Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics through his theory of the photoelectric effect but remained deeply bothered by its philosophical implications. And though most of us still remember him for deriving E=MC^2, his last great contribution to physics was actually a 1935 paper, coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen. Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s, this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics, with its description of a strange phenomenon now known as entangled states.
Альберт Эйнштейн сыграл ключевую роль в открытии квантовой механики благодаря своей теории фотоэлектрического эффекта. Однако его сильно волновали её философские последствия. И хотя большинство из нас знают его как автора формулы E=MC^2, его последним крупным вкладом в развитие физики стала работа, опубликованная в 1935 году в соавторстве с его юными коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном. Рассматриваемая всеми до 1980-х как странная философская заметка, работа Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) теперь играет ключевую роль в понимании квантовой физики. Она описывает странный феномен, известный как запутанные квантовые состояния.
The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles, each with two measurable properties. Each of these measurements has two possible results of equal probability. Let's say zero or one for the first property, and A or B for the second. Once a measurement is performed, subsequent measurements of the same property in the same particle will yield the same result. The strange implication of this scenario is not only that the state of a single particle is indeterminate until it's measured, but that the measurement then determines the state.
В работе говорится об источнике, испускающем пáры частиц, каждая из которых обладает двумя измеримыми свойствами. Каждое из данных измерений с одинаковой вероятностью может принять одно из двух значений. Скажем, для первого свойства это 1 и 0, а для второго — А и В. Повторные последовательные измерения одного и того же свойства одной и той же частицы дадут одинаковые результаты. Но поразительно здесь не только то, что состояние частицы не определено, пока оно не измерено, но и то, что измерение и определяет состояние.
What's more, the measurements affect each other. If you measure a particle as being in state 1, and follow it up with the second type of measurement, you'll have a 50% chance of getting either A or B, but if you then repeat the first measurement, you'll have a a 50% chance of getting zero even though the particle had already been measured at one. So switching the property being measured scrambles the original result, allowing for a new, random value.
Более того, эти измерения влияют друг на друга. Если вы определили, что частица находится в состоянии 1, а затем определили значение второго свойства, ваши шансы получить результат А или В равны. Но если вы повторно измерите первое свойство, ваши шансы получить 0 будут равны 50%, несмотря на то, что до этого вы уже получили результат 1. То есть смена измеряемого свойства аннулирует первоначальный результат, позволяя свойству получить новое случайное значение.
Things get even stranger when you look at both particles. Each of the particles will produce random results, but if you compare the two, you will find that they are always perfectly correlated. For example, if both particles are measured at zero, the relationship will always hold. The states of the two are entangled. Measuring one will tell you the other with absolute certainty.
Но всё становится ещё загадочнее, если вы решаете измерить свойства обеих частиц. Каждая их них будет иметь случайные значения. Но если вы их сравните, то увидите, что они всегда согласовываются. Например, если результат обоих измерений равен 0, это отношение сохранится. Теперь они находятся в запутанном состоянии. Определив состояние одной из частиц,
But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity because there is nothing to limit the distance between particles. If you measure one in New York at noon, and the other in San Francisco a nanosecond later, they still give exactly the same result. But if the measurement does determine the value, then this would require one particle sending some sort of signal to the other at 13,000,000 times the speed of light, which according to relativity, is impossible. For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung," or spooky action at a distance. He decided that quantum mechanics must be incomplete, a mere approximation of a deeper reality in which both particles have predetermined states that are hidden from us. Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate, and entanglement allows the state of one particle to depend on that of its distant partner.
вы с уверенностью сможете назвать состояние второй. Но эта запутанность противоречит знаменитой теории относительности Эйнштейна, потому что ничто не ограничивает расстояние между частицами. Если вы определите состояние одной из частиц в Нью-Йорке в полдень, а второй — наносекунду спустя в Сан-Франциско, результаты всё равно окажутся одинаковыми. Но если измерение действительно определяет состояние, то выходит, что одна частица должна отправлять второй какие-то сигналы со скоростью, в 13 миллионов раз превышающей скорость света, что, согласно теории относительности, невозможно. Поэтому Эйнштейн отверг запутанность как «spuckafte ferwirklung», или «жуткое дальнодействие». Он решил, что это говорит о неполноте квантовой механики. В реальности же оказалось, что состояния обеих частиц предопределены. Просто они скрыты от нас. Сторонники традиционной квантовой теории во главе с Нильсом Бором поддерживали теорию о том, что квантовые состояния не определены, и запутывание позволяет состоянию одной частицы влиять на состояния её далёкого партнёра.
For 30 years, physics remained at an impasse, until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument was to look at cases involving different measurements on the two particles. The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen, strictly limited how often you could get results like 1A or B0 because the outcomes would have to be defined in advance. Bell showed that the purely quantum approach, where the state is truly indeterminate until measured, has different limits and predicts mixed measurement results that are impossible in the predetermined scenario. Once Bell had worked out how to test the EPR argument, physicists went out and did it.
30 лет физики оставались в тупике, пока Джон Белл не догадался, что для проверки ЭПР-парадокса нужно было рассмотреть случаи, в которых задействованы разные измерения частиц. Теории локальных скрытых параметров, которых придерживались Эйнштейн, Подольский и Розен, строго ограничивали, как часто можно было получить результаты вроде А1 или В0, поскольку результаты должны быть предопределены заранее. Белл доказал, что чисто квантовый подход, при котором состояние считается неопределённым, пока его не измерили, имеет другие ограничения и прогнозирует результат смешанных измерений, что невозможно в предопределённом сценарии. Как только Белл придумал, как проверить парадокс ЭПР, физики принялись за дело.
Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s, dozens of experiments have tested the EPR prediction, and all have found the same thing: quantum mechanics is correct. The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real and cannot be explained by any deeper variable. The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so. By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics, it led to further elaboration of the theory and helped launch research into subjects like quantum information, now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.
Начиная с Джона Клаузера в 70-х и Алена Аспэ в начале 80-х, учёные провели десятки экспериментов с целью проверить предположения ЭПР, и все пришли к одному выводу: квантовая механика верна. Связи между неопределёнными состояниями запутанных частиц реально существуют, и их нельзя объяснить никакой переменной. Работа ЭПР оказалась ошибочной, и это прекрасно. Заставив физиков всерьёз задуматься об основах квантовой физики, она привела к дальнейшему развитию теории и помогла начать исследования таких областей, как квантовая информация, ныне процветающая область,
Unfortunately, the randomness of the measured results prevents science fiction scenarios, like using entangled particles to send messages faster than light. So relativity is safe, for now. But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.
где могут быть разработаны компьютеры небывалой мощности. К сожалению, произвольность результатов измерений не позволяет развивать фантастические технологии, вроде использования запутанных частиц для доставки сообщений со сверхсветовой скоростью. Так что относительность пока безопасна.