Kvantu mehānikas prognozes dažreiz ir grūti saistīt ar idejām par klasisko pasauli. Kaut arī klasiskās daļiņas stāvokli un impulsu var izmērīt vienlaicīgi, kvantu gadījumā jūs varat zināt tikai varbūtību atrast daļiņu vienā vai otrā stāvoklī. Turklāt kvantu teorija apgalvo, ka, kad divas sistēmas ir sapinušās, vienas no tām stāvokļa noteikšana uzreiz ietekmē otru. 2015. gadā trīs fiziķu grupas guva ievērojamus panākumus, lai izprastu kvantu sapīšanās un teleportācijas būtību. Fizika šodien un Lenta.ru runā par zinātnieku sasniegumiem.
Alberts Einšteins nepiekrita kvantu mehānikas ticamības interpretācijai. Tieši šajā sakarā viņš teica, ka "Dievs nespēlē kauliņus" (uz kuru dāņu fiziķis Nīls Bohrs vēlāk atbildēja, ka Einšteinam nav jāizlemj, ko darīt ar Dievu). Vācu zinātnieks nepieņēma mikro pasaulei raksturīgo nenoteiktību un uzskatīja, ka klasiskais determinisms ir pareizs. Vispārējās relativitātes teorijas veidotājs uzskatīja, ka, aprakstot mikro pasauli, kvantu mehānika neņem vērā dažus slēptos mainīgos, bez kuriem pati kvantu teorija nav pilnīga. Mērot kvantu stāvokli ar klasisko ierīci, zinātnieks ieteica meklēt slēptos parametrus: šis process ietver izmaiņas pirmajā ar otro, un Einšteins uzskatīja par iespējamu eksperimentēt tur, kur šādu izmaiņu nav.
Kopš tā laika zinātnieki mēģina noteikt, vai kvantu mehānikā pastāv slēptie mainīgie, vai tas bija Einšteina izgudrojums. Slēpto mainīgo problēmu 1964. gadā formalizēja britu teorētiskais fiziķis Džons Bells. Viņš ierosināja eksperimenta ideju, kurā jebkura slēpta parametra klātbūtni sistēmā var uzzināt, veicot īpašu eksperimentu sērijas statistisko analīzi. Eksperiments bija šāds. Atoms tika ievietots ārējā laukā, vienlaikus izstarojot fotonu pāri, kas izkliedējās pretējos virzienos. Eksperimentu uzdevums ir veikt vairākus fotonu griešanās virziena mērījumus.
Tas ļautu savākt nepieciešamo statistiku un, izmantojot Bella nevienādības, kas ir slēptu parametru klātbūtnes matemātisks apraksts kvantu mehānikā, pārbaudītu Einšteina viedokli. Galvenās grūtības gulēja uz eksperimenta praktisko īstenošanu, kuru vēlāk fiziķiem izdevās atveidot. Pētnieki ir parādījuši, ka visticamāk kvantu mehānikā nav slēptu parametru. Pa to laiku teorijā bija divas nepilnības (atrašanās vieta un atklāšana), kas varētu pierādīt, ka Einšteinam bija taisnība. Kopumā ir vairāk nepilnību. 2015. gada eksperimenti tos slēdza un apstiprināja, ka, visticamāk, mikrokosmos nav vietējā reālisma.
"Spocīga darbība" starp Bobu un Alisi
Attēls: JPL-Caltech / NASA
Mēs runājam par triju fiziķu grupu eksperimentiem: no Delftas Tehniskās universitātes Nīderlandē, Nacionālā standartu un tehnoloģijas institūta ASV un Vīnes universitātes Austrijā. Zinātnieku eksperimenti ne tikai apstiprināja kvantu mehānikas pilnīgumu un tajā slēptu parametru neesamību, bet arī pavēra jaunas kvantu kriptogrāfijas iespējas - informācijas šifrēšanas (aizsargāšanas) metodi, izmantojot kvantu sapīšanos, izmantojot kvantu protokolus - un noveda pie nesalaužamu algoritmu izveides ģenerēšanai. izlases skaitļi.
Reklāmas video:
Kvantu sapīšanās ir parādība, kurā daļiņu kvantu stāvokļus (piemēram, elektronu griešanos vai fotona polarizāciju), kas atdalīti ar attālumu viens no otra, nevar aprakstīt atsevišķi. Procedūra vienas daļiņas stāvokļa mērīšanai noved pie citas stāvokļa maiņas. Tipiskā kvantu saķeres eksperimentā savstarpēji mijiedarbojošās vielas - Alise un Bobs - katra no tām ir pa vienai daļiņai (fotoniem vai elektroniem). Daļiņu mērīšana, ko veic viens no aģentiem, piemēram, Alise, korelē ar otra stāvokli, kaut arī Alise un Bobs iepriekš nezina par otra manipulācijām.
