Как я понимаю, противоречие здесь скрывается в самой постановке вопроса, например, когда речь идет о передаче информации при помощи квантовых корреляций. Квантовые корреляции - это те степени свободы, которые являются общими для всей системы. Это та часть системы, которая объединят ее, те степени свободы, которые меняются как одно целое. Поэтому говорить о передаче информации при помощи квантовых корреляций, на мой взгляд, не совсем корректно: никакой "передачи", по сути дела, здесь нет, поскольку квантовые корреляции не разделены на отдельно отстоящие части.
Попытаюсь пояснить. Давайте зададимся сходным, но более простым вопросом: с какой скоростью обмениваются между собой информацией кубиты в квантовом компьютере, и нужен ли для такого обмена классический канал связи? Очевидно, что классический канал не нужен - он только нарушит корреляции. Очевидно и то, что скорость обмена информацией бесконечна и так называемая "передача информации" между кубитами совершается мгновенно, поскольку все они ведут себя как единое целое. Изменяя состояние одного кубита, мы меняем сразу всю систему целиком. Лучше сказать, что ни передачи, ни обмена информацией между кубитами нет, а есть лишь их согласованное поведение. Замечу, что кубиты могут быть разнесены в пространстве. Неважно, на каком расстоянии друг от друга они находятся - необходимо только, чтобы между ними сохранялись корреляции по спиновым степеням свободы (если на них работает квантовый компьютер). Но в соответствии с нашими привычными представлениями - особенно когда кубиты разнесены в пространстве - можно, конечно, говорить и о передаче, об обмене информацией между кубитами, поскольку изменение состояния одного из них мгновенно передается другим, а работа квантового компьютера как раз и заключается в обмене информацией между ними, в их согласованном поведении.
Поэтому нельзя сказать, что сверхсветовая передача информации невозможна. По моему мнению, проблемы и "логические парадоксы" возникают здесь из-за некорректных формулировок. Например, когда мы говорим о телепатии, то есть о передаче информации от одного человека к другому по квантовому каналу связи, то подразумеваем использование эзотерических практик восприятия на тонких уровнях реальности. На этих уровнях высока мера запутанности, и при этом внешние объекты едины с нашим энергетическим телом, связаны с ним нелокальными квантовыми корреляциями. Поэтому сознание имеет принципиальную возможность прямого доступа (по квантовому каналу связи) к внешним объектам как к части, к внешнему "продолжению" своего собственного энергетического тела. Однако для осознанного восприятия этих корреляций наше сознание должно обладать практическим навыком индивидуальной активности на тонких уровнях реальности.
А вот если рассматривать технические решения с квантовым каналом связи, то есть с передающим устройством, приемником и т. п., то тут и возникают различные проблемы и парадоксы. Квантовый канал связи, по сути, лишь объединяет источник и приемник информации в единое целое по отдельным степеням свободы. Опять-таки - о передаче информации между ними можно говорить лишь условно. А объединить две человеческие головы, которые должны обменяться информацией, в единое целое (как при эзотерической практике) технические квантовые каналы, которые сейчас обычно предлагаются, пока не в состоянии. Поэтому люди вынуждены дополнительно использовать классические каналы связи.
Предположим, что "наблюдатель 1" и "наблюдатель 2" разделены между собой пространством-временем на отдельные части, при этом оба они способны влиять на состояние единой квантовой системы (по квантовому каналу) и наблюдать результаты этого влияния. Почему же тогда квантовая система не может являться для обыденного сознания наблюдателей информационным мостом между ними? На этот вопрос я бы ответил так: необходимо, чтобы наблюдатели могли видеть и изменять результаты этого влияния в той части, которая их объединяет, а не разделяет. Обыденное сознание направлено на разделяющую часть, а она не имеет дела напрямую с квантовым каналом. Чтобы воспользоваться квантовым каналом связи, сознание наблюдателей должно непосредственно отслеживать процессы, происходящие со степенями свободы, которые реализуют квантовый канал. Одно из прямых решений, используемое в эзотерической практике, - смена состояния сознания и расширенное восприятие реальности, непосредственное "общение" на уровне квантовых ореолов. Думаю, что этого можно достигнуть при помощи технических средств.
Физики обычно осторожны в высказываниях о том, что может быть реализовано, а что нет. В данный момент ведутся эксперименты по плотной кодировке информации, в которых при помощи квантового канала связи удается передать два бита информации, используя одну частицу (в классическом случае она несет один бит). Пока что для реализации этих экспериментов необходим классический канал связи. Тем не менее я считаю: нельзя делать вывод о том, что наличие классического канала связи необходимо в любом случае.
Одна из проблем мне видится в том, что, пользуясь запутанными состояниями, отправитель не может по своему усмотрению задать строго определенную последовательность сигналов. Он не может по аналогии с морзянкой "отстучать" строго определенную последовательность "точек" и "тире". У него есть суперпозиция этих "знаков", и при каждом нажатии на "ключ" с равной вероятностью "выпадает" либо "точка", либо "тире". Поэтому для получателя это будет выглядеть как случайный набор "знаков", которые, тем не менее, однозначно связаны со "знаками", случайно "выпавшими" у отправителя. То есть имеется корреляция, связь между "значками" с той и с другой стороны, но как воспользоваться этой корреляцией для передачи информации, пока неясно.
