Квантовые эффекты
Квантовая механика — не отвлечённая теория: она проявляется в экспериментах, результаты которых противоречат всякой повседневной интуиции и при этом воспроизводятся с абсолютной точностью. Четыре эффекта, отмечающих границы того, что вообще можно себе представить.
Эксперимент с двойной щелью
Если пропускать отдельные электроны или фотоны один за другим через две узкие параллельные щели, на экране позади них — частица за частицей — постепенно формируется полосатый узор из светлых и тёмных участков. Именно такую картину следовало бы ожидать, если бы волны проходили через обе щели одновременно и усиливали или гасили друг друга. Получается, будто каждая отдельная частица проходит «сразу через обе щели».
Но стоит установить детектор, фиксирующий, через какую именно щель пролетела частица, как интерференционная картина мгновенно исчезает — остаются лишь два простых пятна, именно там, где их и следовало бы ждать от частиц. Решающую роль играет сам факт измерения — а не какое-то физическое возмущение: именно он определяет, ведёт ли себя частица как волна или как частица. Опыт с двойной щелью на электронах впервые провёл в 1961 году Клаус Йёнссон; то, что узор действительно строится частица за частицей, позже показали Пьер Джорджо Мерли, Джан Франко Миссироли и Джулио Поцци (1974–1976), а особенно наглядно — Акира Тономура с коллегами (1989). Этот эксперимент считается ключевым экспериментом квантовой механики: Ричард Фейнман называл его «единственной тайной».
Туннельный эффект
Согласно классической физике, если энергии частицы не хватает, чтобы преодолеть потенциальный барьер, она неизбежно отскакивает — подобно мячу, который катится к стене, но которому не хватает разгона, чтобы взобраться на холм за ней. В квантовой механике, однако, частица — это не шарик с чётко определённым положением, а волновая функция, обладающая некоторой протяжённостью. Эта волновая функция проникает и в сам барьер, и — с убывающей, но не обнуляющейся амплитудой — даже сквозь него.
Результат: частица может с определённой вероятностью оказаться по другую сторону барьера, хотя по классическим расчётам ей это никогда не должно было «удаться». Туннельный эффект — вовсе не экзотическое побочное явление: он лежит в основе сканирующего туннельного микроскопа, позволяющего увидеть отдельные атомы, он движет радиоактивным альфа-распадом и делает возможным термоядерный синтез в Солнце — без туннельного эффекта водородным ядрам там было бы попросту слишком «холодно», чтобы слиться друг с другом.
Квантовая запутанность
Две частицы можно подготовить в общем квантовом состоянии, в котором их свойства неразрывно связаны друг с другом, — такие частицы называют запутанными. До момента измерения ни одна из них не имеет определённого состояния: лишь сам акт измерения над одной частицей «решает» исход — и в тот же момент оказывается предопределён и результат для частицы-партнёра, причём в точной корреляции, независимо от того, как далеко друг от друга успели разойтись обе частицы.
Альберт Эйнштейн насмешливо называл это поведение «жутким дальнодействием» и был убеждён, что должны существовать скрытые, заранее заданные параметры, объясняющие происходящее. Джон Белл в 1964 году математически показал, как эту идею можно проверить экспериментально — и опыты, начиная с 1980-х годов (в частности, отмеченные Нобелевской премией по физике 2022 года), неизменно подтверждали правоту квантовой механики: никаких скрытых параметров не существует. Важно понимать: запутанность не позволяет передавать информацию быстрее света — результат отдельного измерения остаётся случайным, реальна лишь корреляция между двумя результатами.
Квантовая телепортация
Название вызывает ассоциации со «Звёздным путём», но квантовая телепортация не переносит материю — она передаёт точное квантовое состояние от одной частицы к другой, разрушая при этом исходное состояние. Метод использует заранее запутанную пару частиц: в точке A передаваемое состояние измеряется совместно с одной половиной запутанной пары. Результат этого измерения передаётся в точку B классическим способом — то есть не быстрее света. Получив его, можно перевести вторую половину запутанной пары в состояние, в точности совпадающее с исходным.
Ключевую роль здесь играет теорема о запрете клонирования: неизвестное квантовое состояние в принципе нельзя скопировать, не разрушив оригинал, — в отличие от документа Word или фотографии. Телепортация обходит этот запрет, не копируя состояние, а перемещая его. В 2017 году китайскому спутнику «Мо-цзы» (Micius) удалось телепортировать запутанные фотоны между Землёй и орбитой — на расстояние 1400 километров. Практическое значение этот метод имеет прежде всего для квантовых компьютеров и защищённой от прослушивания квантовой связи, а не для транспортировки материи или тем более живых существ.