Отличная квантовая механика - [30]

⟩} вызовет коллапс |Ψ⟩ на одно из случайно выбранных состояний 𝓝_i |𝑣_i⟩ ⊗ ⟨𝑣_i|Ψ⟩ с вероятностью

pr_A,i = ⟨Ψ|𝑣_i⟩ ⟨𝑣_i|Ψ⟩. (2.22)

Это можно переформулировать на языке проекционных операторов (разд. 1.8): измерение Алисы превращает состояние |Ψ⟩ в множество ненормированных состояний

а квадрат нормы каждого состояния в этом множестве есть вероятность соответствующего результата.

После локального измерения запутанное двусоставное состояние коллапсирует в разделимое состояние. Если Алиса разрушит в процессе измерения свою систему, то результирующее состояние 𝓝_i ⟨𝑣_i|Ψ⟩ будет локализовано у Боба.

Упражнение 2.36. Выполните упр. 2.30 c) с использованием частичных скалярных произведений.

Упражнение 2.37. Для каждого белловского состояния покажите, что локальное измерение Алисы в любом ортонормальном базисе выдаст тот или иной результат с вероятностью 1/2.

Упражнение 2.38§. Предположим, Алиса измеряет

в базисе круговой поляризации. На какое состояние проецируется фотон Боба для каждого из результатов Алисы?

Упражнение 2.39. Предположим, что Алиса и Боб располагают состоянием |Ψ^—⟩. Алиса хочет удаленно приготовить в локации Боба некоторую линейную суперпозицию α|H⟩ + β|V⟩, где α и β произвольны, но |α|² + |β|² = 1 (т. е. результирующее состояние нормировано). В каком базисе ей следует измерять? Какова вероятность успеха?

2.2.3. Локальные измерения и причинность

Вернемся теперь к нашему недавнему обсуждению того, противоречит ли эффект удаленного приготовления принципу причинности. Тот факт, что измерение Алисы влияет на состояние фотона Боба, сам по себе не содержит такого противоречия, ибо квантовое состояние — понятие вполне абстрактное. Вопрос, которым нам следует задаться, звучит так: изменятся ли физические свойства фотона Боба — т. е. его поведение при измерениях — после измерения Алисы?

Налицо искушение дать положительный ответ. И в самом деле, до измерения состояние Боба было частью полностью изотропного двусоставного состояния; после измерения это уже состояние с определенным углом поляризации — т. е. с кардинально другими физическими свойствами.

Однако при таком ответе упускается один важный момент. Локальное измерение Алисы не всегда приготавливает одно и то же состояние в локации Боба: иногда это |θ⟩, а иногда |π/2 + θ⟩. Чтобы узнать, какое именно возникло состояние, Бобу нужно принять от Алисы классическое сообщение о результате, полученном ею при измерении. До этого момента Боб знает лишь, что у него имеется одно из двух возможных состояний — и благодаря этой неопределенности измеряемые свойства фотона Боба остаются полностью идентичными тем, что были до измерения. Прежде чем доказать это утверждение строго, рассмотрим пример.

Упражнение 2.40. В условиях упр. 2.27 Боб измеряет поляризацию своего фотона в каноническом базисе после измерения Алисы. Какова вероятность каждого результата при условии, что Боб не знает результата измерения Алисы?

Ответ: pr_Боб,H = pr_Боб,V = 1/2 независимо от базиса, который использовала Алиса.

Упражнение 2.41. Алиса и Боб выполняют измерения на своих частях двусоставного состояния |Ψ⟩ в базисах {|𝑣_i⟩} и {|ω_j⟩} соответственно. Эти измерения могут проходить по трем альтернативным сценариям:

1. Алиса и Боб выполняют свои измерения одновременно, так что к проективному измерению состояния |Ψ⟩ в базисе {|𝑣_i⟩ ⊗ |ω_j⟩} применим оригинальный постулат об измерениях.

2. Алиса выполняет свое измерение первой, а затем Боб измеряет удаленно приготовленное состояние.

3. Боб выполняет свое измерение первым, а затем Алиса измеряет удаленно приготовленное состояние.

Покажите, что вероятность ситуации, в которой Алиса обнаружит |𝑣_i⟩, а Боб — |ω_j⟩, одинакова для каждого из этих сценариев: pr_ij = |⟨𝑣_iω_j | Ψ⟩|².

Упражнение 2.42. Проверьте утверждение из предыдущего упражнения на примере состояния |Ψ⟩ из упр. 2.30 и измерений, проведенных обеими сторонами в канонических базисах:

a) Найдите вероятности pr_HH, pr_HV, pr_VH и pr_VV для случая, когда Алиса и Боб производят свои измерения одновременно.

b) Считая, что Алиса производит свое измерение первой, найдите вероятности и удаленно приготовленные состояния фотона Боба для каждого из ее результатов. Затем предположите, что Боб измеряет каждое из этих удаленно приготовленных состояний и определите соответствующие вероятности. Используйте эту информацию, чтобы оценить pr_HH, pr_HV, pr_VH и pr_VV, и убедитесь, что они получились такими же, как в пункте a).

c) ^§ Повторите пункт b) для случая, когда Боб производит свое измерение первым.

Упражнение 2.43. Для каждого из сценариев упр. 2.41 покажите, что для Боба суммарная вероятность увидеть состояние |ω_j⟩ составляет ║⟨ω_j | Ψ⟩║².

Приведенные результаты означают, что без знания результата измерения Алисы физические свойства фотона Боба не меняются, так что Боб не может извлечь вообще никакой информации о действиях Алисы. Хотя мгновенное удаленное приготовление состояния предсказывается теорией и подтверждается экспериментом, оно не может быть использовано для сверхсветовой бесконтактной связи. Квантовая механика наводит нас на противоположную мысль, утверждая, что