Можно ли применить квантовую запутанность для коммуникаций быстрее света?

В прошлом месяце миллиардер Юрий Мильнер и астрофизик Стивен Хокинг объявили о проекте Breakthrough Starshot: невероятно амбициозном плане отправить первый сделанный людьми космический аппарат в другую звездную систему в нашей галактике. Гигантский лазерный массив мог бы запустить аппарат размером с микрочип к другой звезде на скорости в 20% от световой. Но непонятно, как это небольшое устройство сможет связаться с нами через огромное межзвездное пространство. Как насчет квантовой запутанности? Можно ли применить ее для такой связи?

Такая идея, безусловно, заслуживает внимания.

Представьте себе две монеты, каждая из которых может выпасть орлом или решкой. Одна монета у вас, другая у меня, а мы находимся чрезвычайно далеко друг от друга. Мы подбрасываем свои монетки в воздух, ловим их и шлепаем на стол. Перед тем как взглянуть на выпавшую фигуру, мы ожидаем, что решка выпадет с вероятностью в 50/50, и орел, конечно, также. В обычной, незапутанной Вселенной, ваш и мой результаты будут независимы друг от друга. Если у вас выпадет решка, моя монета с вероятностью в 50% упадет орлом или решкой. Но при определенных условиях эти результаты могут быть запутаны: если вы проводите этот эксперимент и получает решку, вы будете знать, что моя монета с вероятностью в 100% покажет орла, еще до того, как я вам об этом сообщу. Вы узнаете об этом мгновенно, даже если мы будем разделены световыми годами и не пройдет ни единой секунды.

В квантовой физике мы обычно запутываем не монеты, а отдельные частицы, вроде электронов и фотонов, где, например, каждый фотон может иметь спин +1 или -1. Если измерить спин одного фотона, вы мгновенно узнаете спин другого, даже если он будет за полвселенной от нас. Пока вы не измерите спин одного фотона, они оба существуют в неопределенном состоянии; но как только измерили один, вы сразу же узнаете о нем. На Земле мы проводили такой эксперимент, разделив два запутанных фотона многими километрами и измерив их спины в течение наносекунды. Оказалось, что если мы измеряем спин одного и он оказывается +1, мы узнаем о том, что спин другого -1 в 10000 раз быстрее, чем могла бы позволить нам скорость света.

И вот вопрос: могли бы мы использовать это свойство — квантовую запутанность — чтобы связаться с далекой звездной системой? Ответ: да, если считать проведение измерения в удаленном месте формой связи. Но когда вы говорите «связь», обычно вы хотите что-то узнать о том месте, с которым связываетесь. Вы можете, например, держать запутанную частицу в неопределенном состоянии, отправить ее на борту космического аппарата к ближайшей звезде и сказать ему искать признаки твердых планет в пределах обитаемой зоны этой звезды. Увидев такую, он проводит измерение, которое приводит к тому, что ваша частица окажется в состоянии +1, а если нет, то проведение измерения покажет, что ваша частица в состоянии -1.

Таким образом, предположите вы, частица на Земле должна быть в состоянии -1, когда вы измеряете ее, что скажет о том, что космический аппарат нашел планету в обитаемой зоне, или же в состоянии +1, что скажет о том, что аппарат планету не нашел. Если вы знаете о том, что измерение было проведено, вы сможете сделать собственное измерение и мгновенно узнать о состоянии другой частицы, даже если она за много световых лет от вас.

Волновой рисунок для электронов, проходящих через двойную щель. Если измерить, через какую щель проходит электрон, этим вы уничтожите рисунок квантовой интерференции.

План прекрасен. Но есть проблема: запутанность работает, только если вы спрашиваете частицу: в каком ты состоянии? Если вы помещаете запутанную частицу в определенное состояние, вы разрушаете запутанность, и измерение проводимое на Земле будет полностью независимым от измерения далекой звезды. Если вы просто измерили далекую частицу (и выяснили: +1 или -1), тогда ваше измерение на Земле тоже будет -1 или +1 (соответственно) и даст вам информацию о частице, расположенной за световые годы от вас. Если же вы погрузите частицу в состояние +1 или -1, то вне зависимости от результата ваша частица на Земле будет с 50% вероятностью +1 или -1 и ничего не скажет о частице за много световых лет.

Это одна из самых непонятных вещей в квантовой физике: запутанность можно использовать для получения информации о компоненте системы, когда вы знаете полное ее состояние и проводите измерение другого компонента (-ов), но не для создания и передачи информации из одной части запутанной системы в другую. Поэтому никакой возможности для связи быстрее света не появляется.

Квантовая запутанность — это удивительное свойство, которое мы можем использовать для кучи разных задач, вроде совершенной системы шифрования информации. Но связь быстрее света? Чтобы понять, почему это невозможно, нам нужно понять ключевое свойство квантовой физики: что насильственное погружение хотя бы части запутанной системы в одно состояние не позволяет вам получить информацию об этом погружении через измерение оставшейся части системы. Как однажды точно подметил Нильс Бор, «если квантовая механика еще глубоко не шокировала вас, вы это еще не поняли».

Вселенная играет с нами в кости постоянно, к большому огорчению Эйнштейна. Даже наши лучшие попытки схитрить в этой игре природа выявляет на корню.