kazyutinskii_v_v_mamchur_e_a_sachkov_yu_v_i_dr_spontannost_i

Аргументы такого типа демонстрируют невозможность разделения квантовых феноменов, выявляя двусмысленность приписывания обычных физических свойств объектам микромира"1.

В этой цитате, описывающей дополнительность свойств квантово-механических объектов, подчеркивается элемент выбора, который существует при решении вопроса об окончательной, необратимой фиксации феномена в регистрирующей аппаратуре. Эйнштейн предложил некий "прототип" эксперимента, в котором обнаруживается дилемма при попытке выбрать между наблюдением траектории (один путь) или фазой (два пути).

В этом же эссе Бор сделал очень глубокое замечание: "Следует также добавить, что, очевидно, никакого различия в отношении наблюдаемого эффекта не существует, независимо от того, реализуем ли мы наши планы об установке инструментов до того, как частица вошла в интерферометр, или же мы отложим эту реализацию до некоторого последнего момента, когда частица находится уже на пути от одного инструмента к другому".

Очевидно, Бор с самого начала диалога считал, что этот выбор между дополнительными способами регистрации фотона не должен делаться до тех пор, пока частица почти закончит свой путь в аппаратуре, или, используя язык эйнштейновского эксперимента, когда фотон уже "сделает свой выбор", двигаться ли по одному пути или по обоим путям одновременно.

Эксперименты "с отложенным выбором", как они сейчас квалифицируются, обсуждались во многих статьях Дж.А. Уилером2. Эти эксперименты были призваны продемонстрировать кажущийся парадокс диалога Эйнштейна-Бора, и даже если они послужили только тому, чтобы иллюстрировать или драматизировать эпистемологическую дилемму, которая была в данном случае выявлена, они представляют большой интерес. На самом деле, однако, некоторые из них предлагают количественное и измеримое различие между предсказаниями квантовой теории и других локальных теорий со скрытыми параметрами, оказываясь таким образом значительно более значимыми в философском плане.

1Bohr N. Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics // Albert Einstein: Philosopher-Scientist / Ed. by Paul A. Schlipp. Library of Living Philosophers, 1949. P. 222.

2Miller W.A., Wheeler J.A. Delayed-Choice Experiments and Bohr's Elementary Quantum Phenomenon // Proceeding of the International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics / Ed. by S. Kamefuchi. Tokyo: Physical Society of Japan, 1983. P. 140-151; Wheeler J. The "Past" and the "Delayed"-Choice 'Double-Slite Experi-

ment // Mathematical Foundations of Quantum Theory / Ed. Ransom Mardow. N.Y. Academic Press, 1978. P.1

В одном из таких экспериментов, придуманных Аспеком и его коллегами, двум фотонам, возникшим в одном и том же атомном событии, дают возможность разделиться до регистрации. В этом эксперименте выбор того, где поместить регистрирующую аппаратуру, делался в течение времени движения двух фотонов. В более поздних экспериментах было устроено так, что расположение одного из регистрирующих устройств не должно было быть каузально связано с расположением другого удаленного регистрирующего прибора (такая связь могла носить только сверхсветовой характер) до того, как это регистрирующее устройство будет активизировано прибывшим фотоном. Было показано, что такой эксперимент может быть интерпретирован в терминах теоремы Белла и результат оказывается в хорошем количественном согласии с предсказаниями квантовой механики.

Прототип одно-частичного, дву-зеркального эксперимента, задуманного Эйнштейном, образует основу нескольких современных экспериментов, упрощенная схема которых представлена на рис. 1. (Верхняя часть рисунка дает схему экспериментов, в которых используются подвижные детекторы; на нижней схеме дается схема экспериментов, в которых используется подвижное полупосеребренное зеркало М2.)

Эти диаграммы иллюстрируют нормально работающий интерферометр, с сильным источником фотонов S. Поток частиц расщепляется на полупосеребренном зеркале Мь и вновь соединяется на полупосеребренном зеркале М2. Выбор между регистрацией пути (т.е. обнаружением, какой из путей выбирает фотон), или регистрацией интерференции (фотон выбирает оба пути сразу) может быть осуществлен передвижением детекторов D{ и D'2 на позиции Z), и D2 на верхнем рисунке, или передвижением М2 на нижнем. Если интенсивность источника фотонов уменьшить настолько, что можно говорить о движении в аппаратуре в данный момент лишь одного фотона, мы встречаемся с той трудностью в описании поведения фотона, о которой упоминал Эйнштейн. Ее суть в том, что фотон движется либо по одному из путей, либо по обоим сразу, в зависимости от типа выбранной регистрационной аппаратуры. Если, к тому же, этот выбор задерживается до тех пор, пока фотон не окажется между М, и М2 и осуществляется случайным образом, "наглядное представление поведения фотона" становится еще более затруднительным.

Это на первый взгляд простое описание оказывается трудно выполнимым техническй. Есть, однако два подхода для преодоления трудностей. Один - состоит в использовании фотонов с

D2

Рис. 1. Установка для проведения экспериментов с отложенным выбором: вверху - с использованием подвижного детектора; внизу - с использованием подвижного полупрозрачного зеркала

временем прохождения в несколько наносекунд (одна наносекунда составляет 10~9 сек); случайный выбор типа регистрации осуществляется посредством очень быстрого переключения. Другой метод состоит в использовании ультрахолодных нейтронов, со временем (прохождения через аппаратуру) порядка десятых долей секунды, так что проблемы со временем отложенного случайного выбора оказываются частично решенными.

