Рецензия на книгу «Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса»

Представляю вашему вниманию свои впечатления от прочтения выпущенной недавно издательством АНФ книги, которая посвящена последним достижениям квантовой физики. Как это обычно у меня бывает, рецензия быстро распухла от комментариев и авторских размышлений и превратилась в лонгрид.

Научпоп ­­– дело благородное. Особенно, если это попытка рассказать популярно о квантовом мире. Однако это благое начинание имеет подводные камни, о которых всегда стоит помнить даже самому искушённому гуру просвещения. И речь идёт даже не о сложности, связанной с контринтуитивностью квантовых законов, это-то как раз преодолевается мастерством рассказчика. Проблема в другом: квантовая физика во всех своих проявлениях и достижениях оказывается порой слишком широким понятием для одного человека.

Существует древняя индийская притча про трёх слепцов, изучавших слона на ощупь в разных местах и получавших при этом разных «слонов». Точно так же квантовая физика, зародившись в начале XX века подобно извержению вулкана, накрыла своей «лавой» и обобщила большинство уже существовавших разделов физики, создав при этом несколько новых. Будучи порожденными из одного источника, эти новые русла развиваются в разных направлениях, и хотя описывают, по сути, одну реальность, очень друг на друга не похожи. Те из физиков, кто развивает эти направления, авторитетно заявляют, что они занимаются квантовой физикой (и они, несомненно, правы!). Однако пытливый обыватель, который решил на досуге ознакомиться с популярным изложением премудростей квантового мира, может быть поставлен в тупик когнитивным диссонансом, когда он пытается сопоставить картины мира, которые рисуют ему разные авторы.

Книга Николя Жизана «Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса», чей перевод с французского был выпущен издательством «Альпина нон-фикшн», представляет нашему вниманию одну из таких картин, а именно взгляд на квантовую физику со стороны квантовых коммуникаций, то есть вопросов, связанных с созданием и переносом хрупкой квантовой информации. Автор – живой классик, один из тех, кто стоял у истоков данного направления. Будучи экспериментатором и прикладником, он, тем не менее, оказывается способен вовлечь читателя в размышления о фундаментальной природе феномена, известного как нелокальность, который кроется в основе явления квантовой телепортации.

Прежде чем продолжить, я бы хотел провести небольшой исторический экскурс в проблему. Дело в том, что центральным понятием квантовой физики является понятие состояния физического объекта (частицы, системы, вакуума). Состояние описывается специальными математическими сущностями ­– так называемыми векторами гильбертова пространства. Квантовая теория описывает законы, по которым эти состояния эволюционируют во времени либо изменяются из-за взаимодействия объектов друг с другом, а также то, как с помощью этих состояний предсказывать результат эксперимента. Важно здесь то, что до 90-х годов прошлого столетия физики рассматривали преимущественно такие задачи, когда каждому отдельному физическому объекту в системе присваивалось свое отдельное состояние. И лишь с развитием техники наблюдения за одиночными частицами удалось экспериментально подтвердить, что возможна ситуация, когда два разных объекта описываются одним состоянием – феномен, который сегодня принято называть запутанностью (или перепутанностью, от английского entanglement).

Примечательно, что впервые идею о перепутывании частиц высказал в 1935 году в форме парадокса один известный физик с двумя своими коллегами, причем их целью было показать несовершенство квантовой теории (точнее, её неполноту). Эрудированный читатель, конечно же, догадается, что этим известным физиком был Альберт Эйнштейн. Суть парадокса заключалась в том, что, существуй запутанное состояние на самом деле, взаимодействие с одной частицей из пары мгновенно повлияло бы на другую частицу. Понятие «мгновенно» означает, что каким бы ни было расстояние между частицами, время передачи такого влияния оказывалось бы нулевым, а скорость – бесконечной. Такое предположение шло вразрез с теорией относительности, которую, как известно, сам Эйнштейн и развил.

Впоследствии оказалось, что явление запутанности – экспериментальный факт, аккуратно согласующийся с теорией относительности, доказательству чего Николя Жизан в книге уделяет достаточно много времени. Тем не менее в те далёкие времена (я имею в виду середину XX века) победоносное шествие квантовой механики по научным умам не давало физикам повода усомниться в её полноте. По этой причине мало кто из журналов соглашался связываться с тематикой, связанной с парадоксом мгновенности. Выражаясь словами из сериала «Южный парк», физики предпочитали не касаться этого даже 60-ти футовой палкой.

