Квантовая запутанность. Квантовая запутанность простыми словами. Чудеса продолжаются

· Квантовая хромодинамика · Стандартная модель · Квантовая гравитация

См. также: Портал:Физика

Ква́нтовая запу́танность (см. раздел « ») - квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий , что находится в логическом противоречии с принципом локальности . Например, можно получить пару фотонов , находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

История изучения

Спор Бора и Эйнштейна, ЭПР-Парадокс

Копенгагенская интерпретация квантовой механики рассматривает волновую функцию до её измерения как находящуюся в суперпозиции состояний .
На рисунке изображены орбитали атома водорода с распределениями плотностей вероятности (чёрный - нулевая вероятность, белый - наибольшая вероятность). В соответствии с Копенгагенской интерпретацией при измерении происходит необратимый коллапс волновой функции и та принимает определённое значение, при этом предсказуем только набор возможных значений, но не результат конкретного измерения.

В продолжение начавшихся споров, в 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали ЭПР-парадокс , который должен был показать неполноту предлагаемой модели квантовой механики. Их статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» была опубликована в №47 журнала «Physical Review» .

В ЭПР-парадоксе мысленно нарушался принцип неопределённости Гейзенберга : при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение, можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось. Анализируя в том же году подобные теоретически взаимозависимые системы, Шрёдингер назвал их «запутанными» (англ. entangled ) . Позднее англ. entangled и англ. entanglement стали общепринятыми терминами в англоязычных публикациях . Следует отметить, что сам Шрёдингер считал частицы запутанными, только пока они физически взаимодействовали друг с другом. При удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезала . То есть значение термина у Шрёдингера отличается от того, которое подразумевается в настоящее время.

Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну он назвал подобную связь между запутанными частицами «жутким дальнодействием» (нем. spukhafte Fernwirkung , англ. spooky action at a distance в переводе Борна) :

Поэтому я не могу в это поверить, так как (эта) теория непримирима с принципом того, что физика должна отражать реальность во времени и пространстве, без (неких) жутких дальнодействий.

Оригинальный текст (нем.)

Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.

- «Entangled systems: new directions in quantum physics»

Уже в следующем номере «Physical Review» Бор опубликовал свой ответ в статье с таким же заголовком, как и у авторов парадокса . Сторонники Бора посчитали его ответ удовлетворительным, а сам ЭПР-парадокс - вызванным неправильным пониманием сути «наблюдателя» в квантовой физике Эйнштейном и его сторонниками . В целом большинство физиков просто устранилось от философских сложностей Копенгагенской интерпретации. Уравнение Шрёдингера работало, предсказания совпадали с результатами, и в рамках позитивизма этого было достаточно. Гриббин пишет по этому поводу : «чтобы добраться из точки А в точку Б, водителю необязательно знать, что происходит под капотом его машины». Эпиграфом же к своей книге Гриббин поставил слова Фейнмана :

Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя „Да как же это возможно?“ - так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.

Неравенства Белла, экспериментальные проверки неравенств

Такое состояние дел оказалось не слишком удачным для развития физической теории и практики. «Запутанность» и «жуткие дальнодействия» игнорировались почти 30 лет , пока ими не заинтересовался ирландский физик Джон Белл . Вдохновлённый идеями Бома (см. Теория де Бройля - Бома), Белл продолжил анализ ЭПР-парадокса и в 1964 сформулировал свои неравенства . Весьма упрощая математические и физические составляющие, можно сказать, что из работы Белла следовали две однозначно распознаваемые ситуации при статистических измерениях состояний запутанных частиц. Если состояния двух запутанных частиц определены в момент разделения, то должно выполняться одно неравенство Белла. Если состояния двух запутанных частиц неопределены до измерения состояния одной из них, то должно выполняться другое неравенство.

Неравенства Белла предоставили теоретическую базу для возможных физических экспериментов, однако по состоянию на 1964 год техническая база не позволяла ещё их поставить. Первые успешные эксперименты по проверке неравенств Белла были осуществлены Клаузером (англ.) русск. и Фридманом в 1972 году . Из результатов следовала неопределённость состояния пары запутанных частиц до проведения измерения над одной из них. И всё же до 80-х годов XX века квантовая сцепленность рассматривалась большинством физиков как «не новый неклассический ресурс, который можно использовать, а скорее как конфуз, ждущий окончательного разъяснения» .

Однако за экспериментами группы Клаузера последовали эксперименты Аспэ (англ.) русск. в 1981 году . В классическом эксперименте Аспэ (см. ) два потока фотонов с нулевым суммарным спином , вылетавшие из источника S , направлялись на призмы Николя a и b . В них за счёт двойного лучепреломления происходило разделение поляризаций каждого из фотонов на элементарные, после чего пучки направлялись на детекторы D+ и D– . Сигналы от детекторов через фотоумножители поступали в регистрирующее устройство R , где вычислялось неравенство Белла.

Результаты, полученные как в опытах Фридмана–Клаузера, так и в опытах Аспэ, чётко говорили в пользу отсутствия эйнштейновского локального реализма . «Жуткое дальнодействие» из мысленного эксперимента окончательно стало физической реальностью. Последний удар по локальности был нанесён в 1989 году многосвязными состояниями Гринбергера - Хорна - Цайлингера (англ.) русск. , заложившими базис квантовой телепортации . В 2010 году Джон Клаузер (англ.) русск. , Ален Аспэ (англ.) русск. и Антон Цайлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике «за фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла (или расширенных версий этих неравенств) с использованием запутанных квантовых состояний» .

Современный этап

В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Помимо прочего, это позволило произвести временны́е измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме . При меньшей скорости временные задержки были бы замечены .

