Predpovede kvantovej mechaniky je niekedy ťažké spojiť s predstavami o klasickom svete. Zatiaľ čo polohu a hybnosť klasickej častice je možné merať súčasne, v kvantovom prípade môžete poznať iba pravdepodobnosť nájdenia častice v jednom alebo druhom stave. Kvantová teória navyše uvádza, že keď sú dva systémy zamotané, meranie stavu jedného z nich má okamžitý vplyv na druhý. V roku 2015 dosiahli tri skupiny fyzikov výrazný pokrok v porozumení podstaty kvantového zapletenia a teleportácie. Physics Today a Lenta.ru hovoria o úspechoch vedcov.
Albert Einstein nesúhlasil s pravdepodobnostnou interpretáciou kvantovej mechaniky. V tejto súvislosti povedal, že „Boh nehrá kocky“(na čo dánsky fyzik Niels Bohr neskôr odpovedal, že nie je na Einsteinovi, aby rozhodol, čo robiť s Bohom). Nemecký vedec neakceptoval neistotu spojenú s mikrosvetom a klasický determinizmus považoval za správny. Tvorca všeobecnej teórie relativity veril, že pri popisovaní mikrosveta kvantová mechanika nezohľadňuje niektoré skryté premenné, bez ktorých nie je samotná kvantová teória neúplná. Vedec navrhol hľadať skryté parametre pri meraní kvantového stavu klasickým zariadením: tento proces zahŕňa zmenu v prvom po druhom a Einstein považoval za možné experimentovať tam, kde takáto zmena neexistuje.
Odvtedy sa vedci snažia zistiť, či v kvantovej mechanike existujú skryté premenné alebo či to bol Einsteinov vynález. Problém skrytých premenných formalizoval v roku 1964 britský teoretický fyzik John Bell. Navrhol myšlienku experimentu, pri ktorom je možné zistiť prítomnosť akéhokoľvek skrytého parametra v systéme pomocou štatistickej analýzy série špeciálnych experimentov. Experiment bol taký. Atóm bol umiestnený do vonkajšieho poľa a súčasne emitoval pár fotónov, ktoré boli rozptýlené v opačných smeroch. Úlohou experimentátorov je vykonávať viacnásobné merania smeru fotónových spinov.
To by umožnilo zozbierať potrebné štatistiky a pomocou Belliných nerovností, ktoré sú matematickým opisom prítomnosti skrytých parametrov v kvantovej mechanike, skontrolovať Einsteinov pohľad. Hlavné ťažkosti spočívali v praktickej realizácii experimentu, ktorý sa neskôr fyzikom podarilo reprodukovať. Vedci ukázali, že v kvantovej mechanike pravdepodobne nie sú žiadne skryté parametre. Medzitým boli teoreticky dve medzery (umiestnenie a detekcia), ktoré by mohli dokázať, že Einstein mal pravdu. Vo všeobecnosti existuje viac medzier. Experimenty z roku 2015 ich uzavreli a potvrdili, že v mikrokozme nie je pravdepodobný miestny realizmus.
"Strašidelná akcia" medzi Bobom a Alice
Obrázok: JPL-Caltech / NASA
Hovoríme o experimentoch troch skupín fyzikov: z Delftskej technickej univerzity v Holandsku, Národného inštitútu pre normy a technológie v USA a Viedenskej univerzity v Rakúsku. Experimenty vedcov nielen potvrdili úplnosť kvantovej mechaniky a absenciu skrytých parametrov v nej, ale tiež otvorili nové možnosti kvantovej kryptografie - metódu šifrovania informácií (ich ochranu) pomocou kvantového zapletenia, použitia kvantových protokolov - a viedli k vytvoreniu nerozbitných algoritmov na generovanie. náhodné čísla.
Propagačné video:
Kvantové zapletenie je jav, v ktorom kvantové stavy častíc (napríklad spin elektrónu alebo polarizácia fotónu), oddelené vzdialenosťou od seba, nemožno opísať samostatne. Postup merania stavu jednej častice vedie k zmene stavu druhej častice. V typickom experimente s kvantovým zapletením majú interagujúce látky, ktoré sú od seba vzdialené - Alice a Bob -, jednu časticu (fotóny alebo elektróny) z dvojice zapletených. Meranie častice jedným z agentov, napríklad Alice, koreluje so stavom druhého, hoci Alice a Bob nevedia vopred o svojich manipuláciách.
To znamená, že častice nejako ukladajú informácie o sebe a nevymieňajú si ich, povedzme, rýchlosťou svetla pomocou nejakej základnej interakcie známej vede. Albert Einstein to nazval „strašidelnou akciou na diaľku“. Zamotané častice porušujú princíp lokality, podľa ktorého stav objektu môže byť ovplyvnený iba jeho bezprostredným prostredím. Tento rozpor je spojený s paradoxom Einstein-Podolsky-Rosen (naznačujúci vyššie uvedenú neúplnosť kvantovej mechaniky a prítomnosť skrytých parametrov) a predstavuje jednu z hlavných koncepčných ťažkostí (ktorá sa už však už nepovažuje za paradox) kvantovej mechaniky (prinajmenšom v jej kodanskej interpretácii).).
