Явление запутанности непосредственно следует из математического формализма квантовой механики. В соответствии с первым постулатом квантовой механики состояние квантовой частицы полностью описывается её волновой функцией. Однако в некоторых случаях квантовым частицам не удаётся приписать индивидуальные волновые функции, а только одну на всех. Такое состояние частиц названо запутанностью. Это состояние удалось получить на реальных частицах, например, в так называемых процессах параметрического распада, преобразования с понижением частоты (down conversion) на специальных кристаллах.
Физическое проявление запутанности в формализме квантовой механике получило собственное имя – нелокальность как антагонизм так называемому локальному реализму Эйнштейна, который не допускал пространственноподобной зависимости между запутанными частицами. Он предполагал, что экспериментально наблюдаемая связь между частицами на самом деле формируется в момент их запутывания и сохраняется до конца опыта. То есть, случайными состояния частиц формируются в момент их разделения. В дальнейшем они сохраняют полученные при запутывании состояния, и «хранятся» эти состояния в неких элементах физической реальности, описываемых «дополнительными параметрами», поскольку измерения над разнесенными системами не могут влиять друг на друга:
«Но одно предположение представляется мне бесспорным. Реальное положение вещей (состояние) системы S>2 не зависит от того, что проделывают с пространственно отделённой от неё системой S>1» [4, c.290].
«… так как во время измерения эти две системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций над первой системой, во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений» [5, с.608].
К истокам возникновения таких взглядов на квантовую механику можно по праву отнести парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс), которые считали, что квантовая механика неполна, поскольку обнаруженная сверхсветовая корреляция запутанных частиц допускает одновременное определение некоммутирующих параметров системы, запрещаемое формализмом теории. Именно эти предположения и получили в дальнейшем название локального реализма Эйнштейна:
«Насчет того, что понимать под нелокальностью в КМ, то в научной среде, я считаю, сложилось некоторое согласованное мнение на этот счет. Обычно под нелокальностью КМ понимают то обстоятельство, что КМ противоречит принципу локального реализма (его еще часто называют принципом локальности Эйнштейна). Принцип локального реализма утверждает, что если две системы A и B пространственно разделены, тогда при полном описании физической реальности, действия, выполненные над системой A, не должны изменять свойства системы B» [3].
Нелокальность, мгновенная корреляция между запутанными квантовыми частицами является одним из самых загадочных явлений физики. Буквально её сущность можно выразить фразой "связь есть, но её нет". Проявляется эта связь при передаче так называемой квантовой информации между запутанными парами квантовых частиц. При измерении состояния одной из частиц пары вторая частица мгновенно и на пространственноподобном расстоянии также переходит в собственное состояние, будто и над ней произведена операция измерения. При этом состояние второй частицы строго коррелировано с состоянием первой. Получается, что первая частица как бы передает второй частице некоторую информацию со сверхсветовой скоростью.
Собственно носитель этой информации зарегистрировать в настоящее время не удалось, поэтому передача информации посредством нелокальной связи считается невозможной. На роль носителя этой неуловимой квантовой информации может претендовать гипотетическая частица – тахион, также не обнаруженный ни в одном эксперименте.
Вместе с тем возникает некоторая взаимосвязь явлений: если происходит какое-то взаимодействие со сверхсветовой скоростью, которое обнаружено в реальном физическом эксперименте – квантовая телепортация, то мы обязаны признать, что существует и некий реально существующий физический, материальный носитель этой информации. Следовательно, должна существовать и возможность сверхсветовой передачи уже не только мистической квантовой информации, но и реальной, классической информации.
Как известно, явление квантовой телепортации обнаружено исключительно математическими средствами в рамках квантовой информатики. Уравнения любых допустимых унитарных преобразований квантовых систем, то есть, преобразований, не приводящих к переходу квантовых частиц в собственные состояния, не содержат параметра времени и расстояний. Это ведет к естественному предположению о мгновенной передаче состояний объектов связанной, единой квантовой системы друг другу, причем на любом расстоянии.
На основе аналитических уравнений была разработана установка для передачи состояния от одной частицы запутанной пары к другой. Передаваемое состояние является произвольным и может быть неизвестно передающей стороне. Но проблема не в этом: даже зная состояние передаваемой частицы, мы не можем мгновенно узнать состояние частицы, переданное удаленной стороне. Это возможно лишь с использованием дополнительной, классической информации. Иначе говоря, считается строго доказанным, что сверхсветовая передача классической информации посредством квантовой телепортации невозможна. Главным аналитическим критерием в этом вопросе стали так называемые неравенства Белла, утверждающие, что никакие вероятностные корреляции невозможны без сверхсветовой передачи информации.