Первый тип эксперимента может быть представлен работой К. Элли с коллегами3. В нем 100-пикосекундные импульсы (1 пикосекунда = Ю-12 сек), испущенные лазером, поступают в аппаратуру через замедлитель (attenuator), так что около 106 квантов прибывают поодиночке в течение временного периода, равного 24 часам. Путь между расщепителем луча М, и собирателем М2 равен примерно 4,5 м, что является большой величиной, по срав-

3 Alley С.О., Jakubowich A., Steggerda С.A., Wickes W.C. A Delayed-Choice Quantum Mechanical Experiment with Light Quanta // Proceedings / Ed. by Kamefuchi. P. 158-164.

нению с квантовым волновым пакетом. Если верхняя часть интерферометра блокирована, регистрируемая после М2 информация имеет отношение к пути фотона; но если открыты оба пути, эта информация касается фазы.

Таким образом, этот эксперимент близок тому, который был предложен Эйнштейном. Случайным образом принятое решение открыть или заблокировать верхний путь совершается с помощью быстродействующего Pockels cell ( - 10 наносекунд), в течение того периода времени, когда фотон находится между Мх и М2. В качестве дополнительной экспериментальной переменной второй Pockels cell, работающий в другом режиме, вводит некоторый контролируемый сдвиг фазы на нижнем пути. Первые результаты эксперимента поддерживают утверждение Бора о том, что они не зависят от того, когда выбирается тип регистрирующего устройства, и что между временем, когда фотон входит в аппаратуру, и временем, когда регистрирующая система приводится в действие, никакой специфической пространственно-временной траектории не может быть приписано фотону: он ведет себя как "дымящийся дракон" (см.рис. 2, сделанный Филдом Гильбертом).

Альтернативный подход, в котором в качестве элементарных квантовых феноменов используются ультрахолодные нейтроны, был предложен несколькими группами исследователей4. С помощью современной техники нейтроны, движущиеся со скоростью около 10 м/сек и обладающие дебройлевской длиной волны порядка 100 нанометров, могут быть введены в интерферометры, как это показано на приведенных упрощенных схемах. Если используются источники с низкой интенсивностью излучения, можно считать, что нейтроны движутся через аппаратуру по одному в течение десятых секунды. После разделения волнового пакета в Мь долгоживущий квантовый феномен завершается только после регистрации в М2. В этих экспериментах могут использоваться различные устройства (например, кадмиевые абсорбенты, медные рефлекторы, spin flipping cells) для того, чтобы блокировать, разблокировать или частично блокировать один или оба пути нейтрона,

иэто может быть сделано с легкостью произвольным образом

втечение долгого времени движения нейтрона через аппаратуру. Хотя реализация таких экспериментов представляет немалые

технические трудности, они могут обсуждаться в терминах, используемых Эйнштейном: по-видимому, с помощью одного произвольно совершаемого выбора способа регистрации, мы способны определить, какой из путей "выбрал" нейтрон; а с помощью

4Miller W.A. A Delayed-Choice Experiment Using Ultracould Neutrons // Procceeding. P. 153-157.

Рис. 2. "Дымящийся дракон" Уилера, символизирующий "элементарный квантовый феномен" Бора

другого - установить, что он движется по обоим путям сразу. Если сам выбор откладывается до тех пор, пока прохождение нейтрона через разделитель не завершится, тогда этот отложенный выбор способа регистрации определяет выбор, который "делает" сам микрообъект в некоторый более ранний момент времени. Именно появление таких парадоксов вынуждали Бора настаивать на том, что использование такого языка не является адекватным при описании квантовых явлений, и что квантовые феномены могут описываться только в терминах необратимых регистраций в макроскопических приборах. Любимое изречение Дж.А. Уилера, сделанное им по этому поводу, звучит так: "Ни один элементарный феномен не является феноменом, пока он не зарегистрирован"5. Гринбергер с коллегами уже пытались проанализировать в этих терминах эксперименты с холодными нейтронами6. Их анализ позволяет обнаружить различие в численных предсказаниях, получаемых на основе стандартной кванто-

5Wheeler J.A Beyond the Black Hole // Some Strangeness in the Proportion / Ed. by Harry Woolf. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1980. P. 356.

6Greenberger D., Home M.A., Shull C., Zelinger A. Delayed-Choice Experiments with the Neutron Interferometer // Proceeding. P. 294-299.

вой механики, с одной стороны, и теорий со скрытыми параметрами - с другой. Такая неэквивалентность, подобная той, что получена Беллом в экспериментах с двумя частицами, открывает возможность для сравнительной оценки полноты квантовой механики и реалистических теорий.

