Не толкова отдавна физиците показаха първите резултати от мисията QUESS и спътникът Mozi изстреля в орбита в рамките му, осигурявайки рекордно разделяне на квантово заплетени фотони на разстояние повече от 1200 км. В бъдеще това може да доведе до създаването на квантова комуникационна линия между Пекин и Европа.
Светът наоколо е голям и разнообразен - толкова разнообразен, че законите се появяват на някои мащаби, които са напълно немислими за други. Законите на политиката и Битлемания по никакъв начин не произтичат от структурата на атома - тяхното описание изисква свои собствени „формули“и собствени принципи. Трудно е да си представим, че ябълка - макроскопичен обект, чието поведение обикновено следва законите на Нютоновата механика - взе и изчезна, слее се с друга ябълка, превръщайки се в ананас. И все пак именно такива парадоксални явления се проявяват на нивото на елементарни частици. След като научихме, че тази ябълка е червена, малко вероятно е да станем зелени друга, разположена някъде в орбита. Междувременно точно така работи феноменът на квантовото заплитане и точно това демонстрират китайските физици, с чиято работа започнахме нашия разговор. Нека се опитаме да го разберемкакво е това и как може да помогне на човечеството.
Бор, Айнщайн и други
Светът наоколо е локален - с други думи, за да се промени някой далечен обект, той трябва да взаимодейства с друг обект. Освен това, никое взаимодействие не може да се разпространява по-бързо от светлината: това прави физическата реалност местна. Една ябълка не може да удари Нютон по главата, без да я достигне физически. Слънчевият отблясък не може незабавно да повлияе на работата на спътниците: заредените частици ще трябва да покрият разстоянието до Земята и да взаимодействат с електрониката и атмосферните частици. Но в квантовия свят местността е нарушена.
Най-известният от парадоксите на света на елементарните частици е принципът на несигурността на Хайзенберг, според който е невъзможно точно да се определи стойността и на двете „двойки“характеристики на квантова система. Позиция в пространството (координата) или скорост и посока на движение (импулс), ток или напрежение, величината на електрическия или магнитния компонент на полето - всичко това са „допълващи се“параметри и колкото по-точно измерваме един от тях, толкова по-малко сигурен ще стане вторият.
Имало едно време принципът на несигурността, който предизвика неразбирането на Айнщайн и известното му скептично възражение: „Бог не играе на зарове“. Изглежда обаче, че играе: всички известни експерименти, косвени и директни наблюдения и изчисления показват, че принципът на несигурност е следствие от фундаменталната неопределеност на нашия свят. И отново стигаме до разминаване между везните и нивата на реалността: там, където съществуваме, всичко е съвсем сигурно: ако откачите пръстите си и пуснете ябълката, тя ще падне, привлечена от гравитацията на Земята. Но на по-дълбоко ниво просто няма причини и последици, а има само танц на вероятностите.
Промоционално видео:
Парадоксът на квантовото заплетено състояние на частиците се състои в това, че „ударът в главата“може да се случи точно едновременно с отделянето на ябълката от клона. Заплитането не е локално и промяната на обект на едно място моментално - и без очевидно взаимодействие - променя друг обект изцяло в друг. Теоретично можем да пренесем една от заплетените частици поне до другия край на Вселената, но така или иначе, ако „докоснем“партньора му, който остана на Земята, и втората частица ще реагира мигновено. На Айнщайн не беше лесно да повярва в това и спорът му с Нилс Бор и колегите му от „лагера“на квантовата механика стана един от най-завладяващите теми в съвременната история на науката. „Реалността е сигурна“, както биха казали Айнщайн и неговите привърженици, „само нашите модели, уравнения и инструменти са несъвършени“. „Моделите могат да бъдат всякакви,но самата реалност в основата на нашия свят никога не е била напълно определена “, възразиха привържениците на квантовата механика.
Противопоставяйки се на парадоксите си, през 1935 г. Айнщайн, заедно с Борис Подолски и Нейтън Розен, формулира свой собствен парадокс. „Добре - разсъждаваха те,„ да кажем, че е невъзможно да се открият координатата и импулсът на една частица едновременно. Но какво ще стане, ако имаме две частици с общ произход, чиито състояния са идентични? Тогава можем да измерим импулса на единия, който косвено ще ни даде информация за импулса на другия, и координатата на другия, който ще даде знания за координатата на първия. Такива частици бяха чисто спекулативна конструкция, мисловен експеримент - може би затова Нилс Бор (или по-скоро неговите последователи) успя да намери достоен отговор едва 30 години по-късно.
