Сергей Доронин - Квантовая магия
Состояние (3.1) может быть максимально запутанным, например, одно из них:
. (3.2)
Матрица плотности в этом случае равна:
. (3.3)
То есть система с равной вероятностью 1/2 находится в состояниях |00ñ и |11ñ («кот ни жив, ни мертв») — это диагональные элементы. И корреляции между этими состояниями максимальны (недиагональные элементы). Мы видим, что недиагональные элементы равны друг другу и расположены симметрично, как и должно быть для любой матрицы плотности.
При измерении этого нелокального состояния (при декогеренции) мы получим одно из двух классических локальных (сепарабельных) состояний |00ñ или |11ñ с равной вероятностью.
Существует простой способ проверить, относится ли какая-либо матрица плотности к чистому состоянию или нет. Если умножить матрицу саму на себя, и она при этом не изменится (получится та же самая матрица), то есть если выполняется равенство ρ2 = ρ, то можно сразу сказать, что данная матрица плотности описывает чистое состояние, и для него может быть записан вектор состояния. Такие матрицы, которые не меняются при умножении самой на себя, называются идемпотентными. Таким образом, любая матрица плотности чистого состояния — идемпотентная.
Если система незамкнутая (открытая), то это смешанное состояние, и тогда она не описывается вектором состояния, но ее по-прежнему можно описать матрицей плотности. Например, максимально смешанное состояние:
. (3.4)
Его уже нельзя записать в виде вектора состояния (3.1). В этом случае нет корреляций между состояниями |00ñ|01ñ|10ñ|11ñ, и при измерении можно получить любое из этих состояний с равной вероятностью 1/4.
Замечу, что матрица плотности такого вида получается, если мы хотим описать состояние одной из подсистем, например А, в случае максимально запутанного состояния типа (3.2). Так, если мы возьмем частичный след по подсистеме B и получим частичную матрицу плотности размерностью 2 × 2, которая описывает подсистему А, то эта матрица плотности будет соответствовать максимально смешанному состоянию и иметь вид:
. (3.5)
Подсистема А с равной вероятностью 1/2 может находиться в состоянии |0ñ или |1ñ.
Нужно еще иметь в виду, что, когда мы говорим «состояние системы», то смысл этого выражения обычно зависит от контекста. Речь может идти о состоянии, полученном в результате измерения (декогеренции), то есть об одном из реализованных собственных состояний системы (об одном из диагональных состояний матрицы плотности). Или имеется в виду исходное состояние, то есть сам вектор состояния (вся матрица плотности), тогда по ее структуре можно судить о квантовой запутанности и о корреляциях (в частности, о градиентах энергии). В простых случаях, например, для матрицы плотности типа (3.3) (когда 1/2 стоят по четырем углам, а остальные нули), сразу можно сказать, что это максимально запутанное cat-состояние.
Понятие матрицы плотности исключительно важно в квантовой теории. Только в терминах матриц плотности можно рассматривать части взаимодействующей системы. Рассуждать об «ЭПР-парадоксе» в терминах пси-функции вообще не имеет смысла. Матрица плотности содержит информацию двоякого рода: во-первых — о корреляциях между частями самой системы; во-вторых — о корреляциях системы с окружением (которых может и не быть в случае чистого состояния). Речь идет, прежде всего, о нелокальных корреляциях, поскольку классические корреляции (сепарабельные состояния) и раньше с успехом описывались теми же пси-функциями. Но только на основе матриц плотности стало возможным описание квантовых корреляций (несепарабельных состояний). Только с их помощью квантовая теория стала по-настоящему квантовой, способной охватить ее основную специфику, отличающую ее от классической физики — несепарабельные (запутанные) состояния.
На основе матриц плотности стало возможным ввести количественные характеристики квантовой запутанности, и этот момент, как я считаю, стал поворотным для квантовой теории. По своей значимости данное событие стоит в ряду самых выдающихся достижений не только квантовой механики, но и всей науки в целом. Появилась возможность количественно описывать новую, неизведанную сферу реальности. Я бы сравнил этот момент с отрывом науки от грешной земли и ее выходом в безбрежный «космос», в «царство небесное» нелокальных состояний.
3.2. Количественное описание квантовых корреляций
Мера квантовой запутанности — это количественная характеристика несепарабельности, числовое значение величины квантовых корреляций и степени нелокальности объекта. По моему мнению, до того, как квантовая теория стала количественно описывать запутанные состояния, она и не была квантовой. Как и классическая физика, она ограничивалась описанием сепарабельных состояний. Можно сказать, что «микроскопом забивали гвозди»: тонкий теоретический инструмент, который позволял заглянуть в самые глубины мироздания, приблизить понимание нелокальных уровней реальности, использовался не по назначению. Я бы сказал, что в прошлом веке квантовая механика «тренировалась», отрабатывала и совершенствовала свои методы на плотной материи, «разминалась» перед прыжком в Тонкий мир. Причем уже в процессе этой своеобразной разминки ее результаты перекрыли все достижения классической физики вместе взятые.
Иногда можно услышать упрек, что квантовая механика все равно не в состоянии дать полное количественное описание какого-нибудь сложного атома или молекулы, поскольку это «неподъемная» задача даже для современных суперкомпьютеров[79]. Здесь опять проскальзывает полуклассический взгляд на квантовую механику как на вспомогательный инструмент для некоторых более тонких расчетов при решении обычной классической многочастичной задачи. Собственно, это упрек, адресованный самой классической физике, которая не может решить эквивалентную (такой же размерности) классическую задачу о системе взаимодействующих тел. Однако авторитет классической физики от этого вовсе не уменьшается.
Дело совсем не в том, может ли квантовая физика что-то посчитать, а в том, что в рамках этой теории удалось понять, изучить и описать огромное количество физических процессов и явлений, которые не могли быть объяснены с точки зрения классической физики, и это количественное описание позволило использовать их на практике. Я не сильно преувеличу, если скажу, что прогресс и все основные достижения прошлого века стали плодом квантовой теории. И теперь она начинает осваивать обширное и совершенно «непаханое» поле деятельности в описании принципиально новых физических процессов, которые вообще не имеют аналога в классической физике. По сути дела, речь идет о количественном описании тонких уровней реальности, выходящих за пределы материального мира, не существующих с классической точки зрения. И простые количественные модели, описывающие системы из нескольких кубитов и имеющие точные решения, способны дать понимание общих фундаментальных физических законов этих тонких (квантовых) уровней реальности — законов, которые справедливы уже для любых систем, больших и малых, в том числе и для всего Универсума.
Я не случайно подчеркиваю, что речь идет именно о количественном описании. Описание основных качественных особенностей этих тонких планов хорошо известно в религиозных и мистических учениях. Многие люди имеют и практический опыт в этой сфере. Но это всего лишь эмпирический, нижний уровень познания реальности, который основан на чувственном и духовном опыте. Я же пытаюсь сказать о возможностях более высокого теоретического уровня познания.
Думаю, многие представляют, в чем заключаются преимущества и достоинства количественного описания изучаемого явления или процесса по сравнению с качественным. По сути, только с появлением количественного описания любая сфера деятельности и начинает по-настоящему развиваться, а не топчется на месте, как это происходит с мистическими практиками, которые в течение столетий и тысячелетий используют один и тот же ограниченный набор методов и практик с незначительными вариациями. Да, пока квантовая теория делает лишь первые шаги в количественном описании тонких слоев реальности, но это дело времени…
Тот, кто занимается эзотерической практикой, часто смотрит на теорию свысока, хотя до настоящего времени не появилось еще ни одной количественной теории, объясняющей эти процессы. Были лишь теологические, философские и мистические рассуждения, которые теперь «переводятся» на современный сленг, и такие «переводы» иногда многозначительно именуются наукой. Практически все эзотерические «новоделы» сейчас пытаются прикрыться наукой (пусть даже такой, как психология), эксплуатируя высокий авторитет научного знания. Они позиционируют себя как некие «науки третьего тысячелетия», хотя ни в одной из них не идет речь о количественном описании квантово-информационных процессов.
