Квантовая магия - Сергей Доронин

Но что делать теперь, когда такие «сверхъестественные» состояния научились реализовывать для отдельных частиц, например, кубитов в квантовом компьютинге? Более того, такие «магические» состояния уже начали работать в технических устройствах.

На сегодняшний день в квантовой теории и в науке в целом сложилась парадоксальная ситуация. Физики обычно реалистично смотрят на мир и предполагают, что все физические понятия и величины, в том числе и вектор состояния, имеют под собой объективную основу. Но, занимая такую позицию, они вынуждены признать объективное наличие в окружающей реальности и всех следствий такого сопоставления. Иными словами — физики должны согласиться с объективным существованием нелокальных эффектов, «телепатии», как выражался Эйнштейн. Некоторые ученые не могут с этим смириться, и вынуждены тогда заявлять, что вектор состояния — это лишь математическое выражение, которое не имеет под собой реальной физической основы.

Парадокс ситуации заключается в том, что «материалисты», которые считают, что вектор состояния имеет под собой объективную основу, должны в итоге признать «магическую» (в широком смысле слова) природу реальности, с «телепатией» и другими нелокальными особенностями, непривычными для классических представлений. А тот, кто отстаивает незыблемость классических представлений, в которых нет места «магии», должен в итоге стать «идеалистом» и принять точку зрения, согласно которой вектор состояния — это лишь продукт нашего ума, не имеющий под собой реальной физической основы.

На какую позицию встать, каждый ученый решает индивидуально. Я придерживаюсь «материалистической» позиции с ее «магическим» следствием. И таких, как я, по всей видимости, немало. Другие же отстаивают «идеалистическую» позицию. Например, хорошо известный специалист по квантовой механике и уважаемый мною за его работы A. Перес. Он практически одновременно с Городецки предложил один из наиболее широко известных критериев квантовой запутанности — так называемый Перес-Городецки-критерий[58], который часто еще называют PPT-критерий (positive partial transpose).

С философской точки зрения показательна его обзорная статья — A. Peres and D. R. Terno. Quantum information and relativity theory, Rev. Mod. Phys. Vol. 76. No. 1. January 2004. Р. 93–123. В ней он честно пишет: «Многие физики, возможно, большая часть, имеют интуитивный, реалистичный взгляд на мир и рассматривают квантовое состояние как физический объект. Его значение не может быть известно, но, в принципе, квантовое состояние физической системы было бы хорошо определено. <…> В этом обзоре мы твердо придерживаемся представления, что ρ [матрица плотности] — только математическое выражение, которое кодирует информацию относительно потенциальных результатов наших экспериментальных вмешательств. Последние обычно называются „измерениями“ — неудачный термин, который создает впечатление, что в реальном мире существует некое неизвестное свойство, которое мы измеряем».

Этот обзор интересен в свете обсуждаемых нами философских вопросов, поскольку в нем затрагиваются онтологические проблемы относительно понятия «состояние».

Уже из названия обзора следует, что A. Перес пытается сопоставить квантовую механику с классической физикой (в частности, с теорией относительности, то есть разделом классической физики). Он делает выбор в пользу классической физики и теории относительности, но при этом должен отказаться от того, что вектор состояния (матрица плотности) соответствует реальному объекту. Причем А. Перес справедливо отмечает, что объединение теории относительности и квантовой теории невозможно в принципе, как он пишет: «Онтологии этих теорий радикально различны». В итоге автор приходит к выводу, что «волновая функция — не физический объект. Это — только инструмент для вычисления вероятностей объективных макроскопических событий». То есть мнение A. Переса близко позиции И. фон Неймана. Причем, замечу еще раз, он честно говорит о том, что большинство физиков думают иначе. Я тоже отношу себя к последним, считая, что вектор состояния соответствует реальному физическому объекту со всеми вытекающими отсюда «сверхъестественными» последствиями (нелокальностями).

Другая распространенная позиция, основанная на статистической интерпретации квантовой механики, сейчас тоже сильно зашаталась. О каком ансамбле может идти речь, если сейчас научились создавать когерентные суперпозиционные состояния для отдельных частиц?

Если рассмотреть, как в квантовой механике формировалось представление о статистической (ансамблевой) интерпретации, то следует отметить, что в качестве отдельного состояния квантовая теория допускает суперпозицию различных альтернатив (нелокальное состояние, в котором нет какой-то конкретной локальной характеристики объекта). Это допущение противоречило классическим представлениям, и отсюда, по моему мнению, возникли ансамблевая интерпретация и статистический подход к вектору состояния. Здесь были задействованы хорошо известные представления Больцмана и Гиббса о статистическом ансамбле. Напомню, что в свое время для вычисления средних значений физических величин они, вместо временного усреднения в рамках одной системы, предложили рассматривать среднее по ансамблю, по совокупности большого числа соответствующим образом разупорядоченных систем. Они предложили мысленную конструкцию из совокупности систем, когда каждое допустимое состояние данной (одной)системы представлено в ансамбле отдельной системой, находящейся в стационарном состоянии. Каждая система из ансамбля является мысленной копией реальной системы в одном из допустимых ее состояний. Такое представление выглядит очень правдоподобно, однако к настоящему времени никто не знает, как сформулировать необходимые и достаточные условия строгой эквивалентности средних по ансамблю и временных средних.

Поскольку многим физикам мысль о том, что нелокальная система (суперпозиционное состояние) может реально существовать, казалась противоестественной, вспомнили о статистическом ансамбле, который по определению представляет собой мысленную конструкцию. То есть квантовую нелокальную суперпозицию состояний для данной системы заменили мысленным набором всех ее возможных классических состояний с данными вероятностями. Формально (количественно) результаты совпадают, но от реального физического объекта, единого и нелокального, перешли к мысленной конструкции, к ансамблю классических состояний. Какое-то время это помогало продержаться полуклассическим представлениям в квантовой механике. При этом многие абсолютизировали понятие «ансамбля» и предпочитали понимать под ним не мысленную конструкцию, а уже набор из реально существующих состояний.

Мое представление об ансамбле состояний ближе к точке зрения В. А. Фока, которая отражена в упоминавшейся ранее цитате из книги А. Л. Симанова: «В. А. Фок считает, что ψ-функция относится не к ансамблю частиц, а к отдельной частице, характеризуя вероятность того или иного состояния микрообъекта при данных условиях. Он вводит в описание состояния микрообъекта существенно новый элемент — понятие вероятности, а тем самым и понятие потенциальной возможности». И далее: «…Введение их отражает не неполноту условий, а объективно существующие при данных условиях потенциальные возможности». Следовательно, ψ-функция характеризует возможные состояния микрообъекта при определенном макроскопическом окружении. Эти возможные состояния представляют собой ансамбль. В действительность превращается одна из возможностей этого ансамбля.

Однако В. А. Фок продолжал оставаться в рамках полуклассических представлений о «состоянии». Например, в предисловии к книге Дирака «Принципы квантовой механики» он пишет: «Само понятие состояния трактуется по всей книге так, как если бы оно принадлежало атомному объекту самому по себе, в отрыве от средств наблюдения. Такая абсолютизация понятия „квантовое состояние“ приводит, как известно, к парадоксам. Эти парадоксы были разъяснены Нильсом Бором на основе представления о том, что необходимым посредником при изучении атомных объектов являются средства наблюдения (приборы), которые должны описываться классически».

Сейчас квантовая теория стала уже самодостаточной дисциплиной. В настоящее время она замкнута, и для нее нет никакой необходимости привлекать классические приборы. Наоборот, если мы вводим в рассмотрение классические объекты, то квантовая теория уже не может считаться по-настоящему квантовой, а становится лишь полуклассическим приближением. Поэтому широко известную копенгагенскую интерпретацию квантовой механики в лучшем случае можно рассматривать как полуклассический подход.