Nie je to tak dávno, čo fyzici ukázali prvé výsledky misie QUESS a satelit Mozi vypustil na obežnú dráhu v rámci svojho rámca, čím poskytli rekordné oddelenie kvantovo zapletených fotónov vo vzdialenosti viac ako 1200 km. V budúcnosti to môže viesť k vytvoreniu kvantovej komunikačnej linky medzi Pekingom a Európou.
Celý svet je veľký a rôznorodý - tak rôznorodý, že zákony sa objavujú v niektorých mierkach, ktoré sú pre ostatných úplne nemysliteľné. Zákony politiky a Beatlemania žiadnym spôsobom nevyplývajú zo štruktúry atómu - ich opis si vyžaduje vlastné „vzorce“a ich vlastné princípy. Je ťažké si predstaviť, že jablko - makroskopický objekt, ktorého správanie sa zvyčajne dodržiava zákony newtonovskej mechaniky - vzalo a zmizlo, zlúčilo sa s iným jablkom a zmenilo sa na ananás. A predsa sa práve tieto paradoxné javy prejavujú na úrovni elementárnych častíc. Keď sa dozvieme, že toto jablko je červené, je nepravdepodobné, že zmeníme zelené ďalšie, ktoré sa nachádza niekde na obežnej dráhe. Medzitým presne takto funguje jav kvantového zapletenia a presne to ukázali čínski fyzici, s ktorými prácou sme začali konverzáciu. Skúsme to zistiťčo to je a ako môže pomôcť ľudstvu.
Bohr, Einstein a ďalší
Celý svet je miestny - inými slovami, aby sa nejaký vzdialený objekt zmenil, musí interagovať s iným objektom. Navyše žiadna interakcia sa nemôže šíriť rýchlejšie ako svetlo: to robí miestnu fyzickú realitu. Jablko nemôže Newtona udrieť na hlavu bez toho, aby ho fyzicky dosiahlo. Slnečná erupcia nemôže okamžite ovplyvniť činnosť satelitov: nabité častice budú musieť pokryť vzdialenosť od Zeme a interagovať s elektronikou a atmosférickými časticami. Ale v kvantovom svete je lokalita porušená.
Najslávnejšie z paradoxov sveta elementárnych častíc je Heisenbergov princíp neurčitosti, podľa ktorého nie je možné presne určiť hodnotu oboch „párových“charakteristík kvantového systému. Poloha v priestore (súradnica) alebo rýchlosť a smer pohybu (impulz), prúd alebo napätie, veľkosť elektrického alebo magnetického komponentu poľa - to všetko sú „komplementárne“parametre a čím presnejšie zmeráme jeden z nich, tým menej sa stane druhý.
Kedysi dávno to bol Einsteinov nepochopenie a jeho slávna skeptická námietka: „Boh nehrá kocky“. Zdá sa však, že hrá: všetky známe experimenty, nepriame a priame pozorovania a výpočty naznačujú, že zásada neistoty je dôsledkom základnej neurčitosti nášho sveta. A opäť sa dostávame k rozporu medzi mierkami a úrovňami reality: tam, kde existujú, je všetko celkom isté: ak uvoľníte prsty a pustíte jablko, spadne, priťahuje ho gravitácia Zeme. Ale na hlbšej úrovni jednoducho neexistujú žiadne príčiny a následky a existuje iba tanec pravdepodobností.
Propagačné video:
Paradox kvantového zapleteného stavu častíc spočíva v tom, že „úder do hlavy“môže nastať presne súčasne so separáciou jablka z vetvy. Zapletenie nie je lokálne a zmena objektu na jednom mieste okamžite - a bez akejkoľvek zjavnej interakcie - zmení iný objekt úplne na inom. Teoreticky môžeme jednu zo zamotaných častíc niesť aspoň na druhý koniec vesmíru, ale ak sa „dotkneme“jej partnera, ktorý zostal na Zemi, a druhá častica bude okamžite reagovať. Einsteinovi to nebolo ľahké uveriť a jeho argument s Nielsom Bohrom a jeho kolegami z „tábora“kvantovej mechaniky sa stal jedným z najzaujímavejších predmetov modernej histórie vedy. „Realita je istá,“ako by povedal Einstein a jeho priaznivci, „iba naše modely, rovnice a nástroje sú nedokonalé.“„Modely môžu byť čokoľvek,ale samotná realita na základni nášho sveta nebola nikdy úplne určená, “namietli prívrženci kvantovej mechaniky.
