Гипотеза ER=EPR о квантовой запутанности¶

Гипотеза ER=EPR — это физическая гипотеза, предложенная в 2013 году аргентинским физиком Хуаном Мальдасеной и американским физиком Леонардом Сасскиндом, которая предполагает, что квантовая запутанность (парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, EPR) является фундаментально эквивалентной существованию кротовых нор (мостов Эйнштейна — Розена, ER). В рамках этой идеи две запутанные частицы рассматриваются как соединённые пространственно-временным туннелем, который делает их неразделимыми на квантовом уровне, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной.

¶Суть гипотезы

Гипотеза ER=EPR возникла как попытка разрешить противоречие между двумя фундаментальными теориями физики — общей теорией относительности и квантовой механикой. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени и допускает существование кротовых нор — гипотетических топологических туннелей, соединяющих удалённые области пространства. Квантовая механика, в свою очередь, описывает запутанность — корреляцию состояний частиц, которая сохраняется независимо от расстояния между ними.

Согласно гипотезе, эти два явления — не разные феномены, а одно и то же, рассматриваемое с разных точек зрения. Кротовая нора в классической гравитации и квантовая запутанность в квантовой теории — это два описания одной и той же физической реальности.

¶История возникновения

Идея о связи между запутанностью и геометрией пространства-времени обсуждалась физиками и ранее, однако в явном виде гипотеза была сформулирована в 2013 году. Поводом для её появления стало развитие голографического принципа — предположения о том, что вся информация, содержащаяся в объёме пространства, может быть закодирована на его границе. Мальдасена, известный своим вкладом в теорию струн и AdS/CFT-соответствие, и Сасскинд, один из создателей теории струн, опубликовали совместную работу, в которой связали запутанность с геометрической связью.

Первоначальная формулировка опиралась на свойства чёрных дыр. В частности, рассматривалась ситуация с двумя чёрными дырами, которые находятся в запутанном состоянии. Согласно гипотезе, такая пара дыр должна быть соединена кротовой норой, что объясняет их квантовую корреляцию.

¶Связь с парадоксом EPR

Название гипотезы отсылает к знаменитой статье Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена 1935 года, в которой был сформулирован парадокс квантовой запутанности. В той же работе Эйнштейн и Розен математически описали возможность существования мостов между областями пространства-времени — впоследствии названных кротовыми норами. Мальдасена и Сасскинд обратили внимание на то, что обе идеи — запутанность и кротовые норы — были опубликованы в одной статье 1935 года, и предположили, что это не случайное совпадение, а указание на их глубинную связь.

¶Значение для физики

Гипотеза ER=EPR имеет важные следствия для нескольких областей теоретической физики:

• Квантовая гравитация: гипотеза предлагает механизм, с помощью которого квантовые эффекты могут порождать геометрию пространства-времени. Если запутанность создаёт связность пространства, то сама структура Вселенной может быть результатом квантовой информации.
• Информационный парадокс чёрных дыр: гипотеза предлагает возможное решение вопроса о том, как информация сохраняется при испарении чёрных дыр. Запутанность между излучением и чёрной дырой может описываться как кротовая нора, связывающая их.
• Голографический принцип: гипотеза является конкретной реализацией идеи о том, что гравитация в объёме пространства эквивалентна квантовой теории поля на его границе.

¶Критика и ограничения

Несмотря на элегантность и привлекательность, гипотеза ER=EPR остаётся неподтверждённой и сталкивается с рядом трудностей. Во-первых, она не даёт конкретных экспериментальных предсказаний, которые можно было бы проверить в лабораторных условиях. Во-вторых, существуют теоретические возражения: в частности, неясно, как именно кротовая нора, соединяющая две частицы, должна выглядеть в масштабах элементарных частиц, и какие именно геометрические структуры соответствуют запутанности между ними. Кроме того, гипотеза не объясняет, почему запутанность, наблюдаемая в лаборатории, не сопровождается гравитационными эффектами, которые должны быть заметны при наличии кротовой норы.

Некоторые физики, включая самого Сасскинда, рассматривают гипотезу как рабочий инструмент для исследований, а не как окончательную теорию. Другие указывают на то, что гипотеза может быть верна лишь в определённых пределах — например, в контексте AdS/CFT-соответствия, но не в общем случае.

¶Современное состояние

По состоянию на 2020-е годы гипотеза ER=EPR остаётся активной областью исследований в теоретической физике. Она используется в работах по квантовой информации, теории чёрных дыр и голографической космологии. Экспериментальная проверка гипотезы в обозримом будущем не планируется, однако её математические следствия продолжают изучаться. В частности, исследуется связь между запутанностью и геометрией в рамках симуляций квантовой гравитации и в контексте так называемой «квантовой сложности» — меры того, насколько трудно воспроизвести состояние системы.

¶Источники

• Maldacena J., Susskind L. Cool horizons for entangled black holes // Fortschritte der Physik. — 2013. — Vol. 61, No. 9. — P. 781–811.
• Susskind L. ER=EPR, GHZ, and the consistency of quantum measurements // arXiv:1412.8483. — 2014.
• Harlow D. Jerusalem lectures on black holes and quantum information // Reviews of Modern Physics. — 2016. — Vol. 88, No. 1. — P. 015002.