Ремарка: справедливости ради надо отметить, что, строго говоря, явление запутанности легко обнаружить в обычных атомах, содержащих более одного электрона, из которых состоит большинство материи на Земле, а описание таких состояний есть в любом хорошем учебнике по квантовой механике, выпущенных после 30-х годов прошлого столетия. О запутанности как о волшебстве заговорили тогда, когда такие частицы удалось разнести на достаточно большое расстояние, чтобы зафиксировать мгновенное изменение состояния. Тот факт, что запутанность норовит исчезнуть за время, пока частицы разносятся в пространстве, объясняет, почему её не обнаруживали ранее.

Экспериментальным подтверждением того, что запутанность – это не выдумка, а реальность, является невыполнение на практике специальных неравенств: так называемых неравенств Белла (Жизан бережно защищает читательский ум от сложной математики и называет это «игрой Белла»). Это событие (я имею в виду первые эксперименты) без преувеличения можно назвать водоразделом в истории квантовой физики, поскольку класс задач, вставший перед экспериментаторами и теоретиками нового времени сильно отличался от задач, решаемых, например, на ускорителях, где искали и ищут новые элементарные частицы. Как оказалось, этот водораздел появился и в самом физическом сообществе как таковом, а точнее в понимании того, какая из физик «более квантовая». В этом плане Жизан отдает пальму фундаментальности тем разделам, которые изучают нелокальность и запутанность, поэтому в тексте книги можно иногда найти пассажи, задевающие физиков, изучающих, скажем так, состояния одиночных объектов (к слову, ваш покорный слуга не работает с запутанностью, что, впрочем, не мешает ему восхищаться этим удивительным феноменом).

Ремарка: у некоторых физиков «старой Республики» есть другое понимание термина «нелокальность». Оно связано с тем фактом, что при описании взаимодействия нельзя считать, что оно происходит в какой-то точке пространства-времени (в математическом смысле), в силу чего такое взаимодействие должно быть «размазано». Этот факт имеет драматические последствия для квантовой теории поля, но это уже совсем другая история. В данном случае важно, что иногда два физика-теоретика могут не понять друг друга, говоря о нелокальности.

Что же касается сложности текста, то складывается ощущение, что Николя Жизан оказался в роли учителя, которому достался класс, в котором есть как отличники, так и двоечники. Желая ублажить обе категории читателей, автор строит текст книги таким образом, что неподготовленный читатель местами может быть сбит с ног невесть откуда взявшимися терминами из специальных разделов физики или математики, либо ударной дозой философских размышлений о вопросах познания и воли. Впрочем, Жизан с самого начала книги предупреждает, что задачка будет не из лёгких, а повествование строит так, что, несмотря на некоторые затруднения, основную идею книги и главные достижения данной области физики читатель всё же поймет. В отличие от книг Хокинга или Фейнмана формулы в «Квантовой случайности» всё-таки встречаются, но в большинстве случаев их можно смело пропускать.

Книга Николя Жизана ценна в первую очередь тем, что она написана одним из главных действующих лиц, стоявших у истоков передачи квантовой информации. В ней дан очень хороший обзор пионерских экспериментов, поставленных как самим Жизаном, так и его коллегами, а также приведена неразрывная связь этих экспериментов с теоретическими и философскими измышлениями современников, что позволяет читателю следить за становлением новой научной парадигмы в формате «вопрос природе – ответ». Всё, разумеется, обильно снабжено ссылками на литературу. Кроме того, автор рассказывает читателю драматичные и интересные истории из жизни ученых, связанных с развитием квантовых коммуникаций, которые обычно остаются за кадром.

Наконец, к достоинству книги можно отнести тот факт, что перевод сделан с французского (то есть с оригинального), а не с английского варианта книги, поскольку всем известно, каким губительным порой бывает влияние качества даже однократного перевода на смысл написанного. По этой причине ознакомление с оригиналом затруднительно, поэтому сложно сказать, есть ли какие-нибудь смысловые потери. Впрочем, каких либо смысловых несуразностей в книге мною замечено не было. Попалось на глаза лишь несколько неточностей и опечаток, однако в отличие от Алексея Алексеенко, который в своей рецензии на Снобе отметил, что «при полном отсутствии у читателя базовых знаний запутаться в них (ошибках) можно», я считаю, что это не несет какой-либо опасности для неподготовленного читателя.

Таким образом, мы имеем книгу, которая хоть и потребует некоторого умственного напряжения, в ответ подарит некое понимание, почему последние достижения в области исследования запутанных состояний так будоражат умы физиков и иногда даже называются «второй квантовой революцией». Книга рекомендуется как просто любознательным читателям, так и специалистам в области квантовой физики.

ps И да, не могу удержаться и не написать: в экспериментах использовалась оптоволоконная сеть швейцарского телекоммуникационного оператора Swisscom