Может ли сегодня определить вчера?
(Источник: Shutterstock/Sam72)

Что вы делаете сегодня, может повлиять на то, что произошло вчера - это странное заключение мысленного эксперимента в квантовой физике описывается в препринте статьи Якира Ааронова (Yakir Aharonov) из Тель-Авивского университета в Израиле и коллег.

Это кажется невозможным, ведь действительно, при этом нарушается один из самых заветных принципов науки - причинность - но исследователи говорят, что правила квантового мира сговариваются с целью сохранения причинности, «скрывая» влияние будущих выборов, пока эти выборы будут фактически сделаны.

В основе этой идеи находится квантовое явление «нелокальности», в котором две или более частиц существуют во взаимосвязанных или «запутанных» состояниях, остающихся неопределенными, до тех пор, пока не будет произведено измерение на одной из них. Как только измерение произошло, состояние другой частицы мгновенно фиксируется, как бы далеко она ни была. Альберт Эйнштейн впервые указал на это мгновенное «действие на расстоянии» в 1935 году, когда он заявил о неполноте квантовой теории. Современные эксперименты подтвердили, что это мгновенное действие, по сути, реально, и теперь оно является ключом к практическим квантовым технологиям, таким как квантовые вычисления и криптография.

Ааронов и его коллеги описывают эксперимент для большой группы запутанных частиц. Они утверждают, что при определенных условиях, выбор экспериментатором измерения состояния частиц, как можно показать, влияет на состояния частиц в более раннее время, когда еще не было сделано измерение. По сути, раннее «слабое» измерение предполагает выбор, сделанный в более позднем «сильном» измерении.

4D, а не 3D

Работа основывается на способе восприятия запутанности, называемом «формализм двух векторов состояния» (TSVF - two-state vector formalism), предложенный Аароновым три десятилетия назад. TSVF считает, что корреляции имеются между частицами в 4D пространстве-времени, а не 3D-пространстве. «В трех измерениях это похоже на чудесное влияние между двумя отдаленными частицами», говорит коллега Ааронова Авшалом Элицур (Avshalom Elitzur) из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль. «В пространстве-времени, как целом, это постоянное взаимодействие простирается между прошлыми и будущими событиями».

Ааронов с коллегами уже открыл замечательное следствие TSVF, имеющее отношение к вопросу о том, что такое состояние частицы между двумя измерениями - квантовая версия знаменитой головоломки Эйнштейна о том, как мы можем быть уверены в существовании Луны, не глядя на нее. Как вы можете узнать о частицах без их измерения? TSVF показывает, что это можно сделать по промежуточной информации - за счет достаточно "слабых" измерений на множестве запутанных частиц, подготовленных одинаково и вычисляя статистическое среднее.

Нежные измерения

Теория слабых измерений - впервые была предложена и разработана Аароновым и его группой в 1988 году - подсказывает, что можно «нежно» или «слабо» измерить квантовую систему и получить некоторую информацию об одном свойстве (например, положение) без заметного нарушения дополнительного свойства (импульс) и, следовательно, будущей эволюции системы. Несмотря на то, что количество информации, полученной в каждом измерении мизерное, но в среднем несколько измерений дают точную оценку значения свойства, не искажая его конечное значение.

Каждое слабое измерение может рассказать кое-что о вероятности различных состояний (спин вверх или вниз, например) - хотя и с большой ошибкой - без фактического коллапса частиц в определенные состояния, как это случилось бы с сильным измерением. «Слабые измерения хоть и изменяют измеряемые состояния, но и информирует вас о полученном локализованном состоянии», говорит Элицур. «Но это работает очень слабо, и изменение, привносимое в систему слабее, чем информация, получаемая вами».

В результате, объясняет Элицур: «каждое отдельное слабое измерение само по себе почти ничего не говорит. Измерения дают надежные результаты только после того, как вы сложите их все. Тогда ошибки пропадают, и вы можете извлечь некоторую информацию об ансамбле в целом».

В мысленном эксперименте исследователей, результаты этих слабых измерений согласуются с результатами последующих сильных измерений, в которых экспериментатор выбирает свободно ориентацию спина для измерения - хотя состояния частиц по-прежнему неопределенные после слабых измерений. Что это означает, объясняет Элицур - в рамках TSVF «частица между двумя измерениями обладает двумя состояниями, свидетельствующими, как о ее прошлом, так и о будущем».

Природа не суетиться

Загвоздка в том, что только добавлением последующей информации от сильного измерений можно выявить, что слабые измерения «действительно» сказали. Эта информация была уже там, - но только в зашифрованном виде и открывается в ретроспективе. Таким образом, причинность сохраняется, даже если и не так, как мы привыкли. Почему существует эта цензура не ясно, кроме как с почти метафизической точки зрения. «Природа, как известно, никогда не беспокоится о кажущейся несовместимости», говорит Элицур. «Так что не будем уповать на открытую причинность назад - люди убивают своих дедов и так далее».

Элицур говорит, что некоторые специалисты по квантовой оптике выразили заинтересованность в проведении эксперимента в лаборатории, который, как он считает, должен быть не сложнее, чем предыдущие исследования запутанности.

Чарльз Беннетт из IBM T J Watson Research Center в Йорктаун Хайтс в Нью-Йорке, являющийся специалистом в области квантовой теории информации, не уверен в предлагаемом эксперименте. Он смотрит на TSVF только как на один способ осмысления результатов, и считает, что результаты могут быть интерпретированы без всякой видимой «причинности назад», так что авторы возводят соломенное чучело. «Для того, чтобы их соломенное чучело казалось реальнее, они используют язык, скрывающий принципиальное различие между связью и корреляцией», говорит он, и добавляет, что это как эксперимент в квантовой криптографии, когда отправитель посылает получателю ключ для расшифровки перед отправкой (или даже принятия решения об отправке) сообщения, а затем утверждает, что ключ является каким-то «ожиданием» сообщения.

Тем не менее, Ааронов и коллеги подозревают, что их выводы могут даже повлиять на свободную волю. «Наша группа остается несколько разобщенной по этим философским вопросам», говорит Элицур. Точка зрения Ааронова, говорит он, «несколько талмудическая: все, что вы собираетесь сделать уже известно Богу, но у вас еще есть выбор».

Препринт работы доступен на сервере arXiv .

Об авторе

Филип Болл (Philip Ball), Великобритания.

Перевод: Олег Кириллов