В целом я оптимист и думаю, что будут найдены технические решения, позволяющие обмениваться информацией по одному квантовому каналу. Надеюсь, решения эти будут неожиданные, принципиально новые, очень далекие от существующих схем и даже представлений.
1.7. Квантовая теория и телепатия. Квантовая логика
В современной квантовой теории есть еще одно интересное и, я бы сказал, занимательное направление, связанное с коммуникацией и мгновенной передачей информации по квантовому каналу связи на основе квантовой запутанности. Это направление занимается играми, точнее, выигрышными стратегиями при наличии квантового канала, например, между двумя игроками, в то время как другая пара игроков связана обычным классическим каналом.
Неплохой обзор научных публикаций, посвященных этому направлению квантовой теории, - G. Brassard, A. Broadbent, A. Tapp, Quantum Pseudo-Telepathy, arXiv: quant-ph/0407221 (22 Nov., 2004) http://ru.arxiv.org/abs/quant-ph/0407221.
Я остановлюсь на нем чуть подробнее.
Авторы называют квантовый канал связи между двумя игроками "псевдотелепатией". В аннотации они пишут: "Псевдотелепатия - удивительное приложение квантово-информационных технологий к коммуникации. Благодаря запутанности, возможно, самой неклассической манифестации квантовой механики, два или более квантовых игроков могут выполнять распределенную задачу без потребности в связи вообще, что было бы невозможным подвигом для классических игроков".
Как осторожно замечают авторы, вспоминая при этом эзотерику: "В этом случае телепатия, казалось бы, была не хуже, чем любое другое эзотерическое "объяснение", не так ли?" И чуть далее: "Этот феномен мы называем "псевдотелепатией", потому что он показался бы столь же магическим, как "истинная" телепатия, классическому физику, но все же он имеет полностью научное объяснение - квантовую механику".
То, что раньше казалось "сверхъестественным" с точки зрения классической физики, в рамках квантовой теории получает естественное объяснение, и, более того, квантовая механика предоставляет инструменты для количественного описания этих явлений.
Авторы обзора подчеркивают, что основной целью анализа псевдотелепатических игр является их экспериментальное приложение к изучению нелокальной природы окружающего мира и телепатии как одного из проявлений квантовой нелокальности.
Раздел 1.3 статьи называется "Какие убедительные эксперименты могут быть проведены?" Здесь говорится: "Основная мотивация для изучения игр псевдотелепатии заключается в том, что их физическая реализация обеспечивает наиболее убедительные и свободные от обходов демонстрации того, что физический мир не является локально-реалистическим".
Авторы подробно останавливаются на тех условиях, которые необходимо выполнить (обеспечить), чтобы исключить сомнения в правильности результатов экспериментов по телепатии. Речь идет о том, как убедить "заядлого любителя детерминизма", что классическая физика "is wrong" - ущербна, увечна, что ей нельзя доверять, что она является отклонением от истины, упрощением и искажением нелокальной основы реальности.
Во втором разделе статьи авторы делают обзор наиболее широко известных к настоящему времени псевдотелепатических игр. Они начинают с известной статьи Кохенаи Шпекера, которую часто называют одной из ключевых работ в процессе становления квантовой логики. Кохен и Шпекер пытались с помощью скрытых переменных свести квантовую логику к классической, то есть делали попытку перевести язык квантовой логики на язык классических теорий - булеву алгебру. Они показали, что это невозможно сделать, построив свой знаменитый контрпример - граф из 117 точек.
Таким образом, квантовая логика тесно переплетается с телепатическими играми квантовой теории.
Привычная для нас классическая логика является лишь частным случаем квантовой и справедлива для незначительной части реальности, описываемой классической физикой. Моментом зарождения квантовой логики как самостоятельного направления в квантовой теории можно считать 1936 год, когда Бирхгови фон Нейман опубликовали статью "Логика квантовой механики".
Хотя чуть раньше, в 1932 году, фон Нейман в своей знаменитой книге "Математические основы квантовой механики" уже обратил внимание на возможность существования особой квантовой логики, обобщающей логику классическую: "Наряду с физическими величинами R существует еще нечто, являющееся предметом физики: именно альтернативные свойства системы L". То есть предметом физики являются не только некоторые конкретные физические величины, полученные при измерении, но и вся совокупность "непроявленных" результатов - тех, которые могли иметь место, но в данном случае не были реализованы.
Основное отличие квантовой логики от классической заключается в том, что в ней состояния физической системы определяются не только конкретными значениями связанных с системой наблюдаемых, но и всей совокупностью альтернативных свойств системы (суперпозицией состояний).
Квантовая логика существенно отличается от булевой. Например, не выполняется закон дистрибутивности в его общей форме. Дистрибутивность операций имеет место лишь для некоторых отдельных множеств, заданных на так называемых совместимых подпространствах гильбертова пространства. Дистрибутивный закон справедлив для попарно совместимых подпространств. С набором совместимых подпространств можно связать проекционные операторы и построить наблюдаемые, которые будут попарно коммутировать, и их можно представить как функцию одного оператора, то есть им соответствуют одновременно измеряемые величины.
