и конкретно, чем раньше, и обсуждение их постепенно становится вполне респектабельным занятием (см., например, [6-15]). Более того, старые, известные со времен отцов-основателей вопросы получают новые формулировки, для ответа на них ставятся специальные эксперименты и в ходе их обсуждения возникают новые приложения квантовой механики. В этой статье мы попытаемся проиллюстрировать современное положение дел, нисколько не претендуя на полноту и не скрывая известной субъективности излагаемых точек зрения.
Оговоримся сразу: новые приложения, объединяемые термином "квантовая информация", возникли не столько при исследовании концептуальных проблем квантовой механики, сколько при анализе специфики квантовой теории по сравнению с классической. Конечно, анализ квантовой специфики является необходимой предварительной стадией при изучении концептуальным проблем. Однако новые приложения появляются на том уровне анализа, на котором можно еще не говорить о концептуальных проблемах или парадоксах. При желании вполне можно сказать, что работа над новыми экспериментами и новыми приложениями — это настоящая и притом очень интересная физика, тогда как парадоксы квантовой механики — всего лишь философская (концептуальная, метафизическая) надстройка над ней.
Одна из целей данной статьи — показать, что так оно и есть. Точнее, мы попытаемся обосновать точку зрения, что существует формулировка квантовой механики, в которой не возникает никаких парадоксов и в рамках которой можно ответить на все вопросы, которые обычно задают физики. Парадоксы возникают лишь тогда, когда исследователь не удовлетворяется этим
"физическим" уровнем теории, когда он ставит такие вопросы, которые в физике ставить не принято, другими словами, — когда он берет на себя смелость попытаться выйти за пределы физики. Вполне оправданной является точка зрения, что такая попытка со стороны физика не имеет смысла.
Те, кто этой точки зрения придерживается, не заслуживают осуждения. Более того, они по-своему правы, потому что для конструктивной работы в физике необходимо ограничить себя точно сформулированными, чисто "физическими" задачами. Однако для некоторых физиков оказывается необходимым иногда попытаться выйти за рамки собственно физической методологии и поставить более широкий круг вопросов. Вот тогда возникают квантовые парадоксы. Оказывается, что попытки разрешить эти парадоксы могут приводить к удивительным новым концепциям, которые по меньшей мере весьма любопытны. Нельзя сказать, что на этом пути достигнут существенный прогресс. Однако красота и смелость возникающей при этом картины квантового мира невольно заставляют надеяться, что этот путь позволит в конце концов вывести теорию на качественно новый уровень. Возможная конкретизация этих надежд, которую мы будем защищать, состоит в том, что новая теория может включать в себя (а может быть, и объяснит) феномен сознания, который до сих пор во многом остается таинственным.
Итак, в следующих разделах мы проанализируем два основных специфически квантовых понятия: "запутанные состояния" и "шрёдингеровский кот". Большая часть статьи (разделы 2, 3) будет посвящена анализу специфики квантовой механики (по сравнению с классической), заключенной в этих понятиях, и появляющимся в связи с этим новым физическим ситуациям. Мы обсудим схемы "квантовой информации", основанные на запутанных состояниях, и явление декогеренции1, приводящее к ненаблюдаемости макроскопических "шрёдингеровских котов" (суперпозиций макроскопически различимых состояний).
В разделе 4 будут кратко обсуждены парадоксы и концептуальные вопросы квантовой механики, которые не решаются в рамках декогеренции. Попробуем при этом выяснить:
Нужно ли задавать эти "вечные" вопросы?
Можно ли ответить на них в рамках физики?
Имеются ли ответы на них вне физики? Выводы, к которым мы придем, не новы, но до сих пор не являются общепризнанными:
— С практической точки зрения эти вопросы не нужны.
Их нельзя решить (и не нужно ставить) в рамках физики.
Если решение существует, то его формулировка так или иначе должна включать такой "нефизический" элемент, как сознание наблюдателя.
Наконец, мы сформулируем и попытаемся кратко обосновать гипотезу, которая, быть может, объясняет феномен сознания на основе квантовой теории измерений.
1 Явление декогеренции (по-английски decoherence) часто называется в русскоязычной литературе декогерентизацией.