Летом того же года другой группе исследователей из австрийского (англ.) русск. , включая Цайлингера, удалось поставить ещё более масштабный эксперимент, разнеся потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Ла Пальма и Тенерифе . Обработка и анализ столь масштабного эксперимента продолжаются, последняя версия отчёта была опубликована в 2010 году . В данном эксперименте удалось исключить возможное влияние недостаточного расстояния между объектами в момент измерения и недостаточной свободы выбора настроек измерения. В результате были ещё раз подтверждены квантовая запутанность и, соответственно, нелокальная природа реальности. Правда, осталось третье возможное влияние - недостаточно полной выборки. Эксперимент, в котором все три потенциальных влияния будут исключены одновременно, на сентябрь 2011 года является вопросом будущего.

В большинстве экспериментов с запутанными частицами используются фотоны. Это объясняется относительной простотой получения запутанных фотонов и их передачи в детекторы, а также бинарной природой измеряемого состояния (положительная или отрицательная спиральность). Однако явление квантовой запутанности существует и для других частиц и их состояний. В 2010 году международный коллектив учёных из Франции, Германии и Испании получил и исследовал запутанные квантовые состояния электронов , то есть частиц с массой, в твёрдом сверхпроводнике из углеродных нанотрубок . В 2011 году исследователям из удалось создать состояние квантовой запутанности между отдельным атомом рубидия и конденсатом Бозе-Эйнштейна , разнесёнными на расстояние 30 метров .

Название явления в русскоязычных источниках

При устойчивом английском термине Quantum entanglement , достаточно последовательно использующимся в англоязычных публикациях, русскоязычные работы демонстрируют широкое разнообразие узуса . Из встречающихся в источниках по теме терминов можно назвать (в алфавитном порядке):

Такое разнообразие можно объяснить несколькими причинами, в том числе объективным наличием двух обозначаемых объектов: а) само состояние (англ. quantum entanglement ) и б) наблюдаемые эффекты в этом состоянии (англ. spooky action at a distance ), которые во многих русскоязычных работах различаются по контексту, а не терминологически.

Математическая формулировка

Получение запутанных квантовых состояний

В простейшем случае источником S потоков запутанных фотонов служит определённый нелинейный материал, на который направляется лазерный поток определённой частоты и интенсивности (схема с одним эммитером) . В результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР) на выходе получаются два конуса поляризации H и V , несущие пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотонов) .

Квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как ее называл Альберт Эйнштейн - это квантовомеханический феномен, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется даже если объекты удалить друг от друга за много километров. Например, можно запутать пару фотонов, увести один из них в другую галактику, а потом измерить спин второго фотона - и он будет противоположен спину первого фотона, и наоборот. Квантовую запутанность пытаются приспособить для мгновенной передачи данных на гигантские расстояния или даже для телепортации.

Современные компьютеры дают довольно много возможностей по моделированию самых разных ситуаций. Однако любые вычисления будут в некоторой степени «линейны», так как они подчиняются четко прописанным алгоритмам и не могут от них отступить. И эта система не позволяет симулировать сложные механизмы, в которых случайность — это практически постоянное явление. Речь идет о симуляции жизни. А какое устройство могло бы позволить это сделать? Квантовый компьютер! Именно на одной из таких машин был запущен самый масштабный проект по симуляции квантовой жизни.

  1. 5. Что такое квантовая запутанность? Суть простыми словами.
    Возможна ли телепортация?

    Мы в фантастических фильмах и книгах часто встречаемся с телепортацией. Вы задумывались, почему то, что придумали писатели, со временем становится нашей реальностью? Как им удаётся предсказывать будущее? Думаю, это не случайность. Часто писатели-фантасты обладают обширными знаниями по физике и другим наукам, что в сочетании с их интуицией и незаурядной фантазией помогает им построить ретроспективный анализ прошлого и смоделировать события будущего.

    Из статьи Вы узнаете:
    Что такое квантовая запутанность?
    Спор Энштейна с Бором. Кто прав?
    Теорема Белла. Спор разрешён?
    Подтверждена ли телепортация экспериментально?

    Что такое квантовая запутанность?

    Понятие «квантовая запутанность» появилось из теоретического предположения, вытекающего из уравнений квантовой механики. Оно означает вот что: если 2 квантовые частицы (ими могут быть электроны, фотоны) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то связь сохраняется, даже если их разнести в разные части Вселенной ​


    Открытие квантовой запутанности в некоторой степени объясняет теоретическую возможность телепортации.

    Если получить пару фотонов одновременно, то они окажутся связанными (запутанными). А если замерить спин одного из них и он окажется положительным, то спин 2-го фотона – будьте уверены – мгновенно станет отрицательным. И, наоборот.

    Если коротко, то спином квантовой частицы (электрона, фотона) называется ёё собственный угловой момент. Спин можно представить в виде вектора, а саму квантовую частицу – в виде микроскопического магнитика.
    Важно понять, что когда за квантом, например, электроном никто не наблюдает, то он имеет все значения спина одновременно. Это фундаментальное понятие квантовой механики называется «суперпозицией». ​


    Представьте, что Ваш электрон вращается одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки. То есть он сразу в обоих состояниях спина (вектор спина вверх/вектор спина вниз). Представили? ОК. Но как только появляется наблюдатель и измеряет его состояние, электрон сам определяет, какой вектор спина ему принять – вверх или вниз.

    Хотите узнать, как измеряют спин электрона? Его помещают в магнитное поле: электроны со спином против направления поля, и со спином по направлению поля отклонятся в разные стороны. Спины фотонов измеряют, направляя в поляризационный фильтр. Если спин (или поляризация) фотона «-1», то он не проходит через фильтр, а если «+1», то проходит.

    Резюме. Как только Вы измерили состояние одного электрона и определили, что его спин «+1», то связанный или «запутанный» с ним электрон принимает значение спина «-1». Причём моментально, даже если он находится на Марсе. Хотя до измерения состояния 2-го электрона, он имел оба значения спина одновременно («+1» и «-1»).