Proti jeho paradoxom formuloval Einstein v roku 1935 spolu s Borisom Podolským a Nathanom Rosenom vlastný paradox. „Dobre,“zdôvodnili, „povedzme, že nie je možné zistiť súradnicu a hybnosť častice súčasne. Čo ak však máme dve častice spoločného pôvodu, ktorých stavy sú rovnaké? Potom môžeme zmerať hybnosť jednej, ktorá nám nepriamo poskytne informácie o hybnosti druhej, a súradnicu druhej, ktorá poskytne znalosti o súradnici prvej. ““Takéto častice boli čisto špekulatívnou konštrukciou, myšlienkovým experimentom - možno preto Niels Bohr (alebo skôr jeho nasledovníci) dokázal nájsť slušnú odpoveď až o 30 rokov neskôr.
Možno prvý pozorovateľ kvantových mechanických paradoxov pozoroval Heinrich Hertz, ktorý si všimol, že ak sa elektródy zapaľovacej medzery osvetlia ultrafialovým svetlom, priechod iskry bol zreteľne ľahší. Experimenty Stoletova, Thomsona a ďalších veľkých fyzikov umožnili pochopiť, že k tomu dochádza v dôsledku skutočnosti, že hmota emituje elektróny pod vplyvom žiarenia. To sa však úplne líši od toho, čo naznačuje logika; Napríklad energia uvoľnených elektrónov nebude vyššia, ak zvýšime intenzitu žiarenia, ale zvýši sa, ak znížime jej frekvenciu. S narastajúcou frekvenciou sa dostávame na hranicu, za ktorou látka nevykazuje žiadny fotoefekt - táto hladina je odlišná pre rôzne látky.
Einstein dokázal vysvetliť tieto javy, za ktoré získal Nobelovu cenu. Sú spojené s kvantizáciou energie - so skutočnosťou, že ju možno prenášať iba určitými „mikročastiami“, quanta. Každý fotón žiarenia nesie určitú energiu, a ak je to dosť, potom elektrón atómu, ktorý ho absorboval, vyletie na slobodu. Energia fotónov je nepriamo úmerná vlnovej dĺžke a keď sa dosiahne hranica fotoelektrického efektu, už nestačí dodať elektrónu minimálnu energiu potrebnú na výstup. Dnes sa s týmto javom stretávame všade - vo forme solárnych panelov, ktorých fotobunky pracujú presne na základe tohto efektu.
Experimenty, interpretácie, mystika
V polovici 60. rokov sa John Bell začal zaujímať o problém nellokality v kvantovej mechanike. Dokázal ponúknuť matematický základ pre úplne uskutočniteľný experiment, ktorý by mal skončiť jedným z alternatívnych výsledkov. Prvý výsledok „fungoval“, ak je princíp lokality skutočne porušený, druhý - ak, koniec koncov, vždy to funguje a my musíme hľadať nejakú inú teóriu, ktorá by opísala svet častíc. Už začiatkom 70-tych rokov tieto experimenty vykonávali Stuart Friedman a John Clauser a potom Alain Aspan. Zjednodušene povedané, úlohou bolo vytvoriť páry zapletených fotónov a zmerať ich roztočenie, jeden po druhom. Štatistické pozorovania ukázali, že rotácie nie sú zadarmo, ale korelujú navzájom. Tieto experimenty sa odvtedy uskutočňujú takmer nepretržite,presnejšie a dokonalejšie - a výsledok je rovnaký.
