Квантовая запутанность вышла за пределы элементарных частиц

Квантовая запутанность — это ключ к квантовым компьютерам, криптографии и другим применениям квантовой механики в нашем мире. Кроме того, это одно из самых странных явлений во Вселенной, покрывающее огромные расстояния в мгновение ока и связывающее весь космос в единое целое. Долгое время ученые считали, что запутанность между двумя частицами — это достаточно редкое и непродолжительное событие, быстро проходящее из-за воздействия внешней среды. Однако математики из университета Case Western выяснили, что запутанность между частицами крупной системы — это норма.

Запутанность представляет собой одно из самых странных предсказаний, вытекающих из квантовой механики. Два объекта запутываются, если их физические свойства не определены, но связаны, и эта связь сохраняется даже если объекты разделяются большим расстоянием. Подробнее об этом мы писали ранее. Механизм такой связи не определен, но эксперименты показывают, что квантовая запутанность действительно работает. Когда две связанные частицы подвергаются влиянию окружающей среды, их взаимодействие с окружающей средой приводит к «просачиванию» запутанности во внешнюю среду, поэтому обнаружить ее становится сложно. Но она не исчезает.

Запутанность достаточно тонкое явление, но как часто она встречается в большом мире макроскопических объектов? Документы, опубликованные профессором Станиславом Сжареком и группой математиков из Case Western Reserve University проливают немного света на явление и показывают, что запутанность — вполне обычное явление в мире больших вещей.

Анализ исключительно статистический, квантовые вероятности изучаются с помощью инструментов геометрического функционального анализа. Эта сфера математики хорошо подходит для решения проблем, связанных с большим числом измерений.

Системы из нескольких частиц, как правило, находятся в состоянии, близком к чистому. В таком состоянии ни одна из внутренних частиц не связывается с другой. Частицы такой системы не выказывают никаких признаков запутанности. Вы можете создать состояние нескольких частиц, в котором они будут запутаны, но оно будет довольно необычным.

Теперь представьте большую систему, которую составляют тысячи (или триллионы частиц). Квантовое описание будет точно таким же, как и выше, но то, как меняются квантовые атрибуты в зависимости от увеличения масштабов, а тем более вероятности — все значительно усложняется и возрастает. Теперь чистое состояние будет представлять лишь небольшую часть возможных квантовых состояний, и в результате поведение частиц будет иным — и они будут запутываться.

Команда Сжарека также подсчитала возможности запутанности подсистем в системе запутанных частиц. Если вы возьмете две частицы из системы, шанс, что они запутаны, будет невелик. Даже больше: он будет крайне мало, почти нулевым, если смотреть на огромную систему. С другой стороны, если вы разделите систему на две, эти половины почти наверняка будут запутаны друг с другом.

В итоге анализ показал, что в системах, в которых имеется огромное число частиц, пара крошечных подсистем не будет запутываться друг с другом, но пара больших подсистем почти наверняка будет запутана. Если вы представите две подсистемы, в каждой из которых будет примерно одна пятая от общего числа частиц, они почти наверняка будут запутаны. Резкое изменение поведения запутанности характерно для геометрии пространств с большим количеством измерений.

Результаты показали, что повседневные объекты построены таким образом, что их части запутаны друг с другом, а также со всем, с чем взаимодействовали ранее. Этот результат достаточно интересен для тех, кто думает о Вселенной как об одном целом, но есть ли у этой целостности какие-нибудь наблюдаемые следствия? Это очень сложный вопрос, на который у нас пока нет однозначного ответа.

Крупномасштабная запутанность направляет развитие нашего мира, иногда — самым решительным образом. Тем не менее, предсказать, что может внезапно произойти, чаще всего представляется невозможным. Многие полагают, что случайность лежит в самом глубоком устройстве вселенной. Чтобы знать эти вещи наверняка, нужно слишком много знаний о микроскопическом состоянии мира. Кто-то может остроумно заявить, что и магия работает, только не проявляет реальных или предсказуемых эффектов. Что ж, в любом случае, для квантовой механики это будет справедливым суждением.