Квантова заплутаність: чому Айнштайн назвав її “моторошною дією на відстані”
- Ігор Сальниченко
- 16 серп.
- Читати 10 хв
Квантова заплутаність – це явище, яке кидає виклик нашому інтуїтивному розумінню природи. Уявімо дві елементарні частинки, що народилися разом і стали «заплутаними» – їхні властивості пов’язані таким чином, що навіть розділені на космічні відстані, вони поводяться як єдине ціле. Зміна стану однієї миттєво відображається на стані іншої, незалежно від відстані між ними. Цей контринтуїтивний зв’язок викликав подив у науковців: відоме твердження спеціальної теорії відносності полягає в тому, що жоден вплив не може передаватися швидше за світло. Проте, якщо одна заплутана частинка «вибирає» певний стан при вимірюванні, то інша частинка негайно набуває пов’язаний стан – ніби між ними існує прихований канал миттєвого зв’язку. Саме через цю загадкову властивість Альберт Айнштайн (1879–1955) саркастично назвав квантову заплутаність «моторошною дією на відстані».
Квантова заплутаність: суть явища і парадокс Айнштайна–Подольського–Розена
Квантова заплутаність ґрунтується на принципі суперпозиції квантових станів. Стан заплутаної системи не можна описати окремо для кожної частинки – існує лише спільний квантовий стан для всієї системи[1]. До моменту вимірювання кожна частинка не має визначених власних характеристик – їхні можливі стани «перекриваються» в єдиній хвильовій функції. Як образний приклад суперпозиції наводять підкинуту монету: допоки монета крутиться в повітрі і ми не побачили результат, вона знаходиться у стані «і решка, і герб одночасно». Лише після спостереження стан визначається конкретно (решка або герб). Аналогічно й у квантовій системі – дві заплутані частинки можна уявити як «монети», що залишаються пов’язаними: коли вимір на першій миттєво визначає її стан (наприклад, «герб»), друга монета негайно «вирішує» показати протилежний результат («решку»), хоч би якою далекою вона не була.
Щоб підкреслити незвичність цього феномену, Альберт Айнштайн разом із Борисом Подольським (1896–1966) і Натаном Розеном (1909–1995) у 1935 році запропонували уявний експеримент, відомий як парадокс Айнштайна–Подольського–Розена (EPR). У своїй знаменитій статті вони поставили запитання: «Чи є квантово-механічний опис реальності вичерпним?»[1]. Айнштайн та колеги показали, що якщо квантова механіка правильно описує заплутані частинки, то вимірювання однієї з них миттєво впливає на іншу – в явному протиріччі з принципом локальності (причинності), який вимагав, щоб фізичні впливи не розповсюджувалися миттєво на відстань. Ця «моторошна» миттєва кореляція здавалася Айнштайну настільки неприйнятною, що він припустив існування прихованих параметрів – недоступних спостереженню внутрішніх змінних, які наперед визначають результати вимірювань заплутаних частинок. Інакше кажучи, на думку Айнштайна, квантова механіка могла бути неповною теорією: можливо, кожна частинка «знає» заздалегідь, як їй поводитися, просто ця інформація прихована від нас.
Проте, попри скепсис Айнштайна, квантова механіка наполягала: заплутані частинки не мають прихованих «міток» стану заздалегідь, їхні властивості визначаються лише в момент вимірювання. Важливо зазначити, що квантова заплутаність не дозволяє передавати інформацію зі швидкістю, вищою за швидкість світла – вона лише створює кореляцію між результатами вимірів на відстані[1]. Щоб скористатися цим явищем практично, потрібен звичайний (підлеглий світлу) канал зв’язку для координації дій спостерігачів. Таким чином, причинність і спеціальна теорія відносності не порушуються: «моторошна дія» проявляється як статистична взаємозалежність результатів, але не як спосіб миттєво передати повідомлення.
«Моторошна дія на відстані»: погляд Айнштайна і наукова дискусія
Альберт Айнштайн був глибоко занепокоєний наслідками квантової заплутаності. У листуванні з фізиком Максом Борном 1947 року він вперше вжив німецький вираз «spukhafte Fernwirkung» («моторошна дія на відстані»), характеризуючи ним нелокальні ефекти квантової механіки. Айнштайн, як один з творців теорії відносності, вірив у принцип локального реалізму – уявлення, що об’єкти мають визначені властивості до вимірювання, і що взаємодії не можуть перевищувати швидкість світла. Квантова ж заплутаність кидала виклик цим уявленням, виглядаючи, на його думку, «привидом» у теорії.