Помимо этих количественных тестов, эксперименты с отложенным выбором подразумевают возможность значительных философских и эпистемологических выводов, поскольку хотя в экспериментах, описываемых выше, задержка составляет доли секунды, первоначальное утверждение Бора не запрещает более длительных задержек. Уилер заявляет, что можно изобрести такой эксперимент с отложенным выбором, в котором "потенциальное" квантовое явление инициируется на некотором космически удаленном расстоянии от того места, где будет сделан окончательный выбор формы его завершения, так что задержка окончательного выбора будет составлять многие миллионы лет7. Так, некоторый акт сегодняшнего решения может, по-видимому, создать некоторый аспект прошлого - или, по крайней мере, определить, что мы можем сказать об этом аспекте прошлого. Как об этом говорит Уилер: "Регистрационное оборудование, оперирующее здесь и сейчас, участвует в том, что уже случилось... Мир не существует независимо от нас, хотя в обыденной жизни так говорить полезно. Есть странное чувство, что мы участвуем в создании Вселенной"8. В другом месте этой же работы Уилер говорит: "Последние десятилетия продемонстрировали нам, что физика - это волшебное зеркало. Она показывает нам иллюзорный мир, который лежит за реальностью, и реальность, которая лежит за иллюзиями. Возможности физики в неизмеримой степени больше, чем мы себе представляли. Мы больше не удовлетворяемся проникновением только в мир частиц, или полей, или геометрий, или даже пространства и времени. В настоящее время мы требуем от физики понимания самого бытия".

Вопрос о том, каким образом эти идеи могут быть включены в наше мировоззрение и наше отношение к Универсуму, уже стал предметом активных обсуждений. И это заслуга Бора, что в год столетия со дня его рождения тема, лежащая на переднем крае философских дискуссий, может обсуждаться в значительной степени благодаря его оригинальным работам и свойственному ему критицизму.

7См. например: Wheeler J.A. Genesis and Observership // Foundational Problems in the Special Sciences. Dordrechf, 1977. P. 3-33.

8Wheeler J.A. Law without Law // Quantum Theory and Measurement. Princeton, 1983. P. 194.

О ДЕТЕРМИНАЦИИ КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ ЗАПУТАННЫХ СОСТОЯНИЙ

В.Д. Эрекаев

1. НЕЛОКАЛЬНОСТЬ, НЕСЕПАРАБЕЛЬНОСТЬ И КАУЗАЛЬНОСТЬ

Мысленный эксперимент ЭПР (парадокс Эйнштейна-По- дольского-Розена) и теорема Белла привели к представлениям о запутанных состояниях, а также о свойствах квантовой нелокальности, несепарабельности и феномене квантовых корреляций. Какое из этих понятий является первичным и определяющим? Можно ли вообще ставить так вопрос? По-видимому, можно утверждать, что в современной физике ответы на эти вопросы совершенно не ясны. Хороший обзор существующих достижений в осмыслении этих нетривиальных свойств дан в работах А.И. Панченко1. Эти понятия возникли прежде всего в ЭПР-ста- тье, а также при анализе теоремы Белла. Наиболее интересны результаты анализа представлений о физической реальности и локальности, полученные А. Файном, Д. Ховардом, Дж. Джарретом и П. Теллером.

Резюмируя эти результаты, можно сказать, что: 1) была выяснена сложная структура принципа локальности: оказалось, что этот принцип расщепляется на ряд составляющих - условие "слабой локальности", отвечающее по своему содержанию принципу близкодействия; условие локальности в смысле факторизуемости совместных вероятностей результатов одновременных измерений, требующее, по сути дела, редукции квантовой вероятности к бездисперсионным мерам классической статистики; локальность в смысле факторизуемости или сепарабельности "реальных физических состояний" (или эйнштейновский принцип локальности, который также имеет названия принципа сепарабельности и принципа реальности); 2) благодаря этому выяснилась важность различения принципов локальности и сепарабельности.

Особенность квантовой запутанности, так же как и несепарабельности как целостности, проявляется в том, что знание состо-

1 Панченко А.И. Вклад квантовой физики в развитие понятия физической реальности // 100 лет квантовой теории: История. Физика. Философия: Тр. Междунар. конференции, Москва, 2000. М., 2002. С. 138-145.

130

яния полной системы нельзя в общем случае определить через состояние ее частей по отдельности. Несепарабельность в этом смысле "отражает синхронный аспект квантовой причинности"2.

Что можно сегодня сказать о природе несепарабельности? В частности, следующее: «Новый акцент в содержании понятия квантовой целостности, выясненный в процессе анализа теоремы Белла и ее приложений, связан с переосмыслением этого понятия как онтологически исходного и как объясняющего принципа. Возможно, что фоковские "внесиловые" взаимодействия или "обменные силы" Паули являются некоторой интуицией квантовой "несепарабельности"»3.

Висследованиях феноменов нелокальности микромира существенный момент состоит в том, что эти явления неоднократно наблюдались экспериментально. По крайней мере до настоящего времени соответствующие наблюдаемые в экспериментах процессы трактовались именно так.

Всвязи с одним из таких широко известных экспериментов - эффектом Ааронова-Бома отметим следующее: в этом эффекте природа нелокальности непосредственным образом связывается

спотенциалом поля, а также с разницей фаз вдоль различных траекторий частицы. С одной стороны, благодаря полученным трактовкам этого эффекта сделан шаг в направлении выяснения природы нелокальности, с другой - одна проблема сменилась другой: нужно понять, почему потенциал поля физически фундаментален для нелокальности. В бомовской квантовой механике (КМ) квантовый потенциал также играет важную роль, являясь при этом нелинейным. Поскольку нелокальность, с одной стороны, по-видимому, самым непосредственным образом связана с квантовыми корреляциями, а с другой - с потенциалом, то возникает вопрос, каким образом связаны потенциал, нелокальность и корреляции? В частности, можно ли говорить о том, что эффект Ааронова-Бома демонстрирует наличие нелокальности без корреляций? Исследования запутанных состояний, которые проводились в последние годы, убеждают в том, что природа нелокальности определяется наличием квантовых корреляций. Но при этом корреляциям не придается какого-либо полевого и вообще субстанциального характера. Их наличие фиксируется как факт и используется позитивистски. Но существует ли верхняя граница на скорость установления или появления корреляций? Если такая скорость будет установлена и окажется сверхсветовой и конечной, то это приведет к радикальному пересмотру многих

2Там же. С. 142.

