Максим Шустин: «С точки зрения здравого смысла это, действительно, магия»

Словосочетание “квантовая запутанность” для большинства жителей планеты не означает ровным счётом ничего. Просто очередной непонятный термин. Впрочем, некоторое количество любителей фантастики и научно-популярной литературы об этом что-то слышали. И даже, наверное, отметили, что в этом году Нобелевскую премию по физике вручили учёным, работающим в области квантовой механики. Однако мало кто сегодня готов рассуждать об этом во всех смыслах передовом направлении познания мира…

Нашей редакции повезло. Красноярский краевой фонд науки помог организовать встречу с Максимом Шустиным — научным сотрудником Института физики имени Киренского. И мы смогли поговорить о самых невероятных загадках природы, некоторые из которых заставляют поверить в магию.

Неопределённый холодильник

— Прежде чем обсуждать квантовую механику, предлагаю поговорить о Нобелевской премии. В последние годы выбор номинантов в гуманитарных направлениях выглядит, мягко говоря, политизированным. Чего стоит только Грета Тунберг, которую выдвигали на премию мира. А как обстоят дела в номинациях, связанных с точными и естественными науками? Не вызывает вопросов вручение премии тем или иным учёным?

— Нет, у меня не вызывает. И тем более в этом году, когда Нобелевскую премию вручили учёным за эксперименты в области квантовой запутанности. Хотя непосредственно этой темой наш институт не занимается, мы к ней всё равно обращаемся. И, судя по тому, что я читал о лауреатах, об их работе, это действительно достойно признания. Они представили доказательство неравенства Белла. Провели сложные эксперименты, чтобы убедиться, что скрытых параметров нет и Эйнштейн был не прав. На околоземном спутнике создали связанные фотоны, а потом разнесли: один в Китай, а другой в Европу. Проверили, есть ли между ними связь, и подтвердили, что объективной физической реальности в микромире не существует...

Вполне возможно, эта работа определит развитие квантовой механики на ближайшее время. Допускаю, что будут даже переписываться учебники, чтобы поставить в основу эту квантовую запутанность. Потому что сейчас студенты её, можно сказать, проскакивают.

— А давайте расскажем попроще и в то же время поподробнее, в чём был неправ Эйнштейн и при чём тут связанные фотоны.

— Для начала предлагаю разобраться с тем, что же такое квантовая запутанность. Давайте представим квартиру, в которой есть комната и кухня. Мы в курсе, что там находится, как расставлена мебель, сколько окон и дверей. И на уровне кухни нам тоже всё известно: какие приборы там стоят, где расположен стол, где раковина. Ведь если мы знаем о системе всё, то мы знаем всё и о её частях. На это указывает наш здравый смысл. Но в квантовой механике мы идём несколько глубже, описывая мир на уровне атомов и субатомных частиц. Даже если мы знаем всё о системе, то, опускаясь до подсистемы, какой-то её части, мы теряем информацию.

Вернёмся в нашу воображаемую квартиру. Нам известно о кухне всё, но в то же время мы не можем доподлинно сказать, что содержится в холодильнике. То есть в холодильнике больше неопределённости, чем во всей квартире. Это выглядит странно, получается такая инверсия (переворачивание, замена “белого” “чёрным”. — Ред.). Так происходит как раз из-за необычных свойств квантового мира, в котором есть принципиальная неопределённость. А ещё, следуя квантовой аналогии, содержимое холодильника окажется связано, например, с духовкой или с мусорным ведром, и, даже если мы разнесём их по разным углам квартиры, эта связь никуда не денется. Такие неинтуитивные эффекты мы видим на квантовом уровне.

Заткнись и вычисляй?

— Насколько я понимаю, квантовая механика как особый раздел физики появилась не так давно.

— Да нет, она существует уже сто лет. Считается, что одним из первых, кто привнёс этот квантовый концепт, был Альберт Эйнштейн. До него свет считался волной, а он рассмотрел его как частицу. И оказалось, что такой подход может объяснить фотоэффект. А несколько позже уже Нильс Бор сделал аналогичное по смелости и революционности предположение о стационарных орбитах атомов.

— Но вы сказали, что Эйнштейн был не прав. В чём же ошибался признанный гений?

— Описывая квантовую механику, я уже отмечал, что в составных частях системы много неопределённостей. И мы не можем достоверно предсказать, с чем столкнёмся. Так вот, Эйнштейн был не согласен с таким подходом. Он считал, что всё вокруг подчинено конкретным физическим законам. А если в ходе эксперимента мы сталкиваемся с какими-то неожиданностями, не вписывающимися даже в рамки здравого смысла, то это лишь свидетельствует о нашей ограниченности. Мы просто ещё не всё изучили. Именно Эйнштейну принадлежит знаменитое выражение: “Бог не играет в кости”. То есть никаких случайностей быть не может: в самой природе есть некие параметры, которые мы пока просто не открыли. А потому не способны выявить закономерности.