На іншому боці дискусії стояв датський фізик Нільс Бор (1885–1962), який захищав квантову механіку. Бор наголошував, що поняття «реальності» на субатомному рівні докорінно відрізняється від класичної інтуїції, і що вимірювання не просто виявляють властивості, а й формують їх. За Бором, немає «причини» дивуватися, що заплутані частинки поводяться узгоджено – це просто нова квантова реальність, яку треба прийняти. Ця дискусія, відома як спір Бора–Айнштайна, тривала багато років і стимулювала розвиток фундаментальних ідей у квантовій фізиці.
Австрійський фізик Ервін Шредінгер (1887–1961), один із батьків квантової механіки, теж приділяв увагу заплутаності. Саме Шредінгер увів термін «Verschränkung» («заплутаність») у 1935 році, назвавши його «властивістю, що є не просто однією з рис квантової механіки, а її суттєвою особливістю»[2]. Шредінгер, як і Айнштайн, спершу був незадоволений цим феноменом, бо він, здавалось, суперечив здоровому глузду і принципам локальності. Але вже тоді наукова спільнота усвідомила: перевірити, хто з опонентів правий – Айнштайн з його прихованими параметрами чи Бор із квантовою невизначеністю – можна лише шляхом експерименту.
Експериментальні підтвердження квантової заплутаності
Тривалий час квантова заплутаність залишалася гіпотетичним феноменом. Ситуація змінилася у 1964 році, коли північноірландський фізик Джон Белл (1928–1990) сформулював свій знаменитий теоретичний результат, відомий як теорема Белла. Белл показав, що якщо припустити існування локальних прихованих змінних (як хотів Айнштайн), то кореляції між вимірами двох далеких частинок повинні задовольняти певну нерівність – нерівність Белла. Натомість квантова механіка передбачає її порушення для заплутаних станів. Це означало, що існує спосіб експериментально перевірити: чи відповідає природа уявленню Айнштайна про локальний реалізм, чи все ж праві прихильники квантової теорії.
Перший ключовий експеримент відбувся 1972 року. Американський фізик Джон Клаузер (нар. 1942) разом зі своїм аспірантом Стюартом Фрідманом (1944–2012) спрямували пару заплутаних фотонів на два поляризаційні фільтри і порівнювали результати великої кількості вимірювань. Після сотень годин збору даних вони зафіксували статистичні кореляції, що значно перевищували межі, накладені нерівністю Белла[2]. Цей результат підтвердив передбачення квантової механіки: жодних «прихованих записок» у фотонах не було, їхні стани визначалися квантово і нелокально. Однак критики зауважували, що експеримент Клаузера–Фрідмана мав недоліки (так звані «діри»): детектори уловлювали далеко не всі пари фотонів, а кути фільтрів не змінювалися випадково під час проліту фотона. Залишалася можливість, хоч і мала, що непомічені фотони чи заздалегідь узгоджені параметри могли вплинути на результат.
Наступний прорив стався у 1982 році у Франції. Ален Аспе (нар. 1947) із колегами поставив витонченіший дослід: вони навчилися перемикати напрями поляризаторів в процесі польоту фотонів. Якщо б фотони якимось чином «знали» наперед, під яким кутом стоятиме аналізатор, то швидке випадкове перемикання кутів мало б зруйнувати кореляцію. Але цього не сталося – кореляція результатів вимірювань збереглася і знову порушила нерівності Белла, причому з вражаючою статистичною достовірністю (відхилення від межі локального реалізму на десятки сигм)[2]. Експеримент Аспе закрив одну з головних «дірок» попередніх тестів – проблему локальності, – і надав всеохопний доказ: природа не підкоряється обмеженням локальних прихованих змінних, квантова нелокальність реальна.
Відтоді було проведено безліч тестів нерівностей Белла у різних країнах. Використовували заплутані фотони, електрони, атоми – щоразу результати підтверджували квантову механіку. Однак навіть найвитонченіші експерименти довгий час мали бодай якусь лазівку для сумнівів – чи то невисоку ефективність детекторів, чи потенційну можливість прихованого зв’язку між приладами. Лише у 2015 році фізики наблизилися до ідеалу«безлазівкового» тесту. Відразу три незалежні групи (в США, Нідерландах і Австрії) майже одночасно провели експерименти, в яких закрили всі відомі діри. Зокрема, команда Б. Хенсена в Делфтському технологічному університеті (Нідерланди) використовувала пари електронів у алмазах на відстані 1,3 км, а групи Крістера Шалма в Національному інституті стандартів і технології (NIST, США) та М. Джустіни у Віденському університеті (Австрія) – заплутані фотони з надчутливими надпровідними детекторами. У всіх випадках отримано чітке порушення нерівностей Белла без жодних застережень. Один з учасників досліду, Франческо Марсилі з Лабораторії NASA/Caltech, підсумував:
«Наші результати показують, що Белл мав рацію: будь-яка модель світу з прихованими змінними вимушена допускати вплив заплутаних частинок одна на одну на відстані»[3].