3Там же. С. 145.

5* 137

физических оснований. В экспериментах группы Гисина получены нижние пределы на существование такой скорости4.

Для работы с понятиями локальности и нелокальности необходимо сделать, на наш взгляд, существенные методологические уточнения. Дело в том, что когда один из терминов приобретает несколько значений, это приводит к очевидным трудностям. Повидимому, наибольшие осложнения подобная терминологическая неоднозначность может вызвать в науке, идеалами которой в значительной степени остаются точность и однозначность, хотя многозначные понятия в современном научном знании не редкость. В рамках рассматриваемой в обзоре проблематики мы и хотели бы ввести дополнительные уточнения при использовании указанных выше ключевых понятий.

Существуют различные по содержанию понятия локальности и нелокальности. Когда в тексте появляются эти два термина, не всегда ясно, какую смысловую нагрузку они несут. Так, утверждение Ховарда о том, что "КМ - это несепарабельная локальная теория", может быть достаточно противоречивым в зависимости от того, какой смысл вкладывать в термины "несепарабельная" и "локальная". Кроме того, путаницу, особенно у начинающих знакомиться с квантовой проблематикой, может вызвать один лишь термин локальность, который, как выяснилось, имеет три различных значения. Кроме того, пока не существует работ, в которых бы анализировались смысловые коммуникации между различными физическими значениями этого термина. В целях устранения некоторых возникающих экспликативных затруднений введем следующие обозначения.

Вотношении термина "локальность":

1)к-локальность (локальность как любой тип конечности);

2) п-локальность (локальность как особый тип конечности - пространственная локальность);

3)б-локальнось (локальность как близкодействие);

4)ф-локальность (локальность как факторизуемость).

Сепарабельность в этом смысле является частным случаем или свойством к-локальности и более конкретно - п-локальнос- ти для двух и более физических объектов и событий.

Далее.

1) ц-нелокальность (как целостность). Здесь может быть еще один равновеликий вариант: х-нелокальность (как холизм);

2) д-нелокальность (как дальнодействие);

4Experimental test of relativistic quantum state collapse with moving reference frames // Zbinden H. et al. http//xxx.lanl.gov/arXiv: quant-ph/0002031 (5 Jul. 2000. Vol. 3).

3) п-нелокальность (как независимость от пространственных масштабов).

Далее.

Несепарабельность имеет, по крайней мере, два основных конструктивных значения.

1)н-несепарабельность (как неотделимость);

2)ц-несепарабельность (как целостность) (вариант - х-несе- парабельность - как холизм).

На наш взгляд, употребление в естественнонаучных и фило- софско-методологических текстах этих уточнений внесет ясность и соответственно породит определенные эвристические потенциалы.

В зарубежной литературе продолжает активно обсуждаться статус белловских экспериментов в современной физике5. Белловскими называются эксперименты по проверке неравенств Белла, а соответственно и принципа локальности. Автор указанной статьи приходит к выводу, что, несмотря на то что тридцатилетние усилия так и не продемонстрировали четких экспериментальных подтверждений слабой нелокальности в смысле Белла, такие эксперименты проводить необходимо. Эта необходимость связана, с одной стороны, с тем, смогут ли новые достижения в квантовой информации элиминировать необходимость применения "ухищрений" (loopholes) при детектировании. При этом, согласно Я. Персивалю, может существовать два сценария.

Либо: 1. Неравенства Белла не могут быть нарушены. Должен существовать новый закон природы, который совместим с современной квантовой теорией, но ограничивает доступные состояния материи теми, в которых господствует локальность, а в отношении локальности законов природы Эйнштейн был прав.

Либо: 2. Неравенства могут быть нарушены. Имеет место некий "заговор" природы, а фактически некоторая скрытая причина, которая не позволяет осуществить однозначное экспериментальное подтверждение нелокальности Белла, благодаря практическим трудностям, которые не могут быть преодолены. Будущие эксперименты должны элиминировать ухищрения детектирования. Это будет значительный прорыв на пути к квантовым вычислениям. Одновременное закрытие и ухищрения детектирования, и ухищрения локальности подтвердило бы общую точку зрения, что законы природы являются слабо нелокальными, и что Эйнштейн ошибался. Но этот вопрос может быть разрешен

5См., например: Percival I.C. Why do Bell experiments? // http://xxx.itep.ru/quant- ph/0008097. (23 Aug 2000).

только экспериментом. Вот почему так важны белловские эксперименты6.

Во-первых, интересна сама схема осуществления эксперимента по выявлению наличия слабой нелокальности, т.е. эксперимента Белла. Установка состоит из классических входа и выхода, а также квантовой системы между ними, находящейся в запутанном состоянии. Именно это состояние и реализует нелокальную передачу информации. Отметим несколько интересных моментов, связанных с такой схемой физической реализации нелокальности. Прежде всего зададим себе вопрос: каким образом квантовую нелокальность можно создать между двумя классическими терминалами, между двумя классическими объектами-процесса- ми? С одной стороны, можно предположить, что нелокальность имеет место независимо от того, какова природа несепарабельно связанных объектов и процессов. Задача состоит в том, чтобы попытаться более полно осмыслить физическую природу несепарабельности. С другой стороны, мы должны сделать вывод о том, что нелокальность можно сужать до неопределенно малых масштабов. Причем не только в пространственном выражении, но и в качественном: нелокальность может быть ограничена не только квантовыми, но и двумя классическими объектами.