    Этот парадокс, доказанный математически, очень не нравился Энштейну. Потому что он противоречил его открытию, что нет скорости больше, чем скорость света. Но понятие запутанных частиц доказывало: если одна из запутанных частиц будет находиться на Земле, а 2-я – на Марсе, то 1-я частица в момент замера ёё состояния мгновенно (быстрее скорости света) передаёт 2-й частице информацию, какое значение спина ей принять. А именно: противоположное значение.

    Спор Энштейна с Бором. Кто прав?

    Энштейн называл «квантовую запутанность» SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (нем.) или пугающим, призрачным, сверхъестественным действием на расстоянии .​


    Энштейн не соглашался с интерпретацией Бора о квантовой запутанности частиц. Потому что это противоречило его теории, что информация не может передаваться со скоростью больше скорости света. В 1935 году он опубликовал статью с описанием мысленного эксперимента. Этот эксперимент назвали «Парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена».

    Энштейн соглашался, что связанные частицы могут существовать, но придумал другое объяснение мгновенной передачи информации между ними. Он сказал, что «запутанные частицы» скорее напоминают пару перчаток. Представьте, что у Вас пара перчаток. Левую Вы положили в один чемодан, а правую – во второй. 1-й чемодан Вы отправили другу, а 2-й – на Луну. Когда друг получит чемодан, он будет знать, что в чемодане либо левая, либо правая перчатка. Когда же он откроет чемодан и увидит, что в нём левая перчатка, то он мгновенно узнает, что на Луне – правая. И это не означает, что друг повлиял на то, что в чемодане левая перчатка и не означает, что левая перчатка мгновенно передала информацию правой. Это только означает то, что свойства перчаток были изначально такими с момента, как их разделили. Т.е. в запутанные квантовые частицы изначально заложена информация об их состояниях.

    Так кто же был прав Бор, который считал, что связанные частицы передают друг другу информацию мгновенно, даже если они разнесены на огромные расстояния? Или Энштейн, который считал, что никакой сверхъестественной связи нет, и всё предопределено задолго до момента измерения.​


    Этот спор на 30 лет переместился в область философии. Разрешился ли спор с тех времён?

    Теорема Белла. Спор разрешён?

    Джон Клаузер, будучи ещё аспирантом Колумбийского университета, в 1967 отыскал забытую работу ирландского физика Джона Белла. Это была сенсация: оказывается Беллу удалось вывести из тупика спор Бора и Энштейна . Он предложил экспериментально проверить обе гипотезы. Для этого он предложил построить машину, которая бы создавала и сравнивала много пар запутанных частиц. Джон Клаузер принялся разрабатывать такую машину. Его машина могла создавать тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по разным параметрам. Результаты экспериментов доказывали правоту Бора.

    А вскоре французский физик Ален Аспе провёл опыты, один из которых касался самой сути спора между Энштейном и Бором. В этом опыте измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от 1-й ко 2-й прошёл бы со скоростью, превышающей скорость света. Но сам Энштейн доказал, что это невозможно. Оставалось только одно объяснение – необъяснимая, сверхъестественная связь между частицами.

    Результаты опытов доказали, что теоретическое предположение квантовой механики – верно. Квантовая запутанность – это реальность (Квантовая запутанность Википедия). Квантовые частицы могут быть связанными несмотря на огромные расстояния. Измерение состояния одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от нёё 2-й частицы так, как если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественная связь на расстоянии происходит в действительности. ​


    Остаётся вопрос, возможна ли телепортация?

    Подтверждена ли телепортация экспериментально?

    Японские учёные ещё в 2011 году впервые в мире телепортировали фотоны! Мгновенно переместили из пункта А в пункт Б пучок света.
    Для этого Нориюки Ли со своими коллегами разложили свет на частицы – фотоны. Один фотон был «квантово запутанным» с другим фотоном. Фотоны были взаимосвязанными, хотя находились в разных точках. Учёные уничтожили 1-й фотон в точке А, но он был мгновенно воссоздан в точке Б благодаря их «квантовой запутанности». До телепортации Кота Шрёдингера ещё, конечно, далеко, но 1-й шаг уже сделан.

    Хотите, чтобы за 5 минут всё, что Вы прочитали о квантовой запутанности, разложилось по полочкам – посмотрите это замечательное видео.

    Вот версия описания эксперимента Кот Шредингера простыми словами:

    В закрытый стальной ящик поместили кота.
    В «ящике Шредингера» есть устройство с радиоактивным ядром и ядовитым газом, помещённым в ёмкость.
    Ядро может распасться в течение 1 часа или нет. Вероятность распада – 50%.
    Если ядро распадётся, то счётчик Гейгера зафиксирует это. Сработает реле и молоточек разобьёт ёмкость с газом. Котик Шрёдингера умрёт.
    Если – нет, то шредингеровский кот будет жив.

    Согласно закону «суперпозиции» квантовой механики в то время, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (а следовательно, и кот) находится в 2-х состояниях одновременно. Ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся. А кот – в состоянии жив/мертв одновременно.

    Но мы точно знаем, если «ящик Шредингера» открыть, то кот может быть только в одном из состояний:

    Если ядро не распалось – наш кот жив,
    если ядро распалось – котик мёртв.

    Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно , но согласно законов физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым . Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.​


    Перед тем, как получить разгадку, посмотрите эту замечательную видео-иллюстрацию парадокса эксперимента с котом Шрёдингера (меньше 2-х минут):

    Разгадка парадокса Кота Шрёдингера – копенгагенская интерпретация

    Теперь разгадка. Обратите внимание на особую загадку квантовой механики – парадокс наблюдателя . Объект микромира (в нашем случае, ядро) находится в нескольких состояниях одновременно только пока мы не наблюдаем за системой .