Фактично, питання про «моторошну дію» було вирішене на користь квантової механіки.
За історію цих досліджень квантова заплутаність пройшла шлях від теоретичного парадоксу до експериментально доведеного явища. Найскептичніші сумніви Айнштайна були зняті. На знак визнання важливості цих праць у 2022 році Нобелівську премію з фізики отримали одразу три науковці: Джон Клаузер, Ален Аспе та Антон Цайлінґер (нар. 1945) – «за експерименти з фотонами, що заплутані, які встановили порушення нерівностей Белла, та піонерську роль у науці про квантову інформацію»[4]. Цікаво, що Антон Цайлінґер – австрійський фізик, який ще у 1990-х роках розпочав нову еру досліджень квантової заплутаності. Його група першою реалізувала явище квантової телепортації – передавання квантового стану на відстань – у 1997 році[2]. Таким чином, квантова заплутаність з фундаментальної загадки перетворилася на практичний інструмент для новітніх технологій.
Квантовий інтернет: потенціал та перспективи
Успішне підтвердження квантової заплутаності відкриває шлях до революційних технологій, зокрема до створення квантового інтернету. Ідея квантового інтернету полягає у тому, щоб об’єднати в мережу квантові пристрої (квантові комп’ютери, датчики, криптографічні системи) за допомогою заплутаних станів частинок. На відміну від звичайного інтернету, де передаються класичні біти інформації (0 або 1), у квантовому інтернеті передаватимуться кубіти – квантові біти, що можуть перебувати у суперпозиції станів. Завдяки цьому з’являються принципово нові можливості: абсолютно захищений зв’язок через квантове шифрування (перехоплення квантових частинок помітно впливає на їхній стан і одразу викриває підслуховувача)[6], розподілені квантові обчислення (об’єднання кількох віддалених квантових комп’ютерів в один потужний) та надточна синхронізація годинників і датчиків. Квантова заплутаність у такій мережі виконує роль «нервової системи», яка з’єднує вузли. Вимірявши стан однієї частинки, можна миттєво визначити стан іншої в заплутаній парі – це схоже на телепортацію властивостей, хоча і не порушує причинності, адже для завершення сеансу передачі інформації все одно потрібні додаткові класичні дані.
Практичним кроком до квантового інтернету стала вже згадана квантова телепортація – процедура, що використовує заплутаність для перенесення квантового стану об’єкта. У експерименті 1997 року Антон Цайлінґер із колегами телепортували квантовий стан фотона на відстань кількох кілометрів. Відтоді дальність квантової телепортації зросла: сучасні установки дозволяють передавати стани фотонів як по оптичних волокнах, так і через космічний простір. У 2017 році китайська дослідницька група під керівництвом Пан Цзяньвея (нар. 1970) здійснила знаковий експеримент: за допомогою супутника “Мо-цзи” (англ. Micius) вони передали заплутані фотони між двома наземними станціями, віддаленими одна від одної на 1200 км[2]. При цьому двофотонна заплутаність не зникла, і було зафіксовано порушення нерівності Белла на безпрецедентній відстані[7]. Цей результат вразив науковий світ: заплутані частинки зберегли «спільність» на відстані, яку світло долає за 4 мілісекунди! Експеримент продемонстрував принципову можливість глобальної квантової мережі, що охоплює всю планету. За допомогою того ж супутника китайські фізики реалізували квантову телепортацію фотонів з Землі в космос, а також об’єднали наземні квантові мережі в Пекіні і Відні через космічний канал.
Активні роботи над технологіями квантового інтернету тривають у всьому світі. У Європейському Союзі діє проєкт Quantum Internet Alliance, що об’єднує провідні наукові центри (зокрема, QuTech у Делфті, Нідерланди, під керівництвом Стефані Венер) задля створення пан’європейської квантової мережі. У США в липні 2020 року Міністерство енергетики оприлюднило докладний «дорожній план» розбудови національного квантового інтернету на базі існуючих волоконно-оптичних магістралей і мережі національних лабораторій. «Протягом наступного десятиліття науковці вважають за реальне завдання побудувати прототип квантового Інтернету» – заявив тодішній очільник DOE Ден Бруєтт[5]. У рамках цього плану уже створено кілька тестових ліній, наприклад квантове з’єднання між Аргоннською та Фермілаб (штат Іллінойс) довжиною близько 80 км, де випробовуються квантові повторювачі. Провідні університети та компанії – такі як IBM, AT&T, Google – також інвестують у дослідження квантових мереж, розуміючи їхній потенціал для обміну даними між майбутніми квантовими комп’ютерами.