На наш взгляд, практически всегда существуют граничные условия для реализации нелокальности, за которые она не выходит. Прежде всего они определяются рамками микро-микро- и микро-макросистем. В случае белловского эксперимента такими границами служат макроскопические входы и выходы, т.е. макроскопические объекты и процессы. По-видимому, процесс, который должен осуществляться на границе "запутанная квантовая система - макроскопический объект" или "микроскопическая запутанная система - макроскопическая система", должен быть процессом декогеренции на выходе, т.е. переход квантовой системы в макроскопическое состояние. Процесс возникновения когеренции, несепарабельности, так же как и обратный процесс рекогеренции, т.е. восстановления когеренции, который должен идти от макроскопической системы на входе к восстановлению запутанного состояния, требует специального рассмотрения.

Существенно, во-первых, наличие границ квантовых корреляций (нелокальности), а во-вторых, то, что эти границы представляют собой в данном случае макроскопические объекты. Дело в том, что согласно одной из фундаментальных интерпретаций КМ, свойства квантовых объектов, да и сами микрочастицы актуально не существуют до проведения измерения. В рамках

6 Ibid.

130 5* 140

этого подхода, следовательно, нельзя утверждать о существовании квантовых корреляций, нелокальности и запутанности между самими микрообъектами: только при появлении макрообъекта включаются квантовые корреляции.

Интересен также и следующий момент. Ведь нелокальные взаимодействия - это взаимодействия или перенос информации со скоростью, превышающей скорость света, или даже, возможно, мгновенно (д-нелокальность). Если принять точку зрения тех исследователей, которые отстаивают реальность существования нелокальности, то возникает вопрос: каким образом стартует, креацируется мгновенная скорость передачи информации и как она аннигилирует до обычных скоростей или даже до нуля? По существу, в этом процессе даже скорость приращения скорости, т.е. ускорение, переходит световой порог. Корректны ли вообще подобные вопросы причинно-следственного типа? Ясно, что такую ситуацию внутри "микроскопическо-макроскопичес- кой" системы осуществляет запутанное состояние. Другими словами, при запутанном состоянии создается некоторая область пространства-времени, в котором реализуется сверхсветовая передача информации. Весь вопрос в том, каковы свойства этой области? Меняются ли и насколько свойства пространства-времени в этой области? Анализу различных парадоксов нелокальности и возможному сверхсветовому характеру распространения сигналов и частиц посвящено много работ. Однако вряд ли этот вопрос можно считать близким к окончательному решению.

Вообще говоря, так и остается неясной физическая природа той информации, которая передается на сверхсветовых скоростях, например, в квантовом канале при телепортации. Если она явно не физическая, то о чем здесь речь? В связи с этим встает довольно интересный вопрос: можно ли считать, что поскольку происходит перенос квантового состояния, то фактически в белловских экспериментах сверхсветовой или мгновенной является скорость переноса волновой функции, скорость распространения волновой функции? Ведь волновую функцию ряд авторов так и формулирует как информацию7. Вместе с тем создается впечатление, что информация получает на границе входной классической и запутанной квантовой системы некое "суперускорение" и начинает мгновенно распространяться со сверхсветовой скоростью. Назовем это ускорение квантовым ускорением. Фактически оно бесконечно. Информация, получая подобные "перегрузки", явно не может быть связана с физической (материальной) субстанцией в обычном смысле. А может быть подобные вопро-

•

7См.: БлохинцевД.И. Принципиальные вопросы квантовой механики. М., 1987. С. 113.

сы также бессмысленны в отношении нелокальности и несепарабельности, как и попытки причинного объяснения квантовых скачков электронов в атоме? По-видимому, положительный ответ был бы предпочтительнее.

Внутреннюю квантовую часть эксперимента Белла Персиваль метко охарактеризовал как черный ящик8. И действительно, совершенно не ясно, что там происходит, но мы знаем, что получается на выходе при данных условиях на входе. Персиваль пишет, что в принципе можно не интересоваться тем, что находится внутри. Экспериментируя с информацией на входе и анализируя то, что получается на выходе, можно узнать нечто и о самой квантовой системе. Несомненно, что методологически и операционально подобный подход допустим: позитивизм и операционализм дали науке много пользы. Однако это не означает, что мы не должны пытаться узнать, что находится внутри системы, какова природа "квантовой начинки" черного ящика.

Представления о несепарабельности требуют некоторых уточнений. На наш взгляд, понятие несепарабельности квантовой системы и несепарабельности мира в целом имеют серьезные онтологические отличия, которые существенны для объяснения роли детерминации. Каково физическое содержание понятия несепарабельности квантовой системы? Физически оно означает, что квантовые элементы этой системы, во-первых, связаны друг с другом, а во-вторых, их невозможно разделить. В то же время пространственно эти элементы разделены и, следовательно, пространственно большинство квантовых систем сепарабельны. Следовательно, несепарабельность можно рассматривать только по какому-то конкретному физическому свойству, например, по результату измерения отдельных характеристик. Например, в ЭПР-эффекте две разлетевшиеся частицы можно считать несепарабельными по их внутренним свойствам (характеристикам), в частности, по проекциям спина.