Malo by sa dodať, že mechanizmus vysvetľujúci kvantové zapletenie je stále nejasný, existuje len jav - a rôzne vysvetlenia poskytujú ich vysvetlenia. Pri mnohorakej interpretácii kvantovej mechaniky sú teda zapletené častice iba projekciou možných stavov jednej častice v iných paralelných vesmíroch. Pri transakčnej interpretácii sú tieto častice spojené stojatými vlnami času. Pre „kvantovú mystiku“je jav spletenia ďalším dôvodom na to, aby sme paradoxný základ sveta považovali za spôsob, ako vysvetliť všetko nepochopiteľné, od samotných elementárnych častíc až po ľudské vedomie. Mystici rozumejú: ak o tom premýšľate, následky sú závraty.
Jednoduchý experiment Clausera-Friedmana naznačuje, že je možné narušiť lokalitu fyzického sveta na stupnici elementárnych častíc a samotný základ reality sa ukazuje - k Einsteinovej hrôze - nejasný a neurčitý. To neznamená, že interakcie alebo informácie sa môžu prenášať okamžite na úkor zauzlenia. Oddeľovanie zamotaných častíc v priestore prebieha normálnou rýchlosťou, výsledky merania sú náhodné a pokiaľ nemeriame jednu časticu, druhá nebude obsahovať žiadne informácie o budúcom výsledku. Z hľadiska príjemcu druhej častice je výsledok úplne náhodný. Prečo nás to všetko zaujíma?
Ako zamotať častice: Vezmite kryštál s nelineárnymi optickými vlastnosťami - to je ten, ktorého interakcia svetla s ktorou závisí od intenzity tohto svetla. Napríklad triborát lítny, beta boritan bárnatý, niobát draselný. Ožaruje ho laserom s vhodnou vlnovou dĺžkou a vysokoenergetické fotóny laserového žiarenia sa niekedy rozpadnú na páry zapletených fotónov s nižšou energiou (tento jav sa nazýva „spontánny parametrický rozptyl“) a polarizujú sa v kolmých rovinách. Zostáva len udržať neporušené častice a šíriť ich čo najďalej od seba.
Zdá sa, že sme jablko upustili, keď hovoríme o zásade neistoty? Nadvihnite ho a hodte ho proti stene - samozrejme, zlomí sa, pretože v makrokozme nefunguje ďalší kvantový mechanický paradox - tunelovanie. Počas tunelovania je častica schopná prekonať energetickú bariéru vyššiu ako jej vlastná energia. Analógia s jablkom a stenou je samozrejme veľmi približná, ale jasná: tunelovací efekt umožňuje fotónom preniknúť do odrazového média a elektróny - „nevšimnú“tenký film oxidu hlinitého, ktorý zakrýva drôty a je vlastne dielektrikum.
Naša každodenná logika a zákony klasickej fyziky nie sú príliš aplikovateľné na kvantové paradoxy, ale stále fungujú a sú široko využívané v technológiách. Zdá sa, že fyzici sa rozhodli (dočasne): aj keď ešte stále nevieme, ako to funguje, výhody z toho vyplývajú už dnes. Tunelizujúci efekt je základom fungovania niektorých moderných mikročipov - vo forme tunelovacích diód a tranzistorov, tunelových križovatiek atď. A samozrejme nesmieme zabudnúť na skenovacie tunelové mikroskopy, v ktorých tunelovanie častíc umožňuje pozorovanie jednotlivých molekúl a atómov - a dokonca aj manipuláciu nimi.
Komunikácia, teleportácia a satelit
V skutočnosti si predstavme, že máme „kvantovo zamotané“dve jablká: ak sa ukáže, že prvé jablko je červené, potom druhé je nevyhnutne zelené a naopak. Jeden môžeme poslať z Petrohradu do Moskvy, aby sme si udržali zmätený stav, ale zdá sa, že je to všetko. Až v Petrohrade sa jablko meria ako červené, druhé sa v Moskve zmení na zelené. Až do okamihu merania nie je možné predvídať stav jablka, pretože (všetky rovnaké paradoxy!) Nemajú najpresnejší stav. Aké je využitie tohto zapletenia? A tento zmysel sa našiel už v 2000-tych rokoch, keď Andrew Jordan a Alexander Korotkov, spoliehajúc sa na myšlienky sovietskych fyzikov, našli spôsob, ako zmerať „nie do konca“, a teda opraviť stavy častíc.