Tas nozīmē, ka daļiņas kaut kādā veidā glabā informāciju par otru un, piemēram, ar nelielu ātrumu, to neapmaina, izmantojot kādu zinātnei zināmu fundamentālu mijiedarbību. Alberts Einšteins to sauca par "spocīgu rīcību no attāluma". Sapinušās daļiņas pārkāpj lokalitātes principu, saskaņā ar kuru objekta stāvokli var ietekmēt tikai tā tiešā vide. Šī pretruna ir saistīta ar Einšteina-Podoļska-Roņa paradoksu (liek domāt par iepriekšminēto kvantu mehānikas nepilnīgumu un slēpto parametru klātbūtni) un ir viena no galvenajām kvantu mehānikas konceptuālajām grūtībām (kas tomēr vairs netiek uzskatīta par paradoksu) (vismaz tās Kopenhāgenas interpretācijā)).
Holandiešu zinātnieku eksperimenta shēma
Foto: arXiv.org
Vietējā reālisma piekritēji apgalvo, ka daļiņas var ietekmēt tikai vietējie mainīgie, un korelācija starp Alises un Boba daļiņām tiek veikta, izmantojot kādu slēptu metodi, kuru zinātnieki joprojām nezina. Zinātnieku uzdevums bija eksperimentāli atspēkot šo iespēju, it īpaši, lai novērstu slēptās signāla izplatīšanos no viena aģenta uz otru (pieņemot, ka tas pārvietojas ar gaismas ātrumu vakuumā - maksimāli iespējamo dabā), un tādējādi parādīt, ka ir notikušas izmaiņas otrās daļiņas kvantu stāvoklī. pirms latentais signāls no pirmās daļiņas varētu sasniegt otro.
Praksē tas nozīmē Boba un Alises novietošanu ievērojamā attālumā viens no otra (vismaz desmitiem metru). Tas novērš jebkādu signālu izplatīšanos par vienas daļiņas stāvokļa izmaiņām pirms otras daļiņas stāvokļa mērīšanas (atrašanās vietas slazds). Tikmēr nepilnīga atsevišķu daļiņu (īpaši fotonu) kvantu stāvokļa noteikšana atstāj vietu paraugu ņemšanas (vai noteikšanas) nepilnībām. Pirmoreiz Delftas Tehnoloģiju universitātes fiziķiem izdevās izvairīties no divām grūtībām vienlaikus.
Eksperimentā mēs izmantojām dimantu detektoru pāri ar signāla atdalītāju starp tiem. Zinātnieki paņēma pāri nesavienotiem fotoniem un izkliedēja tos dažādās telpās. Tad katru no elektroniem sapinu ar fotonu pāri, kas pēc tam tika pārvietoti uz trešo telpu. Eksperimentu laikā bija iespējams novērot, ka viena elektrona stāvokļa (griešanās) izmaiņas ietekmē otru. Tikai 220 stundu laikā (vairāk nekā 18 dienu laikā) fiziķi ir pārbaudījuši Bella nevienlīdzību 245 reizes. Novērotais elektronu daudzums tika mērīts, izmantojot lāzera starus.
Eksperiments spēja izmērīt daļiņu kvantu stāvokļus, kas bija atdalīti aptuveni 1,3 kilometru attālumā, un parādīja Bella nevienlīdzības pamatotību (tas ir, kvantu teorijas pamatotību un vietējā reālisma jēdziena maldīgumu). Šī pētījuma rezultāti tiek publicēti žurnālā Nature. Paredzams, ka tā autoriem tiks piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Detektoru atrašanās vieta Nīderlandes eksperimentā
Foto: arXiv.org
Komandas no ASV un Austrijas ir eksperimentējušas ar fotoniem. Tātad zinātnieki no Nacionālā standartu un tehnoloģijas institūta spēja sagraut rekordu par kvantu teleportācijas attālumu (sistēmas kvantu stāvokļa pārraidi no attāluma) pa optisko šķiedru kabeli, veicot to 102 kilometru attālumā. Lai to izdarītu, zinātnieki izmantoja četrus viena fotona detektorus, kas izveidoti tajā pašā institūtā, pamatojoties uz supravadošiem nanoviestiem (atdzesētiem līdz mīnus 272 grādiem pēc Celsija), kas izgatavoti no silīