Предсказанията на квантовата механика понякога са трудни за свързване с идеи за класическия свят. Докато позицията и импулсът на класическа частица могат да се измерват едновременно, в квантовия случай можете да знаете само вероятността да намерите частица в едно или друго състояние. Освен това, квантовата теория гласи, че когато две системи са оплетени, измерването на състоянието на едната от тях моментално влияе на другата. През 2015 г. три групи физици постигнаха значителен напредък в разбирането на същността на квантовото заплитане и телепортация. Physics Today и Lenta.ru говорят за постиженията на учените.
Алберт Айнщайн не е съгласен с вероятностната интерпретация на квантовата механика. В тази връзка той каза, че „Бог не играе на зарове“(на което по-късно датският физик Нилс Бор отговори, че Айнщайн не решава какво да прави с Бог). Немският учен не прие несигурността, присъща на микровния свят, и счита класическия детерминизъм за правилен. Създателят на общата теория на относителността е вярвал, че при описване на микробния свят квантовата механика не взема предвид някои скрити променливи, без които самата квантова теория е непълна. Ученият предложи да се търсят скрити параметри при измерване на квантово състояние с класическо устройство: този процес включва промяна в първото от второто и Айнщайн смята за възможно да експериментира там, където няма такава промяна.
Оттогава учените се опитват да установят дали съществуват скрити променливи в квантовата механика или това е изобретението на Айнщайн. Проблемът със скритите променливи е формализиран през 1964 г. от британския теоретичен физик Джон Бел. Той предложи идеята за експеримент, при който наличието на всеки скрит параметър в системата може да се установи чрез провеждане на статистически анализ на поредица от специални експерименти. Експериментът беше такъв. Атом беше поставен във външно поле, като едновременно излъчваше двойка фотони, които се разпръснаха в противоположни посоки. Задачата на експериментаторите е да извършат множество измервания на посоката на завъртанията на фотона.
Това би позволило да се събират необходимите статистически данни и с помощта на неравенствата на Бел, които са математическо описание на наличието на скрити параметри в квантовата механика, да се провери гледната точка на Айнщайн. Основната трудност се състоеше в практическото изпълнение на експеримента, който по-късно физиците успяха да възпроизведат. Изследователите са показали, че най-вероятно няма скрити параметри в квантовата механика. Междувременно в теорията имаше две вратички (местоположение и откриване), които можеха да докажат, че Айнщайн е прав. Като цяло има повече вратички. Експериментите от 2015 г. ги затвориха и потвърдиха, че най-вероятно няма локален реализъм в микрокосмоса.
„Призрачно действие“между Боб и Алис
Изображение: JPL-Caltech / НАСА
Говорим за експериментите на три групи физици: от Техническия университет в Делфт в Холандия, от Националния институт за стандарти и технологии в САЩ и от университета във Виена в Австрия. Експериментите на учените не само потвърдиха пълнотата на квантовата механика и отсъствието на скрити параметри в нея, но и отвориха нови възможности на квантовата криптография - метод за криптиране на информацията (защита на нея) с помощта на квантово заплитане с помощта на квантови протоколи - и доведоха до създаването на все още нечупливи алгоритми за генериране случайни числа.
Промоционално видео:
Квантовото заплитане е явление, при което квантовите състояния на частиците (например спинът на електрон или поляризацията на фотон), разделени на разстояние един от друг, не могат да бъдат описани независимо. Процедурата за измерване на състоянието на една частица води до промяна в състоянието на друга. В типичен експеримент за квантово заплитане, разположени на разстояние един от друг взаимодействащи агенти - Алис и Боб, всеки притежава по една частица (фотони или електрони) от двойка сплетени. Измерването на частица от един от агентите, например, Алиса, корелира със състоянието на другия, въпреки че Алис и Боб не знаят предварително за манипулациите един на друг.
