Запутанность
Урок 4 из 23 курса «Квантум: курс с нуля». Бесплатно, с анимациями и тестом.
Пара с одним состоянием на двоих
Запутанность — это когда у двух частиц нет отдельных состояний, есть одно общее. Пример: пара кубитов, где каждый по отдельности 50 на 50, но ответы всегда совпадают. Меряешь первый, выпал 0. Второй, хоть за тысячу километров, тоже даст 0. Каждый ответ случаен, но связь между ними железная. Запутанность — главный ресурс квантового компьютера: без неё кубиты были бы просто набором отдельных монеток.
Может, это просто носки?
Физик Райнхольд Бертлман всегда носил разные носки. Увидел, что левый розовый, и сразу знаешь: правый не розовый. Никакой магии: цвета он выбрал утром, ты просто узнал. Эйнштейн в 1935 году так и думал про частицы: ответы зашиты в них заранее, а квантовая теория просто неполная. Мгновенную связь на расстоянии он называл «жутким дальнодействием». Чтобы проверить, кто прав, нужен был хитрый тест. Его придумали через 30 лет.
Тест Белла: природа против носков
В 1964 году Джон Белл придумал проверку. Двое игроков получают по частице и случайный вопрос, общаться нельзя. Если ответы зашиты заранее, как цвета носков, выиграть можно максимум в 75% раундов. С запутанными частицами выходит около 85%. Опыты раз за разом показывали больше 75%, а в 2015 году в Делфте закрыли последние лазейки. В 2022-м Аспе, Клаузер и Цайлингер получили за эти опыты Нобелевку. Эйнштейн ошибся: ответов заранее нет.
Мессенджер быстрее света? Нет
Раз связь мгновенная, можно ли слать сообщения быстрее света? Нет. Алиса меряет свою частицу и видит случайные 0 и 1. Боб у себя тоже видит случайные 0 и 1. Повлиять на то, что выпадет у Боба, Алиса не может. Совпадения видно только когда они сравнят записи, а для этого нужен обычный канал: звонок, интернет. Так что запутанность не ломает законы Эйнштейна про скорость света. Если в рилсе обещают «квантовый мессенджер без задержек», это фейк.
Запутанность через космос
2017 год. Китайский спутник «Мо-цзы» с орбиты 500 км отправил запутанные фотоны на две станции в горах Китая, в 1203 км друг от друга. Пары сохранили связь, и тест Белла снова прошёл. Тем же спутником провели видеозвонок Пекин — Вена с ключом шифрования, созданным квантовым способом. Это квантовое распределение ключей: если кто-то подслушивает, измерение оставляет след, и подслушку видно. Банки и госсвязь в Китае и Европе уже тестируют такие сети.
Проверь себя
- Алиса измерила свою частицу и получила 1. Что получит Боб?
Правильный ответ: Тоже 1. У пары одно общее состояние «ответы совпадают». Расстояние не важно: результат Боба совпадёт с результатом Алисы. - Можно ли с помощью запутанности передать сообщение мгновенно?
Правильный ответ: Нет: у каждого по отдельности чистый шум. Алиса не управляет тем, что выпадет. Совпадения видны только после сравнения записей по обычному каналу, который не быстрее света. - Что доказали опыты по тесту Белла?
Правильный ответ: Ответы не зашиты в частицы заранее. При «шпаргалке» заранее максимум 75% побед. Запутанные частицы дают около 85%, и опыты это подтвердили. Нобелевка 2022 года как раз за это.