1.3. Декогеренция
С понятием запутанного состояния неразрывно связано понятие декогеренции.
Декогеренция – процесс, при котором нарушается когерентность суперпозиционного состояния в результате взаимодействия системы с окружающей средой.
При этом уменьшается квантовая запутанность – распадается полное единство, и исчезает гармония, которая существовала в максимально запутанном состоянии. В результате подсистемы начинают обосабливаться, отделяться друг от друга, вплоть до полной независимости (сепарабельности). При этом происходит их локализация – у каждой подсистемы появляются отдельная, видимая форма и «плотное тело».
Особо подчеркну, что декогеренция – объективный физический процесс, а не просто теория. Именно он создает много сложностей при разработке квантового компьютера, поскольку нарушает когерентную согласованную работу кубитов, лишает устройство его «магических», сверхъестественных способностей. Вследствие декогеренции, вместо внутренней запутанности между кубитами, которой компьютер может управлять и которая полностью ему подвластна, возникает запутанность с окружением. Работать с ней квантовый компьютер не в состоянии.
Декогеренция играет отрицательную роль на стадии вычислений, поскольку «вытаскивает» кубиты из «потусторонней» реальности в наш предметный мир. Однако она все равно нужна нам, внешним пользователям, если мы хотим увидеть, «проявить» результат работы квантового компьютера.
Если же посмотреть на процесс декогеренции чуть шире, то можно сказать, что у системы появляются классические черты, соответствующие информации, «записанной» в окружении. Система запутывается с окружением в процессе взаимодействия с ним. В итоге из начального запутанного состояния своих составных частей (когда кубиты когерентны) она переходит в незапутанное смешанное состояние, «дробится» на независимые подсистемы (кубиты становятся независимыми друг от друга, превращаются в обычные биты, как в простом компьютере). Суперпозиция состояний внутри системы исчезает, по крайней мере, не затрагивая окружения, ее невозможно увидеть. Чтобы вновь задействовать запутанность, нужно выйти за пределы системы и охватить окружение.
Следствием декогеренции является то, что предсказания квантовой теории для макроскопических состояний невозможно отличить от предсказаний классической теории, если не контролировать все степени свободы. Если ограничиться только «проявленными» плотными телами, мы не найдем запутанности.
С практической точки зрения декогеренция полностью объясняет, как происходит процесс взаимодействия с окружением, и как в результате этого возникают привычные объекты окружающей реальности. Но все это справедливо лишь в том случае, если мы готовы ограничиться рассмотрением отдельных систем, например, когда при исследовании некой подсистемы пренебрегаем ее связями с внешним окружением. Однако если рассматривать замкнутую систему, то необходимо будет учитывать суперпозицию состояний.
Таким образом, в рамках теории декогеренции удалось получить результат, который имеет большое концептуальное значение. Дело в том, что до недавнего времени считался справедливым так называемый постулат редукции волновой функции[13], который объяснял однозначный вид окружающей реальности и предполагал, что все остальные альтернативные члены суперпозиции исчезают. Проще говоря, вопрос сводился к тому, существует ли одновременно множество потенциальных «картин» реальности и мы, в принципе, способны переключаться с одной на другую, или все они «схлопываются» в одну, мы видим ее, а увидеть другие никогда не сможем.
Теория декогеренции отвечает на этот вопрос и доказывает, что никакой редукции не происходит, а также объясняет, почему постулат редукции приводит к правильным предсказаниям[14].
Постулат редукции при этом не лишается смысла – меняется его статус. Редукция остается простым и изящным вычислительным приемом в том случае, если требуется рассчитать поведение системы, после того как произошло взаимодействие с окружением, и при этом «проявлен» один из возможных результатов этого взаимодействия. Другие потенциальные возможности никуда не исчезают и могут быть «проявлены» в любой момент.
Строго говоря, понятие редукции волновой функции (вектора состояния) вообще лишено смысла, поскольку для замкнутой системы по определению не существует окружения, которое может вступить с ней во взаимодействие. А если такое окружение все же есть, например, для открытой системы, то при взаимодействии ее уже нельзя описывать вектором состояния, а можно поставить в соответствие с ней лишь матрицу плотности[15]. Таким образом, при измерении (взаимодействии) более корректно говорить о редуцированной матрице плотности для открытой системы. Сейчас в статьях по квантовой физике о редукции волновой функции упоминается все реже и реже. Обычно процесс декогеренции рассматривают, когда замкнутая система в результате взаимодействия ее составляющих «дробится» на части изнутри, либо наоборот – когда одна подсистема запутывается с другими подсистемами, образуя новую замкнутую систему. Описание подсистем при этом осуществляется при помощи матриц плотности.
О декогеренции можно говорить как о «свертывании» исходного пространства состояний в пространство состояний меньшего размера, когда исходный вектор состояния, с точки зрения некоторой выделенной подсистемы, делится на две части – на свои собственные (внутренние) и внешние степени свободы. И затем по внешним степеням свободы осуществляется усреднение, редукция, то есть используется «огрубленное» описание.
Сейчас уже стало понятно, что необратимость появляется только из-за того, что мы огрубляем описание системы, исключая из нашего рассмотрения то окружение, с которым происходит взаимодействие. Отсюда следует, что необратимость не является обязательным следствием декогеренции.
Такая «редукция» обратима, и подсистема может снова перейти в пространство состояний большей размерности. При этом, правда, необходимо уметь управлять как минимум взаимодействиями с ближайшим окружением, в пределах которого осуществляется декогеренция, и вместе с которым она составляет квазизамкнутую систему в некотором более широком пространстве событий. Текущий вариант реальности при таком переходе не «схлопывается», а продолжает существовать для других подсистем, которые по-прежнему находятся в том же пространстве событий. Происходит переход лишь нашего выделенного объекта с одного уровня реальности на другой. Это не просто «альтернативные» варианты привычной для нас реальности, а именно другие уровни. Это другие пространства состояний со своей пространственно-временной метрикой. Это более тонкие «призрачные» миры с более высокой мерой квантовой запутанности, со своими «тонкими» объектами и своими взаимодействиями между ними. Это пространства состояний, которые в нашем мире соответствует квантовым ореолам, окружающим плотные тела. И эти тонкие объекты не могут восприниматься классическими приборами (в том числе нашими обычными органами восприятия) и не могут быть описаны классической физикой, хотя они и существуют рядом с нами, точнее, они «пронизывают» наш мир.
Примером двухсоставной замкнутой системы являются человек и окружающая его Вселенная. Такая система уже не является смесью и пребывает в суперпозиционном состоянии, то есть каждый из нас находится в запутанном состоянии со всем окружающим миром. В этом состоянии, наряду с классическими корреляциями (ответственными за формирование предметного мира), существуют квантовые корреляции (ответственные за «чудеса» в предметном мире), и возникает принципиальная, теоретически обоснованная возможность дистиллировать запутанность с помощью упомянутого выше процесса очищения (рекогеренции).