Квантовая реальность формирует ученого, а не наоборот

Во время выступления на подростковом рок-концерте, который должен был стать определяющим моментом в карьере, молодой гитарист выкрутил усилитель на полную мощность в надежде создать стену звука, которая закрепит его статус местной легенды. Вместо этого перегорел предохранитель. Последовавшая тишина не была многозначительной; это была та неловкая тишина, которая сопровождает технический сбой под светом софитов. Долгие годы этот музыкант — выросший в оксфордского физика Влатко Ведрала — задавался вопросом, не попал ли он просто в «неудачливую» версию Вселенной. В мире классической физики предохранитель либо сгорает, либо нет. В квантовом мире, как утверждает теперь Ведрал, история гораздо более многогранна.

Стандартный нарратив квантовой механики, который часто преподносят как ряд странных, но устоявшихся парадоксов, обычно ставит человека-наблюдателя в центр сцены. Нам говорят, что частицы существуют в туманном состоянии многих возможностей — суперпозиции — до тех пор, пока человек не посмотрит на них, после чего волновая функция «коллапсирует» в единственную, скучную реальность. Ведрал, профессор квантовой информатики в Оксфорде, принадлежит к растущей группе ученых, которые считают этот антропоцентрический взгляд не просто запутанным, но, вероятно, ошибочным. Его аргументация меняет сценарий: не человек обрушивает реальность, а реальность запутывает человека, разветвляя его на множественные версии, которые при определенных условиях все еще могут «шептаться» друг с другом сквозь пустоту мультивселенной.

Миф о привилегированном наблюдателе

«Эффект наблюдателя» долгое время был любимцем метафизиков и авторов эпохи Нью-Эйдж, утверждающих, что человеческое сознание творит мир. Для физика, опирающегося на строгую математику теории информации, это источник постоянного разочарования. Проблема стандартной копенгагенской интерпретации — идеи о том, что наблюдение вызывает коллапс — заключается в том, что в ней никогда не определяется, что такое «наблюдатель». Требуется ли для этого степень PhD? Мозг? Одноклеточная амеба? Кремниевый сенсор?

Это больше, чем просто философское предпочтение. Это сдвиг от восприятия наблюдателя как «контролера» событий к восприятию его как компонента в рамках более крупной детерминированной системы. В европейском исследовательском ландшафте, где программа Quantum Flagship вкладывает миллиарды в разработку квантовых сенсоров и часов, это различие имеет значение. Если мы предположим, что наблюдатель — это некая магическая внешняя сущность, мы упустим инженерную реальность: каждая часть квантового компьютера «наблюдает» за всеми остальными частями, что ведет к быстрой потере квантовой информации, известной как декогеренция. Борьба современной физики заключается не только в том, чтобы сделать объекты миниатюрными; она заключается в том, чтобы не дать им «видеть» остальную часть комнаты.

Сколько версий Боба нужно, чтобы увидеть фотон?

Чтобы подкрепить это физическими фактами, Ведрал использует пример человека по имени Боб. Когда фотон попадает на очки Боба, он существует в суперпозиции. Механическое взаимодействие между фотоном и молекулами стекла, а затем и нейронами сетчатки Боба создает цепь квантовой запутанности. Физики называют это «цепью фон Неймана». Состояние фотона теперь связано с состоянием глаза, которое связано с состоянием мозга.

Что особенно важно, Ведрал утверждает, что эта цепь не заканчивается на черепной коробке. Она распространяется на окружающую среду. Мы не чувствуем, что каждую секунду расщепляемся на множественные версии, из-за огромной сложности этих взаимодействий. Как только информация об этом фотоне просачивается в молекулы воздуха и половицы, разные версии «Боба» становятся настолько отличными друг от друга, что больше не могут взаимодействовать. Они теряют «когерентность».

Однако математическая суть аргумента Ведрала заключается в том, что эти ветви не полностью разобщены. В высококонтролируемой среде — той, которая больше похожа на растворяющий рефрижератор в лаборатории в Гархинге, чем на рок-концерт в Лондоне, — теоретически возможно, чтобы эти ветви интерферировали друг с другом. Это явление квантовой интерференции, при котором два пути частицы могут взаимно уничтожать или усиливать друг друга. Ведрал предполагает, что если это применимо к частицам, то в принципе должно быть применимо и к версиям «вас», которые с ними запутаны.

Эксперимент с Алисой и стирание памяти

Наиболее спорный аспект этой теории связан с возможностью обращения этих взаимодействий. Представьте себе второго наблюдателя, Алису, у которой есть способность манипулировать Бобом и фотоном, как если бы они были единой квантовой системой. Если Алиса сможет идеально обратить квантовую запутанность между Бобом и светом, она могла бы эффективно «отменить» наблюдение Боба. С точки зрения Боба, у него не осталось бы воспоминаний о событии, но базовая квантовая математика предполагает, что для успешного обращения должны были существовать обе возможные реальности.

По сути, это макроскопическая версия «Друга Вигнера» — мысленного эксперимента, который недавно был проверен в лабораторных условиях малого масштаба. Эксперименты в Эдинбургском университете и других местах показали, что два разных наблюдателя могут на самом деле разойтись во мнениях относительно «факта» того, произошло ли событие, и оба при этом могут быть математически правы. Это не просто сбой в коммуникации; это фундаментальная особенность квантового ландшафта.

С точки зрения промышленной политики именно здесь теоретические изыскания сталкиваются с практикой. Европейские инвестиции в квантовые коммуникации — такие как инициатива EuroQCI — опираются на принцип, согласно которому квантовая информация не может быть скопирована или считана без изменений. Если Ведрал прав и «наблюдение» — это лишь специфический вид квантовой запутанности, которым теоретически можно манипулировать или который можно обойти с помощью наблюдателей высшего порядка, то наши текущие представления об абсолютной безопасности квантовых сетей, возможно, однажды потребуют пересмотра. Если можно отменить наблюдателя, можно ли отменить безопасность?

Реальность неудачливой Вселенной

Скептицизм по отношению к модели «множественных я» Ведрала часто исходит от экспериментаторов. В коридорах Института Макса Планка или в «чистых комнатах» Bosch основное внимание уделяется снижению шума, а не размышлениям об интерференции альтернативных «я». Вселенная невероятно «комковата» и зашумлена. Вероятность того, что версия вас из «удачливой Вселенной», где усилитель не сгорел, на самом деле повлияет на ваше текущее физическое состояние, настолько ничтожна, что требует в разы больше нулей, чем количество атомов в видимой части мира.

Тем не менее, Ведрал настаивает, что игнорирование этих ветвей — логическая ошибка. То, что мы не можем легко измерить другие ветви, не означает, что они не являются частью функционального описания реальности. Он рассматривает Вселенную как гигантский компьютер — точка зрения, которую разделяет его оксфордский коллега Дэвид Дойч. В этом подходе, близком к «Теории конструкторов», физика — это не то, что происходит, а то, какие преобразования возможны и почему. Если существует ваша версия, в которой вы сделали другой выбор, эта возможность уже заложена в начальных условиях Вселенной.

Здесь существует внутреннее напряжение между британской школой теоретической физики, которая часто склоняется к этим обширным, всеобъемлющим интерпретациям реальности, и более прагматичным, инженерно-ориентированным подходом квантовых центров Рейн-Рурского региона. Пока Оксфорд размышляет, является ли мозг Боба квантовой волновой функцией, немецкие инженеры заняты тем, чтобы квантовый бит мог оставаться стабильным более чем несколько микросекунд при температуре четыре кельвина. И то, и другое необходимо, но они говорят на разных языках.

Анекдот Ведрала о рок-группе служит напоминанием о том, что наука часто начинается с личного чувства несправедливости — ощущения, что все должно было пойти иначе. Квантовая механика, в его изложении, — это единственный раздел науки, который действительно допускает существование этого «иначе». Она предполагает, что реальность — это не единственная тропа в лесу, а весь лес целиком, а мы просто слишком заняты разглядыванием собственных ног, чтобы увидеть другие версии нас самих, идущих среди деревьев.

В конечном счете идея о том, что другая версия вас формирует вашу реальность, остается недоказанной и, возможно, недоказуемой гипотезой. Она находится на грани того, что мы называем наукой, именно потому, что «другие версии» по определению недоступны. Однако по мере того, как мы приближаемся к созданию крупномасштабных квантовых систем, включающих миллионы запутанных частиц, мы можем обнаружить, что грань между «лабораторным экспериментом» и «версией реальности» начинает стираться. На данный момент предохранитель все еще перегорел. В Оксфорде есть теория, но остальной мир все еще ждет ту версию эксперимента, которая действительно сработает.