Schéma experimentu holandských vedcov
Foto: arXiv.org
Navrhovatelia miestneho realizmu tvrdia, že iba lokálne premenné môžu ovplyvniť častice a korelácia medzi Alice a Bobovými časticami sa uskutočňuje pomocou nejakej skrytej metódy, ktorú vedci stále nepoznajú. Úlohou vedcov bolo experimentálne vyvrátiť túto možnosť, najmä zabrániť šíreniu skrytého signálu z jedného agenta na druhého (za predpokladu, že sa pohybuje rýchlosťou svetla vo vákuu - čo je maximum v prírode), a tak ukázať, že došlo k zmene kvantového stavu druhej častice. predtým, ako by latentný signál z prvej častice dosiahol druhú.
V praxi to znamená umiestniť Bob a Alice do značnej vzdialenosti od seba (najmenej desiatky metrov). To bráni šíreniu akéhokoľvek signálu o zmene stavu jednej z častíc pred zmeraním stavu druhej (zachytávač polohy). Medzitým nedokonalosť detekcie kvantového stavu jednotlivých častíc (najmä fotónov) ponecháva priestor na vzorkovanie (alebo detekciu) medzery. Fyzikom na Delft University University of Technology sa prvýkrát podarilo vyhnúť dvom problémom naraz.
V experimente sme použili pár diamantových detektorov so separátorom signálu medzi nimi. Vedci zobrali pár nezapletených fotónov a rozptýlili ich do rôznych priestorov. Potom bol každý z elektrónov zamotaný párom fotónov, ktoré boli potom presunuté do tretieho priestoru. V priebehu experimentov bolo možné pozorovať, že zmena stavu (rotácie) jedného z elektrónov ovplyvnila druhý. Len za 220 hodín (viac ako 18 dní) fyzici vyskúšali Bellovu nerovnosť 245 krát. Pozorované množstvá elektrónov boli merané pomocou laserových lúčov.
Experiment bol schopný zmerať kvantové stavy častíc oddelených vzdialenosťou asi 1,3 km a ukázať platnosť Bellinej nerovnosti (to znamená platnosť kvantovej teórie a klam konceptu miestneho realizmu). Výsledky tejto štúdie sú publikované v časopise Nature. Jeho autori majú predpovedať Nobelovu cenu za fyziku.
Poloha detektorov v holandskom experimente
Foto: arXiv.org
Tímy zo Spojených štátov a Rakúska experimentovali s fotónmi. Vedci z Národného inštitútu pre normy a technológie tak dokázali prelomiť rekord vzdialenosti kvantového teleportácie (prenos kvantového stavu systému na diaľku) cez kábel s optickými vláknami a vykonať ho vo vzdialenosti 102 kilometrov. Vedci na tento účel použili štyri jednofotónové detektory vytvorené v tom istom inštitúte na základe supravodivých nanočastíc (ochladených na mínus 272 stupňov Celzia) vyrobených z kremičitého molybdénu. Iba jedno percento fotónov ubehlo vzdialenosť 102 kilometrov. Predchádzajúci záznam pre vzdialenosť kvantovej teleportácie cez vlákno bol 25 kilometrov (pre porovnanie: záznam pre vzdialenosť kvantovej teleportácie cez vzduch bol 144 km).
Rakúski vedci používali účinnejšie senzory ako americké, ale časové rozlíšenie v pokusoch fyzikov z USA je oveľa vyššie. Na rozdiel od holandských fyzikov, ktorých nastavenie zaznamenalo približne jednu udalosť za hodinu, vedci zo Spojených štátov a Rakúska dokázali vykonať viac ako tisíc testov za sekundu, čo prakticky vylučuje akúkoľvek pravdepodobnú koreláciu experimentálnych výsledkov.
Vedci sa v súčasnosti snažia zlepšiť účinnosť experimentov - prenášajú častice na väčšie vzdialenosti a zvyšujú frekvenciu merania. Predĺženie optického kanála bohužiaľ vedie k strate frakcie detegovaných častíc a opäť sa stáva skutočnosťou nebezpečenstvo detekčnej medzery. Vedci z Národného inštitútu pre normy a technológie sa snažia bojovať proti tomu pomocou experimentu s kvantovým generátorom náhodných čísel. V tomto prípade nie je potrebné prenášať fotóny na veľké vzdialenosti a vytvorená technológia bude užitočná v kvantovej kryptografii.
Andrey Borisov