Може би първият спектър на квантовите механични парадокси е наблюдаван от Хайнрих Херц, който забелязва, че ако електродите на искрата се осветят с ултравиолетова светлина, преминаването на искрата е забележимо по-лесно. Експериментите на Столетов, Томсън и други велики физици направиха възможно да се разбере, че това се случва поради факта, че под въздействието на радиация материята излъчва електрони. Това обаче е напълно различно от това, което предполага логиката; например енергията на освободените електрони няма да бъде по-висока, ако увеличим интензивността на лъчението, но ще се увеличи, ако намалим честотата му. Увеличавайки тази честота, стигаме до границата, отвъд която веществото не проявява никакво фотоефект - това ниво е различно за различните вещества.
Айнщайн успял да обясни тези явления, за което е удостоен с Нобелова награда. Те са свързани с квантоването на енергията - с факта, че тя може да бъде предадена само от определени „микро-части“, кванти. Всеки фотон на излъчване носи определена енергия и ако е достатъчен, тогава електронът на атома, който го е погълнал, ще излети на свобода. Енергията на фотоните е обратно пропорционална на дължината на вълната и когато се достигне границата на фотоефекта, вече не е достатъчно дори да се даде на електрона минималната енергия, необходима за освобождаването. Днес това явление се среща навсякъде - под формата на слънчеви панели, фотоклетките на които работят именно въз основа на този ефект.
Експерименти, интерпретации, мистика
В средата на 60-те години Джон Бел се интересува от проблема с нелокалността в квантовата механика. Той успя да предложи математическа основа за напълно осъществим експеримент, който трябва да завърши с един от алтернативните резултати. Първият резултат „проработи“, ако принципът на локалност наистина е нарушен, вторият - ако въпреки всичко винаги работи и трябва да търсим някаква друга теория, която да опише света на частиците. Още в началото на 70-те години подобни експерименти са извършени от Стюарт Фридман и Джон Клаузер, а след това и от Ален Аспан. По-просто казано, задачата беше да се създадат двойки оплетени фотони и да се измерват завъртанията им един по един. Статистическите наблюдения показват, че завъртанията не са безплатни, а са свързани помежду си. Подобни експерименти се провеждат почти непрекъснато оттогава,все по-прецизни и перфектни - и резултатът е един и същ.
Трябва да се добави, че механизмът, обясняващ квантовото заплитане, все още е неясен, има само явление - и различни интерпретации дават своите обяснения. По този начин, в много световната интерпретация на квантовата механика, заплетените частици са само проекции на възможните състояния на една частица в други паралелни вселени. При транзакционната интерпретация тези частици са свързани чрез стоящи вълни на времето. За „квантовите мистици“явлението заплитане е още една причина да разгледат парадоксалната основа на света като начин за обяснение на всичко неразбираемо - от самите елементарни частици до човешкото съзнание. Мистиците могат да разберат: ако мислите за това, последиците са замаяни.
Простият експеримент на Клаузер-Фридман показва, че локализацията на физическия свят в мащаба на елементарните частици може да бъде нарушена и самата основа на реалността се оказва - за ужас на Айнщайн - неясна и неопределена. Това не означава, че взаимодействието или информацията могат да бъдат предадени моментално, за сметка на заплитането. Разделянето на заплетени частици в пространството протича с нормална скорост, резултатите от измерванията са произволни и докато не измерим една частица, втората няма да съдържа информация за бъдещия резултат. От гледна точка на получателя на втората частица, резултатът е напълно случаен. Защо всичко това ни интересува?
Как да заплетете частици: Вземете кристал с нелинейни оптични свойства - тоест такъв, чието взаимодействие на светлината зависи с интензитета на тази светлина. Например литиев триборат, бариев бета борат, калиев ниобат. Излъчете го с лазер с подходяща дължина на вълната и високоенергийни фотони на лазерно излъчване, понякога ще се разпадне в двойки заплетени фотони с по-ниска енергия (това явление се нарича "спонтанно параметрично разсейване") и поляризира в перпендикулярни равнини. Остава само да запазите заплетените частици непокътнати и да ги разнесете колкото е възможно по-далече.
Изглежда, че сме зарязали ябълката, докато говорим за принципа на несигурност? Повдигнете го и го хвърлете към стената - разбира се, той ще се счупи, защото в макрокосмоса друг квантов механичен парадокс - тунелиране - не работи. По време на тунелиране една частица е в състояние да преодолее енергийна бариера, по-висока от собствената си енергия. Аналогията с ябълка и стена е, разбира се, много приблизителна, но ясна: тунелният ефект позволява на фотоните да проникнат в отразяващата среда, а електроните - „не забелязват“тънкия филм от алуминиев оксид, който покрива проводниците и всъщност е диелектрик.
Нашата ежедневна логика и законите на класическата физика не са много приложими за квантовите парадокси, но те все още работят и са широко използвани в технологиите. Изглежда физиците (временно) са решили: дори ако все още не знаем напълно как работи, ползите могат да се извлекат от това вече днес. Ефектът на тунелиране е в основата на работата на някои съвременни микрочипове - под формата на тунелни диоди и транзистори, тунелни кръстовища и т.н. И, разбира се, не трябва да забравяме за сканиращите тунелни микроскопи, в които тунелирането на частици осигурява наблюдение на отделни молекули и атоми - и дори манипулация от тях.
Комуникация, телепортация и сателит
Всъщност, нека си представим, че имаме „квантово заплетени“две ябълки: ако първата ябълка се окаже червена, втората е непременно зелена и обратно. Можем да изпратим такъв от Петербург до Москва, като запазим обърканото им състояние, но това изглежда е всичко. Само когато в Санкт Петербург ябълката се измерва като червена, втората ще стане зелена в Москва. До момента на измерване няма възможност да се предвиди състоянието на ябълката, защото (все същите парадокси!) Те нямат най-определеното състояние. Каква е ползата от това заплитане?.. И смисълът беше открит още през 2000-те години, когато Андрей Йордан и Александър Коротков, разчитайки на идеите на съветските физици, намериха начин да измерят, както би било, „не до края“, и следователно да оправят състоянията на частиците.
Използвайки „слаби квантови измервания“, можете да видите ябълка с половин око, като хванете поглед, опитвайки се да познаете нейния цвят. Можете да правите това отново и отново, всъщност, без да гледате правилно ябълката, но съвсем уверено да определите, че тя е например червена, което означава, че ябълка в Москва, която е объркана с нея, ще бъде зелена. Това позволява заплетените частици да се използват отново и отново, а предложените преди около 10 години методи позволяват да се съхраняват, като се движат в кръг за неопределено дълго време. Остава да носите една от частиците далеч - и да получите изключително полезна система.
Честно казано, изглежда, че ползите от заплетените частици са много повече, отколкото обикновено се смята, просто нашето малко въображение, ограничено от същия макроскопичен мащаб на реалността, не ни позволява да измислим реални приложения за тях. Вече съществуващите предложения обаче са доста фантастични. По този начин въз основа на заплетени частици е възможно да се организира канал за квантова телепортация, цялостно „четене“на квантовото състояние на един обект и „записването“в друг, сякаш първите са просто прехвърлени на подходящото разстояние. Перспективите на квантовата криптография са по-реалистични, алгоритмите на които обещават почти „нечупливи“комуникационни канали: всяка намеса в работата им ще се отрази на състоянието на заплетени частици и веднага ще бъде забелязана от собственика. Именно тук влиза в действие китайският експеримент QESS (квантови експерименти в космическа скала).
Компютри и сателити
Проблемът е, че на Земята е трудно да се създаде надеждна връзка за заплетени частици, които са далеч един от друг. Дори в най-модерното оптично влакно, чрез което се предават фотони, сигналът постепенно избледнява и изискванията за него са особено високи тук. Китайските учени дори са изчислили, че ако създадете заплетени фотони и ги изпратите в две посоки с рамене на около 600 км хиляда години. Космосът е друга материя, в дълбокия вакуум на който фотоните прелитат такова разстояние, без да срещат пречки. И тогава на сцената влиза експерименталният спътник Mozi ("Mo-Tzu").
На космическия кораб беше инсталиран източник (лазерен и нелинеен кристал), който всяка секунда произвеждаше няколко милиона двойки оплетени фотони. От разстояние от 500 до 1700 км, някои от тези фотони са изпратени в наземната обсерватория в Делинг в Тибет, а вторият - в Шенжен и Лицзян в Южен Китай. Както може да се очаква, основната загуба на частици е настъпила в долните слоеве на атмосферата, но това е само на около 10 км от пътя на всеки фотонен лъч. В резултат каналът на заплетени частици преодоля разстоянието от Тибет на юг на страната - около 1200 км, а през ноември тази година беше открита нова линия, която свързва провинция Анхуи на изток с централната провинция Хубей. Засега на канала липсва надеждност, но това вече е въпрос на технология.
В близко бъдеще китайците планират да пуснат по-модерни спътници за организиране на такива канали и обещават, че скоро ще видим функционираща квантова връзка между Пекин и Брюксел, всъщност от единия край на континента до другия. Друг „невъзможен“парадокс на квантовата механика обещава още един скок в технологиите.
Сергей Василиев