Быстрее света

Сущность квантовой информации

Квантовая информация является одной из разновидностей информации, которая «функционирует», проявляется в таких явлениях, как запутанность, квантовая телепортацию и, видимо, интерференция [17]. Что же это за информация? И здесь меня вновь интересует только та часть ответа, из которой можно заключить, что и «квантовая информация» – это не самостоятельная бестелесная, нематериальная абстракция, существующая независимо от материи, а неотъемлемое её свойство.

Наиболее отчётливо «квантовая информация» проявляется в явлении запутанности. Выше я говорил, что упрощённо запутанность можно описать как передачу состояния от одной частицы из пары запутанных частиц к другой частице при коллапсе волновой функции, описывающей их общее состояние. В эксперименте, например, Алена Аспекта поведение запутанных частиц описывается законом Малуса [3, 2, 1]:

где:

P++(a, b) – вероятность обнаружить частицы в «синхронном», синглетном состоянии. Для запутанных фотонов, например, – это обнаружение состояния, когда фотоны имеют одинаково направленные спины;

(a, b) – угол между поляризаторами.

Покажем, какое отношение к квантовой информации имеет это уравнение. Очевидно, что по внешнему виду (1) представляет собой формулу для определения вероятности совместного наступления двух зависимых событий [18]. То есть, события «измерение 1-го фотона» и «измерение 2-го фотона» являются зависимыми. Эта зависимость событий и означает передачу какой-то информации. Нет и быть не может зависимости событий без передачи информации между этими зависимыми событиями. Использование понятия «нелокальность» в классическом смысле – это столбовая дорога в мистику или, как минимум, в религию. То, что между запутанными частицами не обнаружена передача каких-либо сигналов (волн, полевых влияний и других) говорит лишь о том, что эта информация может быть не классической, не вещественной, тем более что скорость её передачи выше скорости света. При получении информации она может быть преобразована не полностью или не тем способом, каким была создана или закодирована. Поэтому следует ожидать, что квантовая информация может быть «прочитана» в таком «сопутствующем», не в первозданном виде, не в виде собственно «квантовой информации», а в виде возникшей от её передачи поляризации фотонов. Такое сопутствующее считывание квантовой информации из запутанных частиц производил Ален Аспект в своих знаменитых экспериментах:

Рис. 1. Мысленный эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена-Бома с фотонами. Два фотона v1 и v2, испускаемые источником S в состоянии |Ψ(1, 2)|, проанализированы линейными поляризаторами I и II в направлениях a и b. Можно измерять вероятности одинарного или парного обнаружения в каналах поляризаторов

Источник S испускает в противоположных направлениях a и b пары запутанных фотонов v1 и v2, проходящих в дальнейшем через поляризаторы I и II. Свои наблюдения Ален Аспект описывает следующим образом [1, 3, 2]:

«I. Фотон v1, который не имел явно определённой поляризации перед её измерением, получает поляризацию, связанную с полученным результатом, во время его измерения: это не удивительно.

II. Когда измерение на v1 сделано, фотон v2, который не имел определённой поляризация перед этим измерением, проектируется в состояние поляризации, параллельное результату измерения на v1. Это очень удивительно, потому что это изменение в описание v2 происходит мгновенно, безотносительно расстояния между v1 и v2 в момент первого измерения».

В своих экспериментах Аспект использовал пары запутанных частиц, изменяя состояние которых, он фиксировал это сверхсветовое взаимное влияние состояния одной частицы на состояние другой. Здесь мы видим кажущееся противоречие между квантовой механикой с её мгновенным коллапсом волновой функции (нелокальностью) и СТО, которая не допускает сверхсветовой скорости передачи информации, поскольку собственно передачи информации в классическом смысле нет [25, 19].

Как можно объяснить такое поведение фотонов? Только ли зависимостью между ними? Может быть это случайное совпадение? Сказать-то так можно... Только это такая случайность, вероятность которой равна единице. А такое событие в теории вероятности называется достоверным. Более того, из теории вероятности известно, что если вероятность одного из событий зависит от наступления или не наступления другого, то такая зависимость по определению делает эти два события зависимыми. Следовательно, с точки зрения теории вероятности события по регистрации фотонов являются зависимыми, событиями, связанными причинно-следственными отношениями.

Но, может быть, есть другое объяснение этой загадочной связи? Да, такое объяснение есть, и оно называется нелокальность. Кратко нелокальность можно описать так: зависимость есть, а связи нет. Такое краткое описание нелокальности не сильно отличается от классического. У нелокальности нет ни физического описания процесса, каковым не является утверждение, что «Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей), а не вероятностей (определяемых квадратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории, в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей» [15, с. 8], ни даже мало-мальски философского обоснования. Коротко и ясно: связи нет, а зависимость есть. Мистика.