    Например, знаменитый эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем. Когда пучок электронов направляли на непрозрачную пластину с 2-мя вертикальными щелями, то на экране за пластиной электроны рисовали «волновую картину» - вертикальные чередующиеся тёмные и светлые полосы. Но когда экспериментаторы захотели «посмотреть», как электроны пролетают сквозь щели и установили со стороны экрана «наблюдателя», электроны нарисовали на экране не «волновую картину», а 2 вертикальные полосы. Т.е. вели себя, не как волны, а как частицы.​


    Похоже на то, что квантовые частицы сами решают, какое состояние им принять в момент, когда их «замеряют».

    Исходя из этого, современное копенгагенское пояснение (интерпретация) феномена «Кота Шредингера» звучит так:

    Пока никто не наблюдает за системой «кот-ядро», ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся одновременно. Но ошибочно утверждать, что и кот жив/мёртв одновременно. Почему? Да потому что в макросистемах квантовые явления не наблюдаются. Правильнее говорить не о системе «кот-ядро», а о системе «ядро-детектор (счётчик Гейгера)».

    Ядро выбирает одно из состояний (распавшееся/нераспавшееся) в момент наблюдения (или измерения). Но этот выбор происходит не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик (открытие ящика происходит в макромире, очень далёком от мира ядра). Ядро выбирает своё состояние в момент, когда оно попадает в детектор. Дело в том, что в эксперименте система описана недостаточно.

    Таким образом, копенгагенская интерпретация парадокса Кота Шредингера отрицает, что до момента открытия ящика Кот Шредингера был в состоянии суперпозиции – находился в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макромире может находится и находится только в одном состоянии.​


    Резюме. Шредингер не совсем полно описал эксперимент. Не правильно (точнее, невозможно связывать) макроскопические и квантовые системы. В наших макросистемах не действуют квантовые законы. В данном эксперименте взаимодействуют не «кот-ядро», а «кот – детектор-ядро». Кот из макромира, а система «детектор-ядро» – из микромира. И только в своём квантовом мире ядро может находиться в 2-х состояниях одновременно. Это происходит до момента измерения или взаимодействия ядра с детектором. А кот в своём макромире может находиться и находится только в одном состоянии. Поэтому, это только на 1-й взгляд кажется, что состояние кота «жив-мёртв» определяется в момент открытия ящика. На самом деле его судьба определяется в момент взаимодействия детектора с ядром.

    Окончательное резюме. Состояние системы «детектор-ядро - кот» связано НЕ с человеком – наблюдателем за ящиком, а с детектором – наблюдателем за ядром.​


    Фух. Чуть мозги не закипели! Но как приятно самой понять разгадку парадокса! Как в старом студенческом анекдоте про преподавателя: «Пока рассказывал, сам понял!».

    Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

    Теперь можно расслабиться и послушать самую свежую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера от Шелдона. Суть его интерпретации в том, что ёё можно применять в отношениях между людьми. Чтобы понять, хорошие отношения между мужчиной и женщиной или плохие – нужно открыть ящик (пойти на свидание). А до этого они, и хорошие, и плохие одновременно.

    ссылка
    .

  2. 7. Что такое квантовый компьютер и для чего он нужен? Просто о сложном.

    Если квантовая механика не шокировала Вас, значит Вы ёё не поняли - Нильс Бор​


    Загадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира – учёные хотят поставить на службу нашему с Вами макромиру. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками и мысленных экспериментах, а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора.

    Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы . Похоже мы с Вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой!​


    Поисковые системы интернета переполнены запросами: «наука и технологии новости», «квантовый компьютер новости», «что такое кубит, суперпозиция кубитов?», «что такое квантовый параллелизм?». Хотите тоже узнать на них ответы?

    В этой статье мы вместе найдём ответы на эти загадочные вопросы:

    Как работает квантовый компьютер?
    Что такое кубит и суперпозиция кубитов?
    Для каких задач нужен квантовый компьютер?
    Задача коммивояжёра и задача рюкзака
    Почему боятся появления квантового компьютера?
    Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?
    Будет ли служить квантовый компьютер заменой обычному?

    Как работает квантовый компьютер?

    В чём отличие работы квантового компьютера от компьютеров, с которыми мы работаем?

    Обычный компьютер в качестве логической единицы информации имеет бит. Биты могут принимать только 2 значения – 0 или 1. А квантовый компьютер оперирует квантовыми битами – кубитами (сокращённо). Кубиты имеют не материальную (физическую), а квантовую природу. Поэтому могут одновременно принимать значения и 0, и 1, и все значения комбинаций этих 2- х основных.

    Именно благодаря квантовой природе кубита и его способности принимать одновременно несколько значений, квантовые компьютеры имеют способность решать большое количество задач параллельно, т.е. одновременно. В то время, как бит обычного компьютера перебирает все возможные значения последовательно. Таким образом, задачу, на решение которой обычному компьютеру понадобится несколько десятков лет, квантовый компьютер решит за несколько минут.

    Но нам трудно представить, как один объект (кубит) может принимать множество значений одновременно ? Не стоит расстраиваться - никто не может этого представить. Ведь законы нашего макромира отличаются от законов микромира. В нашем мире, если мы положили шар в одну из коробок, то в одной коробке будет шар (значение «1»), а в другой - пусто (значение «0»). Но в микро мире (представьте вместо шара - атом), атом может быть одновременно в 2-х коробках.

    Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера​


    Итак, не стоит волноваться, после просмотра этого видео всё станет на свои места. Просто – о сложном: как работает квантовый компьютер – видео расскажет за 2 минуты:

    Что такое кубит и суперпозиция кубитов?

    Кубит - это квантовый разряд. Как мы уже говорили выше, кубит может быть одновременно в обоих состояниях единицы и нуля и может быть не «чистым» 1 и 0, а принимать все значения их комбинаций. Фактически количество состояний или значений кубита бесконечно. Это возможно благодаря его квантовой природе.