2. МЕТАФИЗИКА ЗАПУТАННЫХ СОСТОЯНИЙ

Почему именно метафизика запутанности? Метафизику можно определить, например, как "некий лежащий за уровнем его (явления. - В.Э.) материальной предметности уровень, который выступает как определяющий для физического мира, ибо содержит в себе причины проявленных в нем событий и вещей"9.

8Pereival I.C. Op. cit.

9Самохвалова В.И. Метафизика глобализации: от утопии к антиутопии // Материалы постоянно действующего междисциплинарного семинара клуба ученых "Глобальный мир". М., 2002. Вып. II. С. 5.

142

Мы предлагаем другую интерпретацию метафизики. Согласно этой интерпретации, метафизика - это специфическая область исследований, а также знания и методов познания, лежащая "за" пределами современного уровня физических знаний. Другими словами, этот уровень является метафизическим для современного знания, но по прошествии времени может стать одним из фундаментальных разделов физики. Существенно, что вся история философии естествознания подтверждает конструктивность такого понимания. Ведь, например, в XVII-XVIII вв. философскими и даже метафизическими считались вопросы о природе тепла, электричества, магнетизма, причинах болезней и т.д., в XIX в. - о природе эфира, строении атомов, происхождении звезд и др. Впоследствии они становились соответствующими разделами физического знания.

Соответственно метафизика запутанных состояний или метафизика квантовой запутанности означает поиск физических первопричин, более фундаментальных физических причин, лежащих в основании феномена запутанности. Какие же идеи появились в последнее время в связи с этим? Не претендуя на полноту освещения этого вопроса, рассмотрим некоторые направления поисков. По-видимому, метафизика квантовой запутанности заключена в природе квантовых корреляций. Лежит ли эта природа в рамках той реальности, которую уже успешно описывает стандартная КМ или требуется выход за ее рамки? На наш взгляд, квантовые корреляции представляют собой феномен, который выводит исследователя за рамки стандартной квантовой механики, хотя сторонники ряда интерпретаций квантовой теории уверены в том, что эти корреляции являются "внутренне присущим" свойством КМ.

Следует ли, да и можно ли искать объяснения физической природы квантовых корреляций? Одна из статей А. Файна фактически так и называется и он дает отрицательный ответ, основываясь, на наш взгляд, прежде всего на традиционном методологическом принципе стандартной КМ: если на данный момент нельзя что-то объяснить - не страшно10. Это "что-то" надо смело вводить и использовать, а уж потом разбираться или в крайнем случае... аксиоматизировать. "Поиск влияний или общих причин является мероприятием внешним для квантовой теории", считает

10Fine A. Do correlations need tojje explained? // Philosophical consequences of quantum theory. Notre Dame (hid.), 1989. P. 175-194.

11Ibid. P. 192.

130 5* 142

2.1.СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ДЕТЕРМИНАЦИЯ КВАНТОВОЙ ТЕЛЕПОРТАЦИИ?

Пожалуй, наиболее интригующей областью применения запутанных состояний является квантовая телепортация12. Целью процедуры квантовой телепортации является передача из одной точки пространства в другую определенного квантового состояния, которая осуществляется с помощью квантовых корреляций. "По своей физической сути квантовая телепортация является переносом квантового состояния с одного физического объекта на другой без прямого взаимодействия между ними"13.

В настоящее время широко используется и обсуждается схема телепортации так называемого неизвестного квантового состояния. Можно предположить, что будут придуманы и другие, более совершенные и эффективные схемы телепортации. Повидимому, основанием для этого может служить выяснение более глубокой природы механизма генерирования квантовых корреляций, которые лежат в основе феномена квантовой телепортации.

Рассмотрим суть этого механизма. Для этого напомним простейшую схему процесса телепортации, расставляя некоторые необходимые нам акценты. Обычно физики не поясняют, что это такое - квантовая коррелированность. Но именно она и составляет фундаментальную, концептуальную проблему квантовой "запутанности".

Процесс телепортации состоит из нескольких последовательных операций. Первый шаг состоит в выполнении (локального) измерения свойств частицы в состоянии \|/ и находящейся поблизости частицы (первой частицы) из квантового канала. Сразу же после окончания измерения (или в какой-то момент его выполнения?) происходит, собственно, самое интересное: квантовая информация о результате измерения (его квантовая составляющая) за счет существования квантовых корреляций мгновенно передается второй частице из квантового канала, удаленной на большое (в принципе - любое) расстояние. В связи с этим возникают следующие вопросы:

В какой момент и каким образом осуществляется передача квантовой информации? Что физически означает мгновенный характер передачи состояния на любые расстояния? Здесь явно

12О процедуре квантовой телепортации можно прочитать в многочисленных работах.

13Баргатин И.В., Гршианин Б.А., Задков В.Н. Запутанные квантовые состояния атомных систем // Успехи физических наук. М., 2001. Т. 174, вып. 6. С. 633.

отсутствует физический смысл, поскольку в физической реальности не может ничего происходить ни мгновенно, ни на любые расстояния. Это было бы неким абсолютом, а в физике принципиально нет и не может быть ничего абсолютного. Следовательно, должна существовать конечная, пусть даже как угодно большая скорость распространения.