Т. 170, № 6]
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА: НОВЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ СТАРЫХ ВОПРОСОВ
633
2. Запутанные (entangled) состояния
Квантовая корреляция или запутанные (entangled) состояния (иначе, ЭПР-состояния) могут возникать в такой системе, которая состоит из двух (или более) взаимодействующих подсистем. Никакого запутывания нет, если система находится в состоянии вида \Т) = \ф)\<р),где \ф) и \<р) — состояния соответствующих подсистем. Такое состояние называется факторизован-ным. Однако, даже если вначале состояние факторизо-вано, то после взаимодействия подсистем друг с другом оно может стать запутанным. Простейшее запутанное состояние имеет вид 2
\У)=-^=(\ф1)\<р1)+ \ф2)\<р2)).(1)
Очевидно, что если полная система находится в состоянии (1), то состояние каждой из подсистем не является определенным. Существует лишь корреляция, которую можно охарактеризовать так: если первая система находится в состоянии \ф>) (i = 1,2), то вторая — в состоянии 1<Р;>-
2.1. Неклассичность ЭПР-пары
Возможность существования запутанных состояний приводит к некоторым чертам квантовых систем, которым нет аналога в классической физике и которые поэтому кажутся весьма странными с точки зрения интуиции, воспитанной на анализе классических систем. Такого рода ситуации были проанализированы в работе Эйнштейна, Подольского и Розена [16]. Оказалось, что понятие "элемент реальности" в том виде, в каком оно употребляется в классической физике, неприменимо в квантовой теории. Это противоречие между квантовоме-ханическими предсказаниями и классической интуицией было названо парадоксом Эйнштейна-Подольского -Розена (ЭПР).
Этот парадокс был в центре знаменитой дискуссии между Эйнштейном и Бором (см. [17]) и в дальнейшем очень много обсуждался в литературе. В 1964 г. Джон Белл сумел придать этому парадоксу простую и наглядную форму, выведя так называемые неравенства Белла (см. [6]), роль которых мы охарактеризуем качественно.
Проще всего провести этот анализ на примере распада частицы спина 0 на две частицы спинов 1/2. Состояние двух частиц после такого распада имеет вид 3
|f)=-^=(|T>l|l>2-|l)llT>2),(2)
где | |)г означает состояние г'-й частицы со спином, направленным вверх относительно выделенной оси (скажем, г), а | |.)г — состояние г'-й частицы со спином вниз. Состояние (2) является, очевидно, запутанным состоянием двух частиц, причем направление спина каждой из частиц не определено, но между направле-
2 В общем случае запутанное состояние содержит более двух компонент, \Ґ) = (1Д/Й) Е,#:)<Р:>- Множество компонент супер позиции может быть даже непрерывным.
3 Знак минус в этой формуле необходим, чтобы состояние двух частиц было синглетным, а не компонентой триплетного, т.е. соответствовало полному спину 0, а не 1.
4УФН, т. 170, №6
ниями спинов обеих частиц имеется квантовая корреляция.
Наличие корреляции приводит к тому, что измерения проекций спинов двух частиц оказываются коррелированными даже после того, как частицы удалятся друг от друга на любое расстояние. Если измерение проекции спина первой частицы показывает, что ее спин направлен вверх, то измерение проекции спина второй частицы (расположенной в этот момент как угодно далеко) заведомо покажет, что спин направлен вниз, и наоборот.
В этом еще нет ничего необычного, специфически квантового. В классической физике вполне может существовать такого же рода корреляция между результатами измерений двух объектов. Пусть, например, в непрозрачном ящике лежат два шара — один белый, а другой черный, потом в ящик вводится перегородка, разделяющая шары, и половинки ящика, каждая из которых содержит один из шаров, разносятся на далекое расстояние. Ясно, что результаты, которые получаются при вскрытии ящиков, коррелированы: если в одном из них оказался белый шар, то в другом заведомо окажется черный, и наоборот.
Квантовая специфика проявляется в том случае, если измеряются проекции спинов двух частиц на различные оси. Скажем, измеряется проекция спина первой частицы на ось z и проекция спина второй частицы на ось, наклоненную по отношению к z. Если в первом случае оказалось, что спин направлен вверх (в положительном направлении оси г), то результат второго измерения нельзя предсказать точно, но по обычным правилам квантовой механики предсказываются вероятности двух альтернативных результатов измерения. И оказывается, что результаты квантовомеханического расчета несовместимы с предположением, что наблюдаемые свойства существовали уже до наблюдения.
Белл ввел понятие "объективной локальной теории", в которой свойства системы (в данном случае — свойства частицы) существуют объективно независимо от измерения, а также имеют место некоторые другие положения, характерные для классической теории. Точнее, в объективной локальной теории:
каждая частица характеризуется некоторыми переменными (которые могут соответствовать, например, волновой функции), возможно коррелированными для двух частиц;
результаты измерения одной частицы не зависят от того, производится ли измерение другой частицы и если да, то какой результат дает это измерение;
— характеристики статистических ансамблей (и, следовательно, статистика измерения) зависят лишь от условий в более ранние моменты времени: невозможна "ретроспективная причинность".
Теорема Белла [6], доказанная в 1964 г., утверждает, что объективная локальная теория и квантовая механика дают разные предсказания для статистики результатов измерений. Точнее, из аксиом объективной локальной теории следуют некоторые неравенства (неравенства Белла) для вероятностей различных результатов измерений, и квантовая механика предсказывает, что эти неравенства должны нарушаться, если для двух частиц измеряются проекции спина на различные оси.