— Звучит, честно говоря, довольно здраво. Сложно не согласиться с тем, что мы не всё знаем.

— Возможно. Но в этом метафизическом споре есть и другая позиция. Нильс Бор говорил, что никаких скрытых от нас параметров нет. “Не наше дело указывать Богу, как ему управлять миром” — так он ответил Эйнштейну. То есть, когда эксперимент показывает, что какое-то природное явление напоминает магию, надо это принять.

Были знаменитые дебаты между учёными о том, как устроена квантовая механика. Это известная история…

— Ну да, известная, только, к сожалению, в очень узких кругах!

— В этих спорах зародились очень многие идеи, над которыми и сегодня работают учёные. В том числе о квантовой запутанности: она возникает в тот момент, когда две или более частицы становятся связанными между собой. То, что происходит с одной из них, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.

Если упростить, можно представить себе следующее. Возьмём два шара: чёрный и белый, которые лежали в одной коробке. Увезём их в разные части света: один в Арктику, другой в Антарктиду. А потом допустим, что в коробке белый шар сам перекрасился: стал чёрным. И второй шар тут же сам поменяет цвет. Станет белым. На самом деле в реальном мире такое произойти не может. Но на квантовом уровне взаимодействовавшие частицы ведут себя именно так. Они непостижимым образом реагируют на изменения состояний друг друга.

— Да это же просто какая-то магия!

— Нет, это квантовая запутанность… Хотя с точки зрения здравого смысла это, действительно, магия. Но подтверждённая наукой. Парадокс, который описывал явление взаимосвязанности частиц, был создан ещё в 1935 году. Это настолько опередило своё время, что люди не поверили, что подобное может быть. Наверное, поэтому в квантовой механике возобладала концепция, которая грубо называлась “заткнись и вычисляй”. Мол, хватит спорить, есть описанные явления, есть текущие задачи, вот и решайте их. Но время шло, учёные привыкали к законам квантовой механики, и возник вопрос: можно ли проверить это? В 1960-е в игру вступило неравенство Джона Белла. Выведенное этим физиком соотношение предсказывало, что если оно нарушается, то скрытых параметров нет. А проверить неравенство Белла можно как раз с помощью запутанных состояний. И именно эксперимент нынешних нобелевских лауреатов подтвердил, что такая связь существует, а неравенство нарушается.

— А вы на чьей стороне в этом споре? На ваш взгляд, в чём дело: в той самой условной магии или в том, что мы не знаем всех законов природы?

— На мой взгляд, Эйнштейн был не прав. Уже есть миллионы экспериментов, которые показывают, что вот эта странная квантовая механика работает: в магнетизме, в иных сферах. Люди её в принципе начинают принимать. И даже применять.

Хлоп — и нет зайца

— Вот очень интересный вопрос: что может дать человечеству эта самая квантовая механика? Например, реально ли с её помощью осуществить мою давнюю мечту и создать ту же машинку для мгновенной телепортации?

— На самом деле есть такое понятие, как квантовая телепортация. Но это не то явление, которое показывают в фантастических фильмах: раз — и перенёсся целиком в любую точку пространства. Более того, в квантовой механике есть теорема невозможности клонирования какого-то произвольного состояния. Она это даже запрещает! Однако обмен какими-то параметрами через промежуточное состояние возможен, что уже сейчас применяется.

Так, запутанные состояния могут быть использованы в криптографии. Это простая идея. Нужно создать систему, все части которой связаны между собой на квантовом уровне. И если такой шифр попытаются взломать даже в бесконечно удалённом от нас месте, мы тут же получим сигнал. Потому что все остальные части моментально отреагируют.

Более того, в квантовой механике есть ещё такая вещь, как редукция. Она возникает в тот момент, когда мы проводим измерение или изучение сложного запутанного состояния. Система просто схлопывается во что-то более простое. Опять попробую привести аналогию: вот был взрослый заяц, а потом хлоп — и он уже эмбрион из нескольких клеток. И его потом обратно не воссоздать, нужно заново выращивать. При этом не факт, что он станет таким же, каким был изначально. То же самое с информацией, зашифрованной с помощью квантовой механики. Попытка взлома приведёт к схлопыванию. Это идеальная защита, которую используют в криптографии и шифровании.

— Слышала ещё о таком понятии, как квантовый компьютер. Что это такое? Поможет ли его создание решить проблему нехватки вычислительных мощностей для наших учёных?

