Запутанность, пожалуй, один из самых запутанных аспектов квантовой механики. На ее поверхности запутанность позволяет частицам мгновенно сообщаться на большие расстояния, по-видимому, превышающие скорость света. Хотя запутанные частицы и связаны друг с другом, они не обязательно обмениваются информацией между собой.
В квантовой механике частица на самом деле не является частицей. Вместо того чтобы быть твердой, фиксированной и точной точкой, частица на самом деле представляет собой облако нечетких вероятностей, где эти вероятности описывают, где мы могли бы найти частицу, если бы действительно ее искали. Но пока мы на самом деле не проведем измерение, мы не сможем знать точно все, что хотим знать о частице.
Эти нечеткие вероятности называются квантовыми состояниями. При определенных обстоятельствах мы можем соединить две частицы квантовомеханическим способом так, чтобы одно математическое уравнение описывало оба набора вероятностей одновременно. Когда это происходит, говорят, что частицы запутаны.
Когда частицы имеют общее квантовое состояние, измерение свойств одной может автоматически дать нам представление о состоянии другой. Например, рассмотрим случай квантового спина — свойства субатомных частиц. Для таких частиц, как электроны, спин может принимать одно из двух состояний: вверх или вниз. Как только мы запутываем два электрона, их спины коррелируют. Мы можем определенным образом подготовить запутывание, чтобы спины всегда были противоположны друг другу.
Если мы измерим первую частицу, мы можем случайно обнаружить, что ее спин направлен вверх. Что это говорит нам о второй частице? Поскольку мы тщательно организовали запутанное квантовое состояние, теперь мы со 100% уверенностью знаем, что вторая частица должна быть направлена вниз. Его квантовое состояние было запутано с первой частицей, и как только сделано одно открытие, делаются оба открытия.
Но что, если вторая частица находилась на другой стороне пространства? Или по всей галактике? Согласно квантовой теории, частица-партнер сразу «знает», какой спин она должна иметь, как только «выбор» сделан. Кажется, что общение может быть достигнуто быстрее, чем свет.
Решение этого очевидного парадокса заключается в внимательном изучении того, что и когда происходит – и, что более важно, кто знает, что и когда.
Допустим, я измеряю частицу А, а вы отвечаете за частицу Б. Проведя измерение, я точно знаю, какой спин должна иметь ваша частица. Но ты этого не делаешь! Вы не узнаете, пока не проведете собственные измерения или после того, как я вам скажу. Но в обоих случаях ничто не передается быстрее света. Либо вы проводите собственные измерения на месте, либо ждете моего сигнала.
Пока две частицы связаны, никто ничего не знает заранее. Я знаю, что делает ваша частица, но могу сказать вам только, если ее скорость меньше скорости света, или вы можете это выяснить сами.
Таким образом, хотя процесс запутанности происходит мгновенно, раскрытие — нет. Нам нужно использовать старые добрые методы связи, которые работают не быстрее света, чтобы собрать воедино корреляции, необходимые для квантовой запутанности.