    Кубит, будучи квантовым объектам, обладает свойством «суперпозиции», т.е. может одновременно принимать все состояния единицы и нуля и их комбинаций ​


    В нашем материальном мире это невозможно, поэтому это так трудно представить. Давайте разберем понятие суперпозиции кубита на примере из нашего физического макромира.

    Представим, что у нас есть один мяч и он спрятан в одной из 2-х коробок. Мы точно знаем, что мяч может находиться только в одной из коробок, а в другой – пусто. Но в микромире всё не так. Представим, что в коробке атом вместо мяча. В этом случае неправильно было бы предположить, что наш атом находится в одной из 2-х коробок. Согласно законов квантовой механики атом может находится в 2-х коробках одновременно – быть в суперпозиции.

    Для каких задач нужен квантовый компьютер?

    Исходя из свойства суперпозиции, кубит может выполнять вычисления параллельно. А бит – только последовательно. Обычный компьютер последовательно перебирает все возможные комбинации (варианты), например, состояния системы. Для точного описания состояния системы из 100 составляющих на квантовом компьютере понадобиться 100 кубит . А на обычном – триллионы триллионов бит (огромные объемы оперативной памяти).

    Таким образом, квантовый компьютер нужен человечеству не для просмотра видео или общения в соц сетях. С этим прекрасно справляется обычный компьютер.

    Квантовый компьютер нужен для решения задач, где для получения правильного ответа необходимо перебрать большое количество вариантов. ​


    Это поиск по огромным базам данных, моментальное прокладывание оптимального маршрута, подбор лекарств, создание новых материалов и множество других важных для человечества задач.

    В качестве наглядных примеров можно привести 2 задачи, которые в математике называются задачами рюкзака и коммивояжёра.

    Задача коммивояжёра и задача рюкзака

    Задача коммивояжёра. Представьте, что Вы завтра едете в отпуск и за сегодня Вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и Вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача.

    Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта Вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов Вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!

    Задача рюкзака. Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только Вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.

    Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения.​


    Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров.

    Почему боятся появления квантового компьютера?

    Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).

    Пример. Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут.​


    Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, Вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на Ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит Ваше большое число на введенный Вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты.

    Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан. Однако по запросу «квантовый компьютер новости» уже сегодня звучит ответ: «Это дело не далекого будущего». Разработки активно ведутся крупнейшими корпорациями, такими, как IBM, Intel, Google и многими другими.

    Когда ждать массового производства квантовых компьютеров?

    Одно дело разработать теорию кубита, а совсем другое дело воплотить в реальность. Для этой цели надо найти физическую систему с 2-мя квантовыми уровнями для использования в качестве 2-х базовых состояний кубита – единицы и нуля. Для решения этой задачи научные группы разных стран используют фотоны, ионы, электроны, ядра атомов, дефекты в кристаллах.

    Основных ограничений в работе кубитов два:

    Количество кубитов, которые могут работать сообща
    и время их жизни.

    В 2001 году в компании IBM было выполнено тестирование 7-кубитного квантового компьютера. Квантовый компьютер IBM выполнил разложение числа 15 на простые множители по алгоритму Шора.

    В 2005 году российские учёные совместно с японскими построили 2-кубитный процессор на сверхпроводящих элементах.

    В 2009 году физики американского национального института стандартов и технологий создали программируемый квантовый компьютер, который состоял из 2-х кубит.

    В 2012 году IBM достигла прогресса в реализации вычислений при помощи сверхпроводящих кубитов. В этом же году ученым нескольких американских университетов удалось построить 2-кубитный компьютер на кристалле алмаза.

    Лидером в создании квантовых устройств является Канадская компания D-Wave System. С 2007 года D-Wave анонсирует создание таких квантовых компьютеров: 16 кубит, 28 кубит – в 2007 году, 128 кубит – в 2011 году, 512 кубит – в 2012 году, более 1000 кубит – в июне 2015 года.

    Кстати, квантовый компьютер купить у компании D-Wave можно уже сегодня за 11 миллионов долларов ​


    Такой компьютер уже купил Google, хотя и сам гигант интернета работает над созданием собственного квантового компьютера.

    D-Wave квантовый компьютер не универсальный, а предназначен для решения одной определенной задачи – поиска минимума какой-либо очень сложной функции. Можно представить функцию в виде горной системы. Целью оптимизации является поиск наиболее глубокой долины в горной системе.

    Задача на поиск минимальной функции очень важна для человечества и решает задачи от поиска минимальных затрат в экономике до анализа процессов фотосинтеза.

    Google сообщил, что компьютер D-Wave смог решить эту задачу (найти минимум функции) приблизительно в 100 миллионов раз быстрее , чем классический компьютер​


    Ученые полагают, активный выпуск квантовых компьютеров для решения конкретных задач можно ожидать уже через 10 лет. Универсальные же квантовые компьютеры вряд ли появятся в самом ближайшем будущем.

    Дебаты Бора и Эйнштейна - есть ли объективная реальность?
    Фильм рассказывает предысторию возникновения квантовой механики, начиная с изобретения лампочки Эдисона.

    Неужели квантовый мир существует только тогда, когда за ним наблюдают?
    Этим вопросом заинтересовался Джон Белл в 60-е годы.
    В поисках решения он обратился к физике в стиле нью-эйдж, где квантовая механика смешивалась с восточным мистицизмом. В результате экспериментов выяснилось, что версия реальности Эйнштейна - не может быть правдой! Свойства фотонов были вызваны к существованию только тогда, когда их измерили.
    Фотоны становятся реальными, только тогда, когда мы наблюдаем их!

    В начале 20-го века учёные проникли в скрытые глубины материи, в субатомные строительные блоки мира вокруг нас. Они обнаружили явления, которые отличаются от всего увиденного ранее. Мир, где всё может находится во многих местах одновременно, где действительность по-настоящему существует, лишь когда мы наблюдаем за ней. Альберт Эйнштейн противился одной только мысли о том, что в основе сущности природы лежит случайность. Джим расскажет, как в 1930-е годы Эйнштейн решил, что нашёл главный недостаток в квантовой физике. Квантовая физика подразумевает, что субатомные частицы могут взаимодействовать быстрее скорости света, а это противоречит его теории относительности. В 1960-е годы физик Джон Белл показал, что есть способ проверить, прав ли Эйнштейн, и не является ли квантовая механика ошибкой.


    Джим расскажет, что когда растения и деревья в процессе фотосинтеза захватывают солнечный свет, они подчиняются известному закону квантовой физики - принципу неопределенности.

    Вопреки здравому смыслу, удивительные законы субатомного мира позволяют элементарным частицам преодолевать барьеры насквозь, как по туннелю.

    Может они оказывают влияние и на механизмы видоизменения живых организмов?

    Нажмите, чтобы раскрыть...

Квантовая запутанность - явление, при котором подсистемы некоторой ранее единой квантовомеханической системы, будучи разнесенными на расстояние друг от друга, продолжают оказывать влияние друг на друга. В этом случае изменение состояния одной системы сказывается на другой системе. Явление носит существенно квантовый характер и не имеет классического аналога.

Кофе остывает, здания рушатся, яйца бьются, а звезды выдыхаются во Вселенной, которой, кажется, суждено деградировать в состояние равномерной серости, известной как тепловое равновесие. Астроном-философ сэр Артур Эддингтон в 1927 году привел постепенное распространение энергии в качестве доказательства необратимой «стрелы времени».

Но к недоумению поколений физиков, стрела времени, похоже, не вытекает из основных законов физики, по которым двигаться вперед во времени - это то же самое, что и назад. По этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и повернул их вспять, энергия накапливалась бы, а не распылялась: холодный кофе спонтанно нагревался бы, здания собирались бы из обломков, а солнечный свет собирался обратно в солнце.

«В классической физике мы сильны, - говорит Санду Попеску, профессор физики Бристольского университета в Великобритании в интервью журналу QuantaMagazine. - Если бы я знал больше, мог бы я переломить ход события, собрать воедино все молекулы разбитого яйца?». Конечно, профессор говорит, что стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента рождения термодинамики в 1850-х годах, единственным известным подходом для расчета распространения энергии оставалось сформулировать статистическое распределение неизвестных траекторий частицы и показать, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики определили фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы переплетаются, когда взаимодействуют - странный эффект под названием «квантовая запутанность». «Наконец мы можем понять, почему чашка кофе уравновешивается в комнате, - говорит Тони Шорт, квантовый физик из Бристоля. - Запутанность накапливается между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты». Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден и Андреас Уинтер сообщили об открытии журналу Physical Review E в 2009 году, утверждая, что объекты достигают равновесия, или состояния равномерного распределения энергии, в течение бесконечного количества времени за счет квантово-механического запутывания с окружающей средой. Похожее открытие опубликовал Питер Рейман из Билефельдского университета в Германии несколькими месяцами раньше в Physical Review Letters. Шорт и коллеги укрепили аргументацию в 2012 году, показав что запутанность вызывает уравновешенность за конечное время. Также, в работе, опубликованной на arXiv.org в феврале, две отдельных группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются, за время, пропорциональное их размеру.

Если новая линия исследований верна, история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа по своей сути неопределенна. Элементарной частице не хватает конкретных физических свойств и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентным шансом вращаться по часовой стрелке и с 50-процентным - против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла гласит, что нет «истинного» состояния частицы; вероятности - единственное, что можно использовать для его описания. Квантовая неопределенность неизбежно приводит к запутанности, предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их больше нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описываются двумя частицами вместе. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой из индивидуальных частиц «смешанное». Обе частицы можно отдалить на световые годы друг от друга, но спин каждой частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии». «Запутанность - это некотором смысле суть квантовой механики», или законы, регулирующие взаимодействия на субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.

Идея того, что запутанность может объяснить стрелу времени, впервые пришла в голову Сету Ллойду тридцать лет назад, когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета с Гарвардской степенью по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и то, как она распространяется по мере того, что частицы становятся все более запутанными, может заменить человеческую неуверенность (или незнание) в старых классических доказательствах как истинный источник стрелы времени. Используя известный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными блоками, Ллойд провел несколько лет, изучая эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц (1) и нулей (0). Он выяснил, что поскольку частицы все больше запутываются друг с другом, информация, которая их описывала (1 - для спина по часовой стрелке, и 0 - против часовой, например), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Как если бы частицы постепенно потеряли свою индивидуальную автономию и стали пешками коллективного состояния. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, их состояния перестают меняться, словно чашка с кофе остывает до комнатной температуры. «Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаны. Стрела времени - это стрела роста корреляций».

«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов, - говорит Ренато Реннер, глава Института теоретической физики в ETH Zurich. - Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время». В 2009 году доказательство группы бристольских физиков вызвало отклик у квантовых информационных теоретиков, открывая новые способы применения их методов. Оно показало, что по мере того, как объекты взаимодействуют со своим окружением - как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом, например, - информация об их свойствах «утекает и смазывается со средой», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе приходит к стагнации, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает развиваться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться со временем». Получается, холодная чашка с кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно «стать не смешанным» с воздухом и войти в чистое состояние. Но кофе доступно настолько больше смешанных состояний, чем чистых, что это практически никогда не произойдет - скорее вселенная закончится, чем мы сможем это засвидетельствовать. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой.

«По сути, запутанность открывает для вас огромное пространство, - комментирует Попеску. - Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Как только вы войдете в них, вы попадете в огромное пространство и потеряетесь в нем. К воротам тоже не вернетесь никогда».
В новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний, что приводит к уравновешиванию чашки кофе и комнаты. Комната в конце концов уравновешивается с внешней средой, а среда - еще более медленно - дрейфует к равновесию с остальной частью вселенной. Гиганты термодинамики 19 века рассматривали этот процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос, вселенной. Сегодня же, Ллойд, Попеску и другие в этой сфере видят стрелу времени по-другому. По их мнению, информация становится все более диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.

«В целом вселенная находится в чистом состоянии, - говорит Ллойд. - Но отдельные ее части, будучи запутанными с остальной частью вселенной, остаются смешанными».

«В этих работах нет ничего, что объяснит, почему вы начинаете с ворот, - говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. - Другими словами, они не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе Большого Взрыва.
Несмотря на недавний прогресс в расчете времени уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для расчета термодинамических свойств конкретных вещей, вроде кофе, стекла или экзотических состояний материи.

«Дело в том, что нужно найти критерии, при которых вещи ведут себя как оконное стекло или чашка чая, - говорит Реннер. - Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении, но впереди еще много работы».
Некоторые исследователи выразили сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты. Но концептуальные достижения и новый математический формализм уже помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, например о фундаментальных пределах квантовых компьютеров и даже о конечной судьбе Вселенной.

Двадцать шесть лет спустя грандиозного провала идеи Ллойда о стреле времени, он рад быть свидетелем ее подъема и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, другое проявление стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь что-то с листа бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые достигают глаз. Только с этого момента вы будете способны вспомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд: «Настоящее может быть определено как процесс связывания (или установления корреляций) с нашим окружением». Фоном для устойчивого роста запутанностей по всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на йоту не приблизились к пониманию природы самого времени или почему оно отличается от трех других измерений пространства. Попеску называет эту загадку «одной из величайших непоняток в физике».

«Мы можем обсудить факт того, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, - говорит он. - Но наше восприятие того, что время идет - это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится революция в физике, которая откроет нам эту тайну».

Это изящная и мощная концепция. Она предполагает, что время – это возникающий феномен, который появляется в реальности благодаря природе квантового спутывания. И оно существует только для наблюдателей внутри нашей вселенной. Любой богоподобный наблюдатель за её пределами будет видеть статичную неизменяющуюся вселенную, как прежде предсказывало более раннее квантовое уравнение Уилера-ДеВитта. Разумеется, у нас нет никакой возможности получить наблюдателя за пределами нашей вселенной и у нас нет и никаких шансов когда-либо подтвердить эту теорию. По крайней мере, так было до сегодняшнего дня. Недавно Екатерина Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. И они продемонстрировали, что время действительно является возникающим феноменом для внутренних наблюдателей, но его не существует для наблюдателей внешних.

Этот эксперимент включает в себя создание игрушечной вселенной, состоящей из пары спутанных фотонов и наблюдателя, который может измерять их состояние одним из двух способов. В первом наблюдатель измеряет эволюцию системы, спутывая себя с ней. Во втором богоподобный наблюдатель измеряет эволюцию в сравнении с внешними часами, которые полностью независимы от игрушечной вселенной.


Сам эксперимент достаточно прямолинеен. Каждый из спутанных фотонов имеет поляризацию, которая может быть изменена прохождением через двулучепреломляющую пластинку. В первом случае наблюдатель измеряет поляризацию одного фотона, таким образом, спутываясь с ним. Затем он сравнивает результат с поляризацией второго фотона. Полученная им разница и будет мерой времени.

Во втором случае оба фотона также проходят через двулучепреломляющие пластинки, которые изменяют их поляризацию. Однако в этом случае наблюдатель измеряет только глобальные свойства обоих фотонов, сравнивая их с независимыми часами.

В этом случае наблюдатель не может заметить какой-либо разницы между фотонами, не приходя в состоянии спутанности с одним из них. А если нет никакой разницы, система предстаёт перед ним статичной. Другими словами – время в ней не возникает.

Это весьма впечатляющий эксперимент. Появление чего-либо является популярной концепцией в науке. В частности, недавно физики заинтересовались идеей, что гравитация также является таким возникающим феноменом. А отсюда до идеи о сходном механизме возникновения времени оставался всего один шаг. Чего не хватает возникающей гравитации – это, разумеется, экспериментальной демонстрации, которая показывала бы, как это работает на практике. Именно поэтому работа Моревы имеет такое важное значение – она впервые в мире помещает абстрактную и экзотическую идею на устойчивое экспериментальное основание. А возможно самым важным результатом этой работы является то, что ей впервые удалось продемонстрировать, что квантовая механика и общая теория относительности не так уж несовместимы.

Следующим шагом станет дальнейшее развитие идеи, в частности – на макроскопическом уровне. Одно дело показать, как время возникает в фотонах, и другое – понять, как оно возникает для людей. Квантовая механика уже достаточно глубоко проникла в смежные научные области. В попытке объяснить в терминах квантовой теории саму жизнь она даже породила свою собственную биологию. Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – внутри спирали ДНК.

Новорождённая квантовая биология (quantum biology) официально не признана научной дисциплиной. Однако она уже превратилась в одну из самых интересных и захватывающих тем передовых исследований. Например, раскрывающих важную роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе . Новое исследование провела группа физиков из Национального университета Сингапура (NSU). Элизабет Рипер (Elizabet Rieper) и её коллеги исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается именно благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).

Чтобы проверить свою смелую теорию, учёные построили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней каждый нуклеотид состоит из облака электронов вокруг центрального положительно заряженного ядра. Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. При этом смещение облака туда и обратно приводит к образованию гармонического осциллятора.