Това означава, че частиците по някакъв начин съхраняват информация една за друга и не я обменят, да речем, със светлинна скорост, използвайки някакво фундаментално взаимодействие, известно на науката. Алберт Айнщайн го нарече „призрачно действие на разстояние“. Заплетените частици нарушават принципа на локалност, според който състоянието на обект може да бъде повлияно само от непосредствената му среда. Това противоречие се свързва с парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен (ако се приеме споменатата по-горе непълнота на квантовата механика и наличието на скрити параметри) и представлява една от основните концептуални трудности (която обаче вече не се счита за парадокс) на квантовата механика (поне в нейната интерпретация в Копенхаген).
Схема на експеримента на холандските учени
Снимка: arXiv.org
Привържениците на местния реализъм твърдят, че само локалните променливи могат да засегнат частиците и корелацията между частиците на Алис и Боб се осъществява с помощта на някакъв скрит метод, който учените все още не знаят. Задачата на учените беше да опровергаят тази възможност експериментално, по-специално да предотвратят разпространението на скрит сигнал от един агент към друг (при условие, че той се движи със скоростта на светлината във вакуум - максимално възможното в природата) и по този начин да покажат, че е настъпила промяна в квантовото състояние на втората частица преди латентният сигнал от първата частица да стигне до втората.
На практика това означава да поставите Боб и Алис на значително разстояние една от друга (поне десетки метра). Това предотвратява разпространението на какъвто и да е сигнал за промяна в състоянието на една от частиците преди измерване на състоянието на другата (капана за местоположение). Междувременно несъвършенството на откриване на квантовото състояние на единичните частици (особено фотоните) оставя място за пробона (или откриване) на вратичка. За първи път физиците от Технологичния университет в Делфт успяха да избегнат две трудности наведнъж.
В експеримента използвахме чифт диамантени детектори със сигнален разделител между тях. Учените взеха чифт невплетени фотони и ги разпръснаха в различни пространства. Тогава всеки от електроните се оплита с двойка фотони, които след това се преместват в трето пространство. В хода на експериментите беше възможно да се наблюдава, че промяна в състоянието (спин) на един от електроните засяга другия. Само за 220 часа (над 18 дни) физиците са тествали неравенството на Бел 245 пъти. Наблюдаваните количества електрони бяха измерени с помощта на лазерни лъчи.
Експериментът успя да измери квантовите състояния на частици, разделени на разстояние около 1,3 километра, и да покаже валидността на неравенството на Бел (тоест валидността на квантовата теория и грешката на концепцията за местния реализъм). Резултатите от това проучване са публикувани в списание Nature. Предвижда се авторите му да имат Нобелова награда по физика.
Положение на детекторите в холандския експеримент
Снимка: arXiv.org
Екипи от САЩ и Австрия са експериментирали с фотони. Така учените от Националния институт за стандарти и технологии успяха да счупят рекорда за разстоянието на квантовата телепортация (предаване на квантовото състояние на система на разстояние) по оптичен кабел, провеждайки го на разстояние 102 километра. За целта учените използваха четири еднофотонни детектора, създадени в същия институт на базата на свръхпроводящи нанопроводници (охладени до минус 272 градуса по Целзий) от силициев молибден. Само един процент от фотоните изминаха разстояние от 102 километра. Предишният рекорд за разстоянието на квантовата телепортация над влакна е бил 25 километра (за сравнение: рекордът за разстоянието на квантовата телепортация по въздуха е 144 километра).
Австрийските учени използваха по-ефективни сензори от американските, но времевата резолюция в експериментите на физиците от САЩ е много по-висока. За разлика от холандските физици, чиято настройка регистрира около едно събитие на час, учени от САЩ и Австрия успяха да проведат повече от хиляда теста в секунда, което на практика изключва произволна корелация в експерименталните резултати.
В момента учените се опитват да подобрят ефективността на експериментите - те пренасят частици на все по-големи разстояния и увеличават честотата на измерване. За съжаление, удължаването на оптичния канал води до загуба на фракцията на откритите частици и отново актуализира опасността от вратичка за откриване. Учените от Националния институт за стандарти и технологии се опитват да се борят с това, като използват в експериментите квантов генератор на случайни числа. В този случай няма нужда да пренасяте фотони на дълги разстояния и създадената технология ще бъде полезна в квантовата криптография.
Андрей Борисов