Не трудно видеть, что эти вопросы связаны с попыткой выяснения детерминированности одних процессов другими. Поскольку здесь присутствуют квантовые закономерности, то можно было бы сразу предположить, что эти процессы носят спонтанный, стохастический характер. Однако последовательность: "проведение локального измерения - появление квантовой информации" - вполне детерминирована. Поэтому поставленные вопросы вполне корректны. В то же время ответ на самый первый вопрос: б какой момент происходит передача квантовой информации? - действительно квантово-механически неопределен (в силу соотношения неопределенности).

Нам необходимо попытаться понять процесс передачи квантовой информации. Естественно считать, что начало этого процесса - появление квантовой информации. Предположим, что она возникла. Далее мы должны попытаться выяснить, в результате чего она появилась, каков источник и механизм ее возникновения. Естественно предположить, что она появилась в результате выполнения локального измерения над указанными двумя частицами. Более того, локальные измерения как раз и делаются для того, чтобы получить эту информацию.

Возможны, по крайней мере, два варианта трактовки этого измерения: 1) как определенный тип взаимодействия частиц и аппаратуры и 2) как некий почти метафизический процесс креацирования в процессе измерения самой квантовой объектности. Последняя версия имеет свои корни в ряде высказываний, например, Н. Бора. Мы не будем отрицать и такую возможность, но остановимся, с нашей точки зрения, на физически более правдоподобной версии измерения как взаимодействия.

Согласно этому варианту, именно сам акт измерения актуализирует и в этом смысле порождает квантовую информацию о телепортируемом неизвестном квантовом состоянии14, а также "запускает" квантовую коррелированность, которая мгновенно "переносит" эту информацию и которая до этого момента была в потенциальной форме существования. Измерение не создает из

14Teleporting an unknown quanlum state via dual classical and Einstein-Podolsky- Rosen channels / C.H. Bennet et al. // Phys. rev. letters. N.Y., 1993. Vol. 70. P. 1895-1899.

ничего квантовую информацию и квантовые корреляции там, где их не было. Она переводит некую потенциальность, некое свойство квантовой системы, существовавшее в латентной для макронаблюдателя форме, в феноменологическое, наблюдаемое состояние. Собственно говоря, локальное измерение в схеме телепортации необходимо в большей степени в практическом плане. Концептуально физически гораздо важнее то, что произошел акт взаимодействия, в результате которого "пошла", активизировалась квантовая коррелированность. Измерение в данном случае служит своего рода спусковым механизмом телепортации.

О том, что при этом важен сам акт взаимодействия, свидетельствует и ЭПР-эксперимент. В нем именно распад частицы (или системы из двух частиц) со спином 0 на две противоположно разлетающиеся частицы со спином '/2 послужил и "спусковым механизмом", и, по-видимому, источником квантовой коррелированное™. Но если в ЭПР-эксперименте первичный, процесс (взаимодействие) - распад системы частиц спина О непосредственно породил саму нелокальность и квантовую коррелированность15, то в схеме телепортации измерение "вбросило" квантовую информацию в уже приготовленный квантовый канал с корреляцией.

Таким образом, может существовать, по крайней мере, два варианта: 1) измерение является чем-то внешним по отношению к самой телепортации (т.е. мгновенной передаче состояния, а фактически квантовой информации) и необходимо только для создания квантовой и классической информации, т.е. для чисто практических целей работы с информацией; 2) измерение как физический процесс, так же как и ЭПР-распад, автоматически может создавать как квантовую информацию, так и порождать квантово-коррелированную пару квантовых объектов.

Анализ физического содержания процесса квантовой телепортации может дать новые интересные результаты. Например, на наш взгляд, пока не существует окончательного ответа на следующий вопрос: разрушается ли квантовый канал после передачи по нему квантовой информации? Другими словами, перестают ли действовать корреляции между соответствующими (ЭПР-) частицами? Может существовать три возможных ответа: 1) нет; 2) да; 3) вопрос сформулирован некорректно (неточно, вопрос неопределен, не имеет смысла и т.д.). Предположим, что квантовые корреляции не разрушаются, т.е. сохраняются. Следуя этому варианту ответа, можно сделать ряд далеко идущих выводов. Так, учет того, что одна из частиц квантового канала

15 Или только лишь проявил ее пространственно?

(первая частица) в процессе локального измерения с дополни- тельной (по отношению к двум частицам в квантовом канале) третьей частицей (состояние которой и требуется телепортировать) испытала акт взаимодействия (в результате взаимодействия) с этой третьей частицей, означает, что квантовый канал, а следовательно, и квантовые корреляции не разрушаются при последовательном взаимодействии каждой из (ЭПР-) частиц этого канала. Другими словами, процедура квантовой телепортации показывает, что корреляции не разрушаются, если одна из пары коррелированных частиц испытывает взаимодействие или участвует в акте измерения, т.е. взаимодействия с макроскопическим объектом.

Это в свою очередь ведет к тому, что вся Вселенная на всех уровнях физической реальности вплоть до мегаскопического (космологического) должна быть насыщена квантовыми корреляциями. Возможно, в определенные периоды своего существования, например на очень ранних стадиях, она находилась даже в корреляционно перенасыщенном состоянии. Несомненно, что это было особое состояние Вселенной, о котором пока нет ясных представлений.