Рипер с коллегами заинтересовались, что же произойдёт с колебаниями облаков (фононами), когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. По мнению учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые облака теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, чтобы обеспечить стабильность всей структуры. Поскольку фононы по сути являются квантовыми объектами, они могут существовать в виде суперпозиции состояний и умеют «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, влияющих на спираль извне. «Очевидно, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов могут быть запутаны лишь при нулевой температуре», – говорит Рипер. В своей пока неопубликованной научными изданиями статье физики приводят доказательство, что эффект запутывания в принципе, может возникнуть и при комнатной температуре. А возможно это потому, что длина волны у описанных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это позволяет формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват). После этого фононы не могут «сбежать». Данный эффект не будет иметь особенного значения для гигантской молекулы, если только он не распространяется на всю спираль. Однако компьютерное моделирование, проведённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и вправду колоссален.

Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с движениями соседей - фононы при этом находятся в суперпозиции состояний. А общая картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: вдоль всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности. Общее же движение спирали оказывается равным нулю.


Модель спирали ДНК, на которой увеличен фрагмент с двумя соседними парами оснований. Синим выделены электронные облака в двух крайних позициях своих колебаний, направления которых отмечают стрелки (иллюстрация Rieper et al.). Если пытаться описать эту модель исключительно в рамках классической физики, то ничего из перечисленного произойти не сможет: «классическая» спираль должна хаотично вибрировать и распадаться на части. По мнению исследователей, именно квантовые эффекты ответственны за «склеивание» ДНК. Но, как и в случае с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (правда, занятой объектами макромира), – главный вопрос не оригинален: как этот вывод доказать? Ответа пока нет. Команда Рипер в конце своей статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую влияет на способ «считывания» информации из ДНК. Дескать, в будущем это удастся проверить и использовать экспериментально. Как именно – пока никто даже не предполагает.

Несмотря на некоторую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Ведь квантовые эффекты уже находили в самых неожиданных местах, например в электрической цепи , но покамест никто не замахивался на претензии такого масштаба – микроскопического и в то же время невероятно важного.

В свете изложенного тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в твёрдом теле человек выглядит забавно, поскольку не подозревает, что самым ярким примером такой системы является он сам.

Квантовая запутанность - это квантовомеханическое явление, которое стали изучать на практике сравнительно недавно - в 1970-е годы. Оно заключается в следующем. Представим себе, что в результате какого-нибудь события родились одновременно два фотона. Получить пару квантово-запутанных фотонов можно, например, светя на нелинейный кристалл лазером с определенными характеристиками. У порождаемых фотонов в паре могут быть разные частоты (и длины волны), но при этом сумма их частот равна частоте исходного возбуждения. У них также ортогональные поляризации в базисе кристаллической решетки, что облегчает их пространственное разделение. При рождении пары частиц должны выполняться законы сохранения, а значит, суммарные характеристики (поляризация, частота) двух частиц имеют заранее известное, строго определенное значение. Из этого следует, что, зная характеристику одного фотона, мы совершенно точно можем узнать характеристику другого. Согласно принципам квантовой механики, до момента измерения частица находится в суперпозиции нескольких возможных состояний, а при измерении суперпозиция снимается и частица оказывается в каком-то одном состоянии. Если проанализировать много частиц, то в каждом состоянии окажется определенный процент частиц, соответствующий вероятности этого состояния в суперпозиции.

А что же происходит с суперпозицией состояний у запутанных частиц в момент измерения состояния одной из них? Парадоксальность и контринтуитивность квантовой запутанности заключается в том, что характеристика второго фотона оказывается определена ровно в тот момент, когда мы измерили характеристику первого. Нет, это не теоретическое построение, это суровая правда окружающего мира, подтвержденная экспериментально. Да, она подразумевает наличие взаимодействия, предающегося с бесконечно большой скоростью, превышающей даже скорость света. Как этим пользоваться на благо человечества пока не очень понятно. Есть идеи применения для вычислений на квантовом компьютере, криптографии и коммуникации.

Ученым из Вены удалось разработать совершенно новую и крайне контринтуитивную методику получения изображений, основанную на квантовой природе света. В их системе изображение формирует свет, никогда не взаимодействовавший с объектом. В основе технологии лежит принцип квантовой запутанности. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В исследовании принимали участие сотрудники Института квантовой оптики и квантовой информации (Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI) Венского центра квантовой науки и технологии (Vienna Center for Quantum Science and Technology, VCQ) и Венского университета.

В эксперименте венских ученых один из пары запутанных фотонов обладал длиной волны в инфракрасной части спектра, и именно он проходил через образец. Его собрат обладал длиной волны, соответствующей красному свету и мог детектироваться камерой. Пучок света, генерируемый лазером, делился на две половины, и половины направлялись на два нелинейных кристалла. Объект помещался между двумя кристаллами. Он представлял собой вырезанный силуэт кота - в честь перекочевавшего уже в фольклор персонажа умозрительного эксперимента Эрвина Шредингера. На него направлялся инфракрасный пучок фотонов с первого кристалла. Затем эти фотоны проходили через второй кристалл, где прошедшие сквозь изображение кота фотоны смешивались со свежеродившимися инфракрасными фотонами так, что понять, в каком из двух кристаллов они родились, было совершенно невозможно. Более того, камера и вовсе не детектировала инфракрасные фотоны. Оба пучка красных фотонов объединялись и отправлялись на приемное устройство. Оказалось, что благодаря эффекту квантовой запутанности они хранили всю нужную для создания изображения информацию об объекте.

К аналогичным результатам привел эксперимент, в котором в качестве изображения использовалась не непрозрачная пластина с вырезанным контуром, а объемное силиконовое изображение, не поглощавшее света, но замедлявшее прохождение инфракрасного фотона и создающее разность фаз между фотонами, прошедшими через разные части изображения. Оказалось, что такая пластика оказывала влияние и на фазу красных фотонов, находящихся в состоянии квантовой запутанности с инфракрасными фотонами, но никогда не проходившими через изображение.