В 1995 году молодой физик Влатко Ведрал начал докторскую в Имперском колледже Лондона. Он хотел измерить особый тип связи между частицами в квантовых системах — запутанность, при которой частицы настолько связаны, что измерение свойств одной мгновенно сообщает о другой, даже если их разделяют огромные расстояния. Прошли годы, и Ведрал, ныне профессор Оксфорда, понял: запутанность не обязана существовать только между двумя или более отдельными квантовыми объектами. Один и тот же объект может быть запутан сам с собой — но в разные моменты времени.

Так родилась концепция «запутанности во времени», которую Ведрал ввёл и назвал в противовес привычной пространственной запутанности. Пространственная запутанность описывает, как квантовая информация распределяется между разными системами. Временная — как объект в один момент времени делится квантовой информацией с самим собой в более поздний момент. Идея звучит почти мистически, но у неё есть строгая математическая основа и, как выяснилось позже, неожиданные следствия для одной из главных проблем физики.

Чёрные дыры против квантовой механики

Лучшее описание гравитации даёт общая теория относительности Эйнштейна: гравитация — это рябь пространства-времени. Одно из самых известных её предсказаний — чёрные дыры, объекты настолько массивные и компактные, что их гравитация не выпускает ничего, что попало внутрь. Яблоко, груша или луч света — результат один: информация о происхождении и составе упавшего стирается.

Но стирание информации плохо согласуется с другой, не менее успешной теорией — квантовой физикой. Законы квантовой механики обратимы: информация не может исчезнуть бесследно. Всё, что произошло в одном направлении, в принципе можно обратить. Свет превращается в материю — фотоны рождают электрон и позитрон, — но электрон и позитрон могут аннигилировать и снова дать свет.

Это противоречие между квантовой физикой и общей теорией относительности часто называют главным препятствием на пути к их объединению. Как совместить теорию, где информация всегда сохраняется, с теорией, где она иногда теряется? Для объединения нужно, чтобы гравитация обрела квантовые черты — например, находилась в суперпозиции двух разных значений в одной точке. Но из-за потери информации чёрные дыры, похоже, не могут быть одновременно и квантовыми, и гравитационными объектами.

Парадокс Хокинга и моногамия запутанности

Стивен Хокинг, автор парадокса потери информации в чёрных дырах, приблизил нас к его разрешению. Он показал, что чёрные дыры не совсем чёрные: по законам квантовой механики они должны излучать, что в итоге приводит к их испарению. Значит, то, что упало в чёрную дыру, в конечном счёте можно восстановить после полного испарения — чёрные дыры демонстрируют квантовые свойства.

Но, как часто бывает в физике, решение одного парадокса порождает другой. По расчётам Хокинга, когда материя покидает чёрную дыру, между её внутренней частью и внешним пространством возникает запутанность. После испарения половины материи запутанность становится максимальной. Однако логика Хокинга требует, чтобы при дальнейшем испарении возникала ещё большая запутанность. И тут вступает правило, которое квантовая механика не позволяет нарушать: запутанность моногамна.

Моногамия запутанности — ключевое свойство квантовой информации. Если две вещи (например, внутренность и внешность чёрной дыры) максимально запутаны друг с другом, они не могут быть запутаны ещё с чем-то третьим. Получается, что, рассматривая чёрные дыры квантово-механически для решения парадокса потери информации, мы заставляем их нарушать моногамию запутанности.

Временная запутанность обходит правило

Именно здесь Ведрал, специалист по запутанности, подключился к проблеме. Он обнаружил ключевое свойство запутанности во времени: в отличие от пространственной, она не обязана быть моногамной. Это навело его на мысль, как разрешить нарушение моногамии в чёрных дырах — и, возможно, приблизиться к теории квантовой гравитации.

Чёрные дыры испаряются, создавая пары запутанных частиц: одна покидает дыру, другая падает внутрь. Для частицы внутри пространство и время меняются ролями. Внешняя частица неизбежно движется вперёд во времени, а внутренняя — вперёд в пространстве, к центру чёрной дыры; так диктуют уравнения Эйнштейна. Испарение чёрной дыры можно представить как преобразование пространственной запутанности во временную.

Проверить идею на настоящих чёрных дырах пока невозможно — технологии не позволяют. Поэтому Ведрал и его коллега Кьяра Марлетто предложили смоделировать процесс в лаборатории. Они обратились к Марко Дженовезе, эксперту по фотонам, который регулярно создаёт пары запутанных фотонов и проводит с ними различные операции. Учёные предложили создать пару запутанных фотонов, но один из фотонов измерить дважды во времени. Это эквивалентно наличию одной пространственно запутанной пары и одной временно запутанной пары.

Когда группа Дженовезе проверила оба типа запутанности, оказалось, что обе могут быть максимальными одновременно. Это подтвердило: временная запутанность не обязана подчиняться моногамии. А если частицы в лаборатории могут нарушать моногамию в пространстве и времени, то, возможно, то же самое происходит и в чёрных дырах.

Телепортация во времени?

Никто пока не знает, приведёт ли идея Ведрала к окончательному разрешению парадокса потери информации. Это возможность, но проверить её можно только на реальных чёрных дырах, до которых нам далеко. Однако есть и не менее интригующий вопрос. Когда две частицы запутаны в пространстве, между ними можно передавать информацию с помощью квантовой телепортации. Возможна ли квантовая телепортация с использованием временной запутанности? И, что ещё увлекательнее, позволит ли временная запутанность отправлять информацию из будущего в прошлое?

Ведрал не даёт ответа, но намекает: «Оставайтесь с нами». Если временная запутанность действительно работает так, как показывают лабораторные эксперименты, мы, возможно, стоим на пороге не просто объединения квантовой механики и гравитации, но и пересмотра самого понятия причинности. А пока физики продолжают спорить, одна вещь ясна: квантовый мир снова оказался страннее, чем мы думали.