Квантовая логика сейчас еще только разрабатывается, и пока трудно оценить все возможные последствия нового мышления, но одно несомненно - они будут очень значительны.
В этом отношении многое делается математиками, которые сейчас интенсивно работают над квантовыми алгоритмами и программами для квантового компьютера. Им в какой-то мере проще - не надо думать о физических ограничениях "на железо". Как только появится квантовый компьютер "в железе", у математиков уже будет в запасе большое количество готовых квантовых алгоритмов и программ.
Для реализации квантовых алгоритмов нужно небольшое число логических квантовых операторов (гейтов): однокубитные - NOT (логическое "Не"), преобразование Адамара (перевод кубита в нелокальное суперпозиционное состояние); двухкубитные - CNOT (контролируемое "Не"), SWAP (обмен состояниями) - и этого будет достаточно. С их помощью можно реализовать любые алгоритмы - не только классические, но и квантовые, которые реализуют квантовую логику.
1.8. Телепортация и обращение времени
С квантовой нелокальностью и мгновенной передачей информации тесно связаны вопросы телепортациии обращения времени. В 1993 году появилась статья, опубликованная Ч. Беннеттом с соавторами, которая имела весьма необычное название для научной публикации в солидном физическом журнале: уже в самом заголовке употреблялся непривычный для физиков термин "телепортация" - "Телепортация неизвестных квантовых состояний через двойной, классический и ЭПР-канал" ("Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels"). Эта работа иногда считается отправной точкой современного прикладного этапа в развитии квантовой механики, в частности, теории запутанных состояний и квантовой теории информации.
К настоящему времени проведено очень много экспериментов по квантовой телепортации. Из последних работ в этой области можно упомянуть эксперимент группы А. Цайлингера по реализации квантовой телепортации через Дунай, то есть на довольно большом расстоянии (600 м). Его результаты опубликованы в Nature.
Как пишут авторы: "Наш результат - шаг к построению квантового повторителя, который даст возможность чистой запутанности быть разделенной между отдаленными сторонами в окружающей среде".
Суть экспериментов по телепортации несложная. Если описать ее упрощенно, она будет выглядеть так: допустим, у нас есть частица 1 и запутанная пара частиц 2–3 (типа ЭПР-пары). Объединяя частицы 1 и 2 (измеряя в белловском базисе), то есть переводя пару 1–2 в максимально запутанное состояние типа того, которое было раньше у пары 2–3, состояние 3 становится таким, каким было раньше состояние 1, поскольку общее состояние трех частиц не меняется. Таким образом, частица 1 как бы телепортируется на место частицы 3, другими словами, частица 3 приобретает свойства частицы 1.
Сейчас проводятся все более сложные эксперименты по телепортации. Используется метод, который называется "телепортация запутанности", или "обмен запутанностью". Суть его в том, что две некоррелированные системы можно связать квантовым каналом связи (запутать между собой) при помощи дополнительной вспомогательной системы (ancilla), состоящей из запутанной пары. Когда эти коррелированные части анциллы передаются каждой из двух независимых систем, то последние становятся тоже запутанными, хотя раньше классически не взаимодействовали друг с другом. Такие эксперименты тоже были выполнены.
Такой обмен квантовой запутанностью предполагается использовать при ее пересылке в определенное место. Если доступный канал передачи имеет ограниченное качество ("зашумленность"), то при прохождении через него запутанных состояний корреляции нарушаются из-за декогеренции. В такой ситуации метод квантового повторителя позволяет разделить квантовый канал на короткие участки, которые очищаются известными методами дистилляции запутанности, а затем объединяются методами обмена запутанностью.
Обмен запутанностью может быть использован и для ряда других практических целей: для построения квантового коммутатора, для увеличения скорости распределения запутанных пар между удаленными пользователями, для построения запутанных состояний, охватывающих большое число частиц, и т. д. Сейчас предложено уже довольно большое количество различных схем применения этого метода.
Так, при построении квантового коммутатора предполагается наличие определенного числа (N)пользователей и центрального коммутатора, с которым все они соединены квантовым каналом связи. Принципиальную схему работы такого коммутатора можно объяснить следующим образом. Пусть у каждого пользователя есть (в простейшем случае) одна максимально запутанная пара. Они отдают одну частицу из своей пары на центральный коммутатор, в котором происходит их объединение. В этом случае все оставшиеся у пользователей частицы оказываются квантово-запутанными. Все N частицы, которые по-прежнему у них остаются, становятся квантово-коррелированными, то есть все пользователи объединены квантовыми корреляциями, они как бы "включены" в единую квантовую сеть и могут "телепатически" общаться друг с другом. Такая схема может использоваться для генерации любых многочастичных запутанных состояний типа "шредингеровских кошек".
Таким образом, сейчас телепортация вышла на инженерный уровень, и разрабатываются довольно сложные схемы ее практического применения, проектируются принципиально новые коммуникационные каналы квантовой связи, использующие в качестве рабочего ресурса квантовые корреляции.