Použitím „slabých kvantových meraní“sa môžete pozrieť na jablko s polovičným okom, zachytiť letmý pohľad a pokúsiť sa uhádnuť jeho farbu. Môžete to urobiť znova a znova, v skutočnosti bez toho, aby ste sa na jablko správne pozreli, ale celkom s istotou určíte, že je napríklad červené, čo znamená, že jablko v Moskve, ktoré je s ním zmätené, bude zelené. To umožňuje, aby sa zamotané častice používali znova a znova a metódy navrhnuté asi pred 10 rokmi umožňujú, aby boli uskladnené tak, že budú prebiehať v kruhu na neurčito dlhú dobu. Zostáva niesť jednu z častíc preč a získať mimoriadne užitočný systém.
Úprimne povedané, zdá sa, že výhody zapletených častíc sú oveľa viac, ako sa bežne predpokladá, len naša skromná fantázia, obmedzená rovnakým makroskopickým meradlom reality, nám neumožňuje prísť so skutočnými aplikáciami. Existujúce návrhy sú však celkom fantastické. Teda na základe zapletených častíc je možné zorganizovať kanál pre kvantovú teleportáciu, úplné „čítanie“kvantového stavu jedného objektu a „zaznamenanie“do druhého, ako keby prvý bol jednoducho prenesený do príslušnej vzdialenosti. Vyhliadky na kvantovú kryptografiu sú realistickejšie, algoritmy, ktoré sľubujú takmer „nerozbitné“komunikačné kanály: akékoľvek zasahovanie do ich práce ovplyvní stav zapletených častíc a majiteľ ich okamžite zaznamená. Tu prichádza do hry čínsky experiment QESS (kvantové experimenty vo vesmírnej mierke).
Počítače a satelity
Problém je, že na Zemi je ťažké vytvoriť spoľahlivé spojenie pre zapletené častice, ktoré sú od seba vzdialené. Dokonca aj v najmodernejších optických vláknach, cez ktoré sa prenášajú fotóny, signál postupne mizne a požiadavky naň sú tu zvlášť vysoké. Čínski vedci dokonca spočítali, že ak vytvoríte zapletené fotóny a pošlete ich v dvoch smeroch s ramenami dlhými asi 600 km - polovica vzdialenosti od centra kvantovej vedy v Dalinghe do centier v Shenzhen a Lijiang - potom môžete očakávať, že zachytený spletený pár chytíte asi za 30 rokov. tisíc rokov. Vesmír je ďalšou záležitosťou, v ktorej v hlbokom vákuu lietajú fotóny takú vzdialenosť bez toho, aby narážali na prekážky. A potom sa na scénu dostane experimentálny satelit Mozi („Mo-Tzu“).
Na kozmickú loď bol nainštalovaný zdroj (laser a nelineárny kryštál), ktorý každú sekundu produkoval niekoľko miliónov párov zapletených fotónov. Z vzdialenosti 500 až 1700 km boli niektoré z týchto fotónov vyslané na pozemné observatórium v meste Deling v Tibete a druhé - v Shenzhen a Lijiang v južnej Číne. Ako sa dalo očakávať, k hlavnej strate častíc došlo v dolných vrstvách atmosféry, ale to je len asi 10 km cesty každého fotónového lúča. V dôsledku toho kanál spletených častíc pokrýval vzdialenosť od Tibetu na juh krajiny - asi 1200 km, av novembri tohto roku sa otvorila nová linka, ktorá spája provinciu Anhui na východe s centrálnou provinciou Hubei. Zatiaľ kanál nemá spoľahlivosť, ale už ide o technológiu.
V blízkej budúcnosti plánujú Číňania vypracovať vyspelejšie satelity na organizovanie takýchto kanálov a sľubujú, že čoskoro uvidíme fungujúce kvantové spojenie medzi Pekingom a Bruselom, v skutočnosti z jedného konca kontinentu na druhý. Ďalší „nemožný“paradox kvantovej mechaniky sľubuje ďalší technologický skok.
Sergey Vasiliev