После того, как теорема Белла была сформулирована, были предприняты усилия для экспериментальной проверки неравенства Белла, и в 1980 г. в опытах Аспекта
634
М.Б. МЕНСКИЙ
[УФН 2000
было экспериментально установлено, что неравенство нарушается (см. [18])4. Такой результат совместим с квантовой механикой и несовместим с объективной локальной теорией. Тем самым экспериментально доказано, что микроскопическим системам нельзя (во всяком случае не всегда можно) приписывать состояния как объективно существующие и независимые от проводимых измерений. Впоследствие были реализованы многочисленные корреляционные эксперименты типа тех, что провел Аспект.
Опыты Аспекта, и вообще измерения над ЭПР-парой, интересны еще и тем, что они демонстрируют так называемую "квантовую нелокальность": измерение, проведенное над одной из частиц, определяет результат измерения над второй частицей, которое проводится в тот же момент времени в другой точке пространства. Два события (измерение первой частицы и измерение второй частицы) могут быть разделены пространственно-подобным интервалом и, тем не менее, одно из них предопределяет второе. Чтобы сделать этот факт более убедительным, опыты, подобные опытам Аспекта, проводят при все большем пространственном разделении двух частиц. Недавно группой Гизина (N. Gisin) в Женеве был проведен корреляционный опыт [19] при пространственном разделении ЭПР-пары в 10 км. Результат опыта оказался тем же самым.
На первый взгляд кажется, что в опытах такого типа нарушается причинность. Это, однако, неверно, потому что отношение между двумя событиями (измерением первой и измерением второй частицы) — это не отношение причинно-следственной связи, а отношение корреляции. Хотя результаты измерений двух частиц скоррели-рованы друг с другом, но статистика измерений одной частицы не содержит никаких следов этой корреляции: проекция спина (на любую ось) при каждом измерении оказывается положительной с вероятностью 1/2 и отрицательной с той же вероятностью. Экспериментатор не может управлять результатами измерения, а следовательно, не может послать сигнал в точку, где расположена вторая частица. Сверхсветовая передача сигнала невозможна.
Невозможность передачи сверхсветового сигнала означает, что "квантовая нелокальность" имеет специфическую, корреляционную природу. Нелокальность результатов измерения имеет место, если имеется ЭПР-пара (две частицы в запутанном состоянии). Однако процесс создания такой пары является локальным. То, что процесс подготовки квантовой нелокальности сам по себе является локальным, будет видно в разделе 2.2.1 при описании квантовой телепортации. Еще одной иллюстрацией может служить рассмотрение в [20] ЭПР-пары спиновых частиц в гравитационном поле, поворачивающем спин частиц. В этом случае не существует пространственного направления (на которое будет проектироваться спин), определенного во всем пространстве-времени, глобально. Для корректного описания корреляции следует ввести пространственные направления в точке, гда расположена одна из частиц, а направления в точке
локализации второй частицы определить параллельным переносом вдоль мировых линий частиц 5.
В опытах типа опыта Аспекта объективная локальная теория опровергается наблюдениями, в которых измеряется статистика результатов измерений над ЭПР-парой. Гринбергер, Хорн и Цайлингер предложили более сложный корреляционный опыт с тремя фотонами (см. [21]), в котором результаты измерения, предсказанные объективной локальной теорией, более радикально отличаются от того, что предсказывает квантовая механика: для некоторого измерения объективная локальная теория предсказывает положительный результат, а квантовая механика — отрицательный (и последнее подтверждается).
2.2. Приложения: квантовая информация
Свойства запутанных состояний и некоторые другие характерные черты квантовой механики удалось использовать для того, чтобы разработать новые практические приложения квантовой механики, объединяемые под именем квантовой информации [22-25]. Эти приложения развиваются в трех главных направлениях:
квантовая телепортация,
квантовая криптография,
квантовый компьютер.
Основные результаты, полученные в области квантовой информации, формулируются в терминах кубита (qubit), т.е. системы, которая может находиться в одном из двух состояний, скажем, |0) и |1) или в суперпозиции этих состояний 6. Два или более кубитов могут находиться в запутанном состоянии.
2.2.1. Квантовая телепортация. Квантовая телепортация ставит своей целью передать из одной точки в другую некоторое квантовое состояние, и это делается с помощью ЭПР-пары или, другими словами, за счет квантовой корреляции. До сих пор рассматривалась (теоретически и экспериментально) задача о телепортации лишь одного кубита.
Пусть наблюдатель A (Alice) имеет кубит, находящийся в состоянии
|^)A = a|0)A + j3|l)A,
причем параметры а и fi ему неизвестны. Задача состоит в том, чтобы кубит, имеющийся в распоряжении удаленного наблюдателя В (Bob), перевести в такое же состояние:
|^)B = a|0)B + j3|l)B.