Ответ - "да" означает, что при измерении происходит редукция \|/-функции и канал разрушается16. Выше мы уже отмечали, что склонны рассматривать процесс квантового измерения как особый (специфический) тип физического процесса взаимодействия квантовой частицы с макроскопическим объектом (с макроскопическим окружением). Но и в рамках исключительно микромира, в котором не существует макрообъектов, невозможно сомневаться, на наш взгляд, в том, что между квантовыми частицами также происходят взаимодействия. Пока же об этих взаимодействиях физика может говорить только в их проекции на макрообъект. Собственно это и задает специфику квантовой теории. Если квантовые частицы - физические объекты, то они должны взаимодействовать между собой и без существования макроскопических приборов.

Но тогда возникает следующий вопрос: при таком специфически микроскопическом взаимодействии также происходит редукция волновой функции и корреляции могут разрушиться. Если понятие редукции \|/-функции возникло, исходя из результатов взаимодействия микрообъекта с макрообъектом в процессе измерения, то обстоит ли дело аналогичным образом в самом микромире в отсутствие макроприбора? Эпистемологическая труд-

16Напомним, что группа Гисина измеряла скорость распространения корреляций при условии реальности коллапса волновой функции.

ность заключается в том, что для ответа в результатах опыта следует отбросить всё, что хоть как-то связано с макроскопичностью, и попытаться выделить "чисто микроскопический остаток".

Собственно, так или почти так и строилась квантовая механика, хотя в целом ее построение определялось принципиально прагматическими и позитивистскими установками.

2.2.РЕЛЯЦИОННЫЙ КВАНТОВЫЙ ХОЛИЗМ

Вотличие от подхода ЭПР к пониманию элемента физической реальности, И.З. Цехмистро предлагает принять тезис об относительности и неуниверсальности понятия элемент и множество в описании физической реальности и фундаментального свойства целостности и конечной неразложимости мира на элементы и множества. "У нас нет кубика-объекта как отдельного элемента (события), хотя бы и ведущего себя случайным образом. Имеются лишь определенные возможности выцеления в эксперименте той или другой величины - характеристики объекта, но всегда лишь относительно выделяемой из целостной и в конечном счете неразложимой на элементы и множества физической ситуации. Какая-то одна величина проявляется лишь за счет стирания (растворения, исчезновения) других канонически сопряженных, но некоммутирующих с нею величин. Так что они никогда не существуют как совместно определенные: ведь квантового объекта нет как отдельного и вполне определенного элемента (вроде кубика), а есть только вероятности формирования тех или иных его характеристик-величин, задаваемые определенными макроусловиями. Причем, поскольку возникающие здесь вероятности относятся к возможностям выделения тех или иных элементов из целостного и единого, в конечном счете неразложимого на элементы состояния, то они оказываются естественным образом взаимосогласованными и взаимно скоррелированными самим этим фактом принадлежности их единому и неделимому целостному состоянию. Это означает, что интерференцию вероятностей можно наблюдать только для вероятностей, присущих одному событию, а не для двух разных событий, формируемых в двух разных экспериментах или в разных актах воспроизведения события в одном эксперименте. Действитель-

но, как предсказывает теория и показывает эксперимент (R.L. Pfleegor and L. Mandel)17, фотон интерферирует только с са-

17 См.: Цехмистро И.З. Импликативно-логическая природа квантовых корреляций // Успехи физических наук. М., 2001. Т. 171, вып. 4. С. 457.

мим собою и никогда не интерферирует с другим фотоном, рож- денным в другом акте испускания"18.

В рамках своей трактовки несепарабельности И.З. Цехмистро предлагает распространить общий релятивистский подход в физике на понятия "элемент" и "множество". «Релятивизация понятий "элемент" и "множество" означает, что в конечном счете мир существует как неделимая целостность, а не множество (ка- ких-либо элементов)»19. «В сущности, - считает он, - всё, что мы познаем в природе - это отношения, и всякое наше знание сводится в конечном счете к знанию отношений. Всевозможные "элементы" = "объекты", которые мы вводим в картину природы, в конце концов тоже оказываются лишь некоторыми "узлами" в отношениях и на сети отношений»20.

"Квантовая неделимая целостность как свойство мира определяет импликативно-логические свойства структуры им же порождаемых потенциальных возможностей квантовых систем, что нашло строгое подтверждение в квантово-корреляционных экспериментах". "Редукция волновой функции и квантово-кор- реляционные эффекты являются тривиальным следствием импликативно-логической организации потенциальных возможностей в квантовых системах. Эти эффекты имеют не физически-причинную и не материальную, но реляционную природу..."21.

С точки зрения И.З. Цехмистро, фундаментальное свойство целостности и неделимости формально выражается ячейкой hN в фазовом пространстве системы22. Однако, с нашей точки зрения, такое представление целостности и неделимости не совсем корректно. И действительно, раз есть hN - то это уже не целостность, а дискретность: во-первых, N - конечно, во-вторых, присутствует h. Прямое и буквальное прочтение предлагаемой записи - hN: существует множество неких квантованных ячеек, причем ячеек фазового пространства системы. Абстрактные понятия, к которым относится и понятие фазового пространства, может быть и целостным и неделимым - формально каким угодно. Но обладает ли такими же возможностями и реалиями так называемое физическое или реальное пространство (пространство и время или пространство-время)? И тем более одна из его ячеек? Скорее всего такие ячейки представляют собой локально-цело- стное образование; оно - относительно целостно.

18Там же.

19Там же. С. 452.

20Там же.

21Там же.

22См.: Там же. С. 454.