Одним із проривів останніх років стали польові випробування квантових мереж у реальних умовах. Так, у квітні 2025 року німецька компанія Deutsche Telekom повідомила про успішний експеримент у Берліні: упродовж 17 днів підтримувалася безперервна передача заплутаних фотонів з вражаючою точністю 99% по 30-кілометровому відрізку звичайного телекомунікаційного оптоволокна. Причому квантові сигнали одночасно передавалися разом із звичайним інтернет-трафіком по тих самих кабелях – і це не завадило збереженню заплутаності[6]. Цей експеримент, проведений у дослідницькій лабораторії T-Labs за участі стартапу Qunnect, став важливим кроком до інтеграції квантових технологій у сучасну інфраструктуру зв’язку.
Попри значні досягнення, на шляху до повномасштабного квантового інтернету залишаються складні технічні виклики. Квантові стани надзвичайно чутливі до зовнішніх впливів – найменший шум або втрата фотону руйнує заплутаність. У твердому середовищі (волоконних лініях) фотони поступово втрачають енергію через розсіяння на атомах матеріалу та поглинаються, тому пряма передача заплутаності можлива лише на десятки кілометрів[7]. Для подолання цієї межі створюються квантові ретранслятори: проміжні вузли, що зберігають квантовий стан і перевипускають заплутані пари, розширюючи зону дії сигналу. Проте ефективна реалізація таких пристроїв вимагає вирішення проблеми довготривалого зберігання квантової інформації (створення надійної квантової пам’яті) та її точного відтворення. Наразі прототипи квантових повторювачів працюють на лініях довжиною сотні кілометрів, але до глобальної мережі ще далеко.
Ще одна проблема – стабільність квантових станів у реальних умовах. Для успішної роботи квантового інтернету необхідно, щоб заплутані частинки зберігали когерентність (узгодженість хвильових функцій) попри температурні коливання, вібрації та інші шуми середовища. «Зараз основний виклик – утримати квантові частинки стабільними в мережі. Поки що в лабораторних умовах вдалося забезпечити передачу лише на малі відстані» – зазначають інженери Deutsche Telekom[6]. Тому активно досліджуються нові носії заплутаних станів, більш стійкі до декогеренції: наприклад, заплутування не фотонів, а нейтральних атомів або йонів, що можна ізолювати у вакуумних пастках, чи використання спеціальних топологічних квантових станів, захищених від збурень.
Попри всі труднощі, наукова спільнота налаштована оптимістично. Перспективи квантового інтернету настільки привабливі, що дослідження просуваються швидкими темпами. Лише за останні роки продемонстровано заплутування між віддаленими атомними годинниками, створено дослідні зразки квантових мереж з кількома вузлами, реалізовано міжконтинентальну квантову відеоконференцію із шифруванням на принципах заплутаності. Можна сказати, ми стоїмо на порозі «другої квантової революції». Якщо перша (у XX столітті) подарувала нам транзистори та лазери, то друга обіцяє інтернет нового покоління – інтернет, в якому інформація передаватиметься не сигналами електричного струму чи світла як хвилі, а самими квантовими станами частинок. Такий інтернет буде неймовірно захищеним і швидкодіючим, відкриваючи можливості, немислимі у класичних мережах[5][6].
Залишається вирішити чимало інженерних завдань, перш ніж квантова мережа об’єднає міста і країни. Проте розвиток технологій йде стрімко. Експерти прогнозують, що вже в найближчі десятиліття з’являться перші приклади справжнього квантового інтернету – можливо, спочатку у вигляді спеціалізованих мереж між науковими установами чи урядовими центрами, де потрібен найвищий рівень безпеки. Крок за кроком «моторошна дія на відстані», що свого часу насторожувала навіть генія Айнштайна, перетворюється з наукового курйозу на прикладну технологію, покликану змінити світ так само радикально, як колись це зробив звичайний інтернет.
Список використаних джерел:
Quantum entanglement. Wikipedia. URL: en.wikipedia.org
Popular information: Nobel Prize in Physics 2022 – How entanglement has become a powerful tool. NobelPrize.org. The Nobel Foundation, 2022. URL: nobelprize.org
Emspak J. Quantum Entanglement: Unlocking the mysteries of particle connections. Space.com. 29 жовтня 2024. URL: space.com
Myrvold W. та ін. Bell’s Theorem. Stanford Encyclopedia of Philosophy. Версія від 25 січня 2024. URL: plato.stanford.edu
New DOE Blueprint to Pave the Way for a Nationwide Quantum Internet. ESnet News. 23 липня 2020. URL: es.net
Fulde V. Breakthrough for the quantum internet – from the laboratory to the real world. Deutsche Telekom AG Press Release. 15 квітня 2025. URL: telekom.com
Micius Witnesses “Spooky Action” over 1200 km from Outer Space. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences. 2017. Vol. 31, No. 2, p. 87–88. URL: english.cas.cn
Коментарі