Для этого кубит В должен быть предварительно определенным образом скоррелирован, т.е. включен в ЭПР-пару. Например, можно в точке В создать ЭПР-пару из двух кубитов, С и В, а затем перенести кубит С в точку, где находится наблюдатель А (вместо этого ЭПР-пару из двух кубитов можно создать в любой точке, а затем
4 Фактически в этих опытах использовались не частицы спина 1/2, а поляризованные фотоны, а вместо проекции спина измерялась поляризация фотона, однако расчет такого измерения по существу не отличается от того, как рассчитываются измерения проекции спина.
5 Более того, корреляция частично "размывается", поскольку миро вые линии квантовых частиц определены лишь приближенно.
6 Примерами могут служить состояния частицы спина 1 /2 с опреде ленной проекцией на выделенную ось, состояние фотона с одной из двух ортогональных поляризаций или состояния двухуровневой системы с определенной энергией.
Т. 170, № 6]
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА: НОВЫЕ ФОРМУЛИРОВКИ СТАРЫХ ВОПРОСОВ
635
разнести спаренные кубиты в точки, где находятся наблюдатели А и В). Теперь наблюдатель В имеет кубит В, и задача сводится лишь к тому, чтобы перевести его в нужное состояние. Это делается с помощью следующих трех шагов:
1.Производится некоторое специальным образом устроенное измерение системы, состоящей из кубитов А и С. Такое измерение может иметь 4 различных резуль тата.
Результат измерения пересылается (по обычному, т.е. классическому каналу связи) в точку В.
Состояние кубита В (возникшее после измерения, проведенного в точке А) подвергается одному из четырех преобразований в зависимости от того, какой результат дало измерение.
Легко проверить, что телепортация по такой схеме возможна. Для этого достаточно выбрать состояние ЭПР-пары вида
При таком выборе ЭПР-пары и измерения корректирующие преобразования Ut, выполняемые на третьем шаге, следует выбрать в виде
Ui = \,U2= |0)(0|-|1)(1|,
иъ = |0)(1| + |1)(0|, U4= г(|0)(1| - |1)(0|).
Если измерение дает г'-й результат, то образующееся после измерения состояние есть (с точностью до нормировки) Р#)А|Ф)СВ- При этом, как можно убедиться, кубит В оказывается в определенном состоянии \ф(}в, которое определяется коэффициентами а и fi и номером L Это состояние тождественно исходному состоянию \ф)А лишь в случае, если i = 1. Однако в случае произвольного i мы знаем, как получить требуемое состояние кубита В: следует возникшее после измерения состояние ||//г)в подвергнуть преобразованию Ut. После этого кубит В оказывается в нужном состоянии:
Ut\ф{)в = \ф)в .
Заметим, что кубит А после этих операций вообще не находится в определенном состоянии. Вместо этого образуется запутанное состояние кубитов А и С.
'Изменение состояния измеряемой системы при г'-м результате измерения описывается действием проектора Pt. Квадрат модуля получающегося вектора дает вероятность г'-го результата измерения.
4*
Таким образом, при квантовой телепортации произвольное (и заранее не известное) состояние кубита А разрушается, однако возникает идентичное состояние кубита В в другой точке. Инструментом телепортации является ЭПР-пара с компонентами в точках А и В, которая по существу образует квантовую корреляционную линию. Кроме этой заранее подготовленной корреляционной линии требуется еще обычный канал связи между точками А и В, по которому передается информация о результате измерения кубитов А и С.
Телепортация состоит из трех этапов. На первом (подготовительном) этапе создается корреляционная линия (ЭПР-пара). На втором этапе производится измерение кубитов А и С, при этом "квантовая часть" информации о состоянии \ф) мгновенно передается из точки А в точку В за счет квантовой корреляции. Однако для восстановления этого состояния в точке В требуется еще классическая информация, передача которой происходит не быстрее, чем со скоростью света.
Правда, в случае, если результат измерения равен i=\, состояние \ф) телепортируется мгновенно, в момент измерения, и никакого дополнительного преобразования не требуется. Однако экспериментатор, находящийся в точке В, не может знать, какой из четырех альтернативных результатов измерения в точке А получен, поэтому каждый раз в момент измерения остается неизвестным, произошла ли при телепортации деформация состояния, которая требует корректирующего преобразования. В итоге мы вынуждены заключить, что сверхсветовая телепортация невозможна даже при заранее подготовленной корреляционной линии.
Квантовая телепортация была экспериментально реализована в университете Инсбрука [26] с использованием поляризованных фотонов в качестве кубитов. Более подробно о телепортации см. в обзоре [25] 8.