Однако, наблюдательный и осведомленный читатель заметит, что в установке Аспекта мы могли бы получить точно такой же результат, если бы фотоны просто имели параллельные поляризации. В этом случае, казалось бы, они всегда парно проходили бы на соответствующие выходы своих поляризаторов. Подобные объяснения дают, в частности, так называемые «теории с дополнительными параметрами». Проверить эти объяснения на установке Аспекта несложно. Мы можем имитировать поведение запутанных фотонов, используя незапутанные, не имеющие причинно-следственных зависимостей в своём поведении. Для такой имитации запутанности необходимо, чтобы каждая пара незапутанных фотонов была бы в такой же «синхронной» поляризации, как и запутанные, и, кроме этого, направление поляризации должно быть у всех пар своё собственное, отличное от других пар. В этом случае, на выходах поляризаторов следовало бы, видимо, ожидать «парные» прохождения фотонов: если один выходит в +канале поляризатора, то и второй обязательно выйдет в +канале своего поляризатора. Для запутанных фотонов – это достоверно так. А для имитаций запутанных фотонов – нет [29, 20]. То есть запутанные фотоны имеют более сильную, нелокальную связь, зависимость между собой, чем в общем схожие с ними незапутанные, независимые фотоны.

Анализируя теории с дополнительными параметрами, которые наиболее ярко были провозглашены в так называемом парадоксе ЭПР, Джон Белл пришёл к выводу:

«В квантовой теории с дополнительными параметрами для того, чтобы определить результаты индивидуальных измерений без того, чтобы изменить статистические предсказания, должен быть механизм, посредством которого настройка одного измеряющего устройства может влиять на чтение другого отдалённого инструмента. Кроме того, задействованный сигнал должен распространяться мгновенно так, что такая теория не может быть лоренц-инвариантом» [4, 5, 21, 20].

Это значит, что если квантовые частицы не обмениваются информацией и ведут себя статистически, случайным образом, то такой информацией должны обмениваться измерительные приборы. Как говорится, с больной головы – на здоровую. Но и это допущение не позволяет избавиться от обмена информацией, то есть материальным носителем со сверхсветовой скоростью и на любые расстояния.

Квантино – носитель квантовой информации

Итак, я показал, что между квантовыми частицами явно просматривается некоторое информационное взаимодействие. Это взаимодействие имеет свои явно выраженные черты, отличительные от четырёх других известных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Частицы, ответственные за эти четыре взаимодействия, известны. Это гравитоны (гипотетическая частица), фотоны, бозоны и глюоны. И все они, несомненно, переносят некоторую информацию. Но это не единственная их функция. К явлению запутанности ни одна из этих частиц явно не причастна, и нет данных об их регистрации в этом явлении. Следовательно, передачу квантовой информации следует закрепить за какой-то особой частицей, дополнив Стандартную модель фундаментальных частиц и взаимодействий ещё одной разновидностью частиц.

Можно предложить варианты её названия и зону «ответственности». Она может называться, например, информино или информион и отвечать за пятое, информационное взаимодействие. Суть этого взаимодействия – передача некоторых особых, не классических видов информации. Этого вряд ли удастся избежать. Только таким образом можно объяснить явление запутанности, квантовой нелокальности без мистики: допустив существование некоего материального носителя квантовой информации. У такого носителя очевидны следующие свойства. Он движется со скоростью, которая на порядки превышает скорость света, что выделяет его в ряду других переносчиков взаимодействия – фотонов, глюонов и других. Он обладает высокой проникающей способность, практически не взаимодействует с веществом, что также отличает его от других частиц и затрудняет обнаружение. Неизвестно, взаимодействует ли он с другими «непарными» частицами, то есть не являющимися парой к запутанной частице – источнику.

Этот носитель отчётливо проявляет себя именно в квантовом информационном взаимодействии частиц, поэтому ему можно дать другое название, более подходящее, чем информино или информион. Это могут быть, например, такие названия: «квантон», «квантинион» или «квантино». Автором последнего названия, вероятно, является А.И. Вейник, неоднократно упоминавший эту частицу в своих работах [6]:

«скорость квантино... может изменяться от нуля до бесконечности».

«Кванты, или мировые постоянные, излучают и поглощают поле (квантино)».

Остановимся пока на последнем названии – квантино. Сложность обнаружения квантино сопоставима со сложностью регистрации других слабо взаимодействующих частиц – нейтрино, wimp-ов, бозона Хиггса. В настоящий момент на поиск бозона Хиггса направлены силы множества учёных с использованием мощнейших ускорителей частиц – Большой адронный коллайдер – БАК, Тэватрон. Пока бозон не обнаружен. Wimp – это гипотетическая частица, являющаяся воплощением «тёмной материи» – weakly interacting massive particle, слабо взаимодействующая массивная частица. Она предсказана некоторыми теоретическими дополнениями к Стандартной модели фундаментальных частиц и взаимодействий. Предпринимаются попытки, пока безуспешные, обнаружить эти частицы материи детекторами, спрятанными в глубоких шахтах, методом, аналогичным детектированию такой же трудноуловимой частицы – нейтрино. О попытках обнаружить квантино мне ничего не известно. Тем не менее, существование такой частицы кажется очевидным.

Обнаружение квантино и разработка средств их регистрации имеет далеко идущие перспективы. Это создание систем передачи информации с невообразимо высокой скоростью. Это создание устройств транспортировки (перемещения) материальных объектов – телепортация, в частности, межзвёздная. Во всяком случае, всё это не противоречит рассмотренным положениям квантовой физики.