— Надо сразу оговориться, что квантовые компьютеры создаются не для обычных вычислений и других задач, которые мы решаем с помощью уже привычных нам устройств. Они предназначены для моделирования квантовых систем. Думаю, вы уже понимаете, что мир на уровне атомов и субатомных частиц очень сильно отличается от нашего привычного окружения. Он работает немного по другим законам. Поэтому моделировать квантовые системы на обычном компьютере очень тяжело.

— То есть квантовый компьютер не применим, скажем так, в народном хозяйстве?

— Да почему? Он может использоваться и в обычной деятельности, причём не только в криптографии. Например, с его помощью мы получим возможность моделировать химические реакции под конкретные задачи, а это может стать настоящим прорывом в медицине и фармакологии. Впрочем, нельзя не признать, что есть в научных кругах определённый снобизм. Я его встречал по отношению к квантовым компьютерам. Некоторые не верят до сих пор, что они могут быть. Надеюсь, что они ошибаются.

Кадр из фильма

— Честно говоря, я о существовании квантового мира узнала из фантастического фильма, снятого по комиксам. Между нами, не самое умное произведение, однако идея путешествия между параллельными вселенными вышла довольно увлекательной…__

— На самом деле теория множественности вселенных вполне себе признана и не противоречит современным научным представлениям.

— Вот это да! И как она появилась?

— Эта идея была создана как раз в то время, когда споры о квантовой механике утихли и в науке царствовала парадигма “заткнись и вычисляй”. В пятидесятые годы аспирант Принстонского университета Хью Эверетт стал создавать концепции на основе запутанности. Ведь в условиях неопределённости может произойти то или иное событие, то есть делается выбор. Как раз в точке этого выбора вселенная раздваивается.

Это уже новый уровень: не природа случайна сама по себе, а просто у нас множество миров. Эверетта тогда ругали за то, что он создаёт многомировую интерпретацию квантовой механики в то время, когда все другие заняты вычислениями. Но он всё же предложил теорию, которую в итоге многие признали.

Однако нужно иметь в виду, что в квантовой механике все случайности происходят не так, как показывают в кино. Вселенная делится не на уровне поступков людей, а только когда мы опускаемся до микромира.

— И всё же, согласитесь, это здорово, что есть фильмы, рассказывающие о таких интересных вещах. Пусть и немного наивно, но они же заставляют нас интересоваться наукой, что-то читать, изучать!

— Да, согласен. Я вообще-то больше люблю научно-популярную литературу, по той же антропологии. Но фантастика мне тоже нравится.

— А если бы вас позвали консультировать съёмки фантастического фильма или мультфильма про законы квантового мира. Пошли бы?

— Я был бы не против. На мой взгляд, хорошая фантастика, да ещё и экранизированная, делает очень полезное дело. Получается такой круговорот: учёные создают какую-то концепцию; фантасты её развивают, усиливают, снимают хороший фильм; люди начинают интересоваться, идут в науку и создают ещё что-то новое.

К слову, многие известные фильмы были просто пророческими. Тот же “Терминатор”: сегодня у нас уже есть человекоподобные киборги. Или “Парк юрского периода”: люди уже научились клонировать живых существ, правда, пока не динозавров.

А, например, научно-фантастический фильм “Интерстеллар”, в котором космический корабль нырнул в чёрную дыру, создавался с участием астрофизика Кипа Торна. Он как раз моделировал эту космическую гравитационную аномалию. Кино сняли в 2014-м, а в 2017 году Торн стал лауреатом Нобелевской премии как раз за исследование по чёрным дырам. Так что можно сказать, что в основу визуального ряда картины легли научные исследования высочайшего уровня. Более того, Кип Торн использовал кадры из “Интерстеллара” в качестве иллюстрации к своей научной работе. И это уже совершенно новый опыт, но я считаю его вполне оправданным. Ведь бюджет фантастического блокбастера может составлять сотни миллионов долларов — астрономическая цифра для учёных-теоретиков. И то, что эти средства могут послужить на благо науки, — хороший результат.

ДОСЬЕ

Максим Сергеевич ШУСТИН

Дата рождения: 13 октября 1989 года.

Карьера: 2012 год — окончил физический факультет Сибирского федерального университета. Поступил на работу в лабораторию теоретической физики Института физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук.

2017 год — защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. Диссертация “Влияние эффектов кристаллического поля и фотоиндуцированных состояний на низкотемпературные свойства молекулярных магнетиков”.

2020 год — получил степень магистра Института математики и фундаментальной информатики СФУ.

Интересы: кино, большой теннис, квантовая механика.

Любимые режиссёры: Джеймс Кэмерон, Кристофер Нолан, Дэвид Финчер, Питер Джексон.

Любимая музыка: саундтреки из фильмов, французские и популярные песни.

Любимые книги: “Над пропастью во ржи” Дж. Д. Сэлинджера, “Горе от ума” А. С. Грибоедова, “Преступление и наказание” Ф. М. Достоевского.