Einstein's brilliant mistake: Entangled states - Chad Orzel

Переводчик: Hanna Lukashevich Редактор: Yulia Kallistratova

Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics

Альберт Эйнштейн сыграл ключевую роль в открытии квантовой механики

through his theory of the photoelectric effect

благодаря своей теории фотоэлектрического эффекта.

but remained deeply bothered by its philosophical implications.

Однако его сильно волновали её философские последствия.

And though most of us still remember him for deriving E=MC^2,

И хотя большинство из нас знают его как автора формулы E=MC^2,

his last great contribution to physics was actually a 1935 paper,

его последним крупным вкладом в развитие физики

стала работа, опубликованная в 1935 году

coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen.

в соавторстве с его юными коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном.

Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s,

Рассматриваемая всеми до 1980-х как странная философская заметка,

this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics,

работа Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) теперь играет ключевую роль

в понимании квантовой физики.

with its description of a strange phenomenon

Она описывает странный феномен, известный как запутанные квантовые состояния.

now known as entangled states.

The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles,

В работе говорится об источнике, испускающем пáры частиц,

каждая из которых обладает двумя измеримыми свойствами.

each with two measurable properties.

Each of these measurements has two possible results

Каждое из данных измерений с одинаковой вероятностью

of equal probability.

может принять одно из двух значений.

Let's say zero or one for the first property,

Скажем, для первого свойства это 1 и 0, а для второго — А и В.

and A or B for the second.

Once a measurement is performed,

Повторные последовательные измерения

subsequent measurements of the same property in the same particle

одного и того же свойства одной и той же частицы

дадут одинаковые результаты.

will yield the same result.

The strange implication of this scenario

Но поразительно здесь не только то,

is not only that the state of a single particle

что состояние частицы не определено, пока оно не измерено,

is indeterminate until it's measured,

but that the measurement then determines the state.

но и то, что измерение и определяет состояние.

What's more, the measurements affect each other.

Более того, эти измерения влияют друг на друга.

Если вы определили, что частица находится в состоянии 1,

If you measure a particle as being in state 1,

and follow it up with the second type of measurement,

а затем определили значение второго свойства,

you'll have a 50% chance of getting either A or B,

ваши шансы получить результат А или В равны.

but if you then repeat the first measurement,

Но если вы повторно измерите первое свойство,

you'll have a a 50% chance of getting zero

ваши шансы получить 0 будут равны 50%,

even though the particle had already been measured at one.

несмотря на то, что до этого вы уже получили результат 1.

So switching the property being measured scrambles the original result,

То есть смена измеряемого свойства аннулирует первоначальный результат,

allowing for a new, random value.

позволяя свойству получить новое случайное значение.

Things get even stranger when you look at both particles.

Но всё становится ещё загадочнее,

если вы решаете измерить свойства обеих частиц.

Each of the particles will produce random results,

Каждая их них будет иметь случайные значения.

but if you compare the two,

Но если вы их сравните,

you will find that they are always perfectly correlated.

то увидите, что они всегда согласовываются.

For example, if both particles are measured at zero,

Например, если результат обоих измерений равен 0,

the relationship will always hold.

это отношение сохранится.

The states of the two are entangled.

Теперь они находятся в запутанном состоянии.

Measuring one will tell you the other with absolute certainty.

Определив состояние одной из частиц,

вы с уверенностью сможете назвать состояние второй.

But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity

Но эта запутанность

противоречит знаменитой теории относительности Эйнштейна,

because there is nothing to limit the distance between particles.

потому что ничто не ограничивает расстояние между частицами.

Если вы определите состояние одной из частиц в Нью-Йорке в полдень,

If you measure one in New York at noon,

and the other in San Francisco a nanosecond later,

а второй — наносекунду спустя в Сан-Франциско,

they still give exactly the same result.

результаты всё равно окажутся одинаковыми.

But if the measurement does determine the value,

Но если измерение действительно определяет состояние,

then this would require one particle sending some sort of signal to the other

то выходит, что одна частица должна отправлять второй какие-то сигналы

at 13,000,000 times the speed of light,

со скоростью, в 13 миллионов раз превышающей скорость света,

which according to relativity, is impossible.

что, согласно теории относительности, невозможно.

For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung,"

Поэтому Эйнштейн отверг запутанность как «spuckafte ferwirklung»,

or spooky action at a distance.

или «жуткое дальнодействие».

He decided that quantum mechanics must be incomplete,

Он решил, что это говорит о неполноте квантовой механики.

a mere approximation of a deeper reality in which both particles

В реальности же оказалось, что состояния обеих частиц предопределены.

have predetermined states that are hidden from us.

Просто они скрыты от нас.

Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr

Сторонники традиционной квантовой теории во главе с Нильсом Бором

maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate,

поддерживали теорию о том, что квантовые состояния не определены,

and entanglement allows the state of one particle

и запутывание позволяет состоянию одной частицы

to depend on that of its distant partner.

влиять на состояния её далёкого партнёра.

For 30 years, physics remained at an impasse,

30 лет физики оставались в тупике,

until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument

пока Джон Белл не догадался,

что для проверки ЭПР-парадокса нужно было рассмотреть случаи,

was to look at cases involving different measurements on the two particles.

в которых задействованы разные измерения частиц.

The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen,

Теории локальных скрытых параметров,

которых придерживались Эйнштейн, Подольский и Розен,

strictly limited how often you could get results like 1A or B0

строго ограничивали, как часто можно было получить результаты

вроде А1 или В0,

because the outcomes would have to be defined in advanced.

поскольку результаты должны быть предопределены заранее.

Bell showed that the purely quantum approach,

Белл доказал, что чисто квантовый подход,

where the state is truly indeterminate until measured,

при котором состояние считается неопределённым, пока его не измерили,

has different limits and predicts mixed measurement results

имеет другие ограничения

и прогнозирует результат смешанных измерений,

that are impossible in the predetermined scenario.

что невозможно в предопределённом сценарии.

Once Bell had worked out how to test the EPR argument,

Как только Белл придумал, как проверить парадокс ЭПР,

physicists went out and did it.

физики принялись за дело.

Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s,

Начиная с Джона Клаузера в 70-х и Алена Аспэ в начале 80-х,

dozens of experiments have tested the EPR prediction,

учёные провели десятки экспериментов

с целью проверить предположения ЭПР,

and all have found the same thing:

и все пришли к одному выводу: квантовая механика верна.

quantum mechanics is correct.

The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real

Связи между неопределёнными состояниями запутанных частиц реально существуют,

and cannot be explained by any deeper variable.

и их нельзя объяснить никакой переменной.

The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so.

Работа ЭПР оказалась ошибочной, и это прекрасно.

By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics,

Заставив физиков всерьёз задуматься об основах квантовой физики,

it led to further elaboration of the theory

она привела к дальнейшему развитию теории

and helped launch research into subjects like quantum information,

и помогла начать исследования таких областей, как квантовая информация,

now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.

ныне процветающая область,

где могут быть разработаны компьютеры небывалой мощности.

Unfortunately, the randomness of the measured results

К сожалению, произвольность результатов измерений

prevents science fiction scenarios,

не позволяет развивать фантастические технологии,

like using entangled particles to send messages faster than light.

вроде использования запутанных частиц

для доставки сообщений со сверхсветовой скоростью.

So relativity is safe, for now.

Так что относительность пока безопасна.

But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.

Но квантовая Вселенная куда загадочнее, чем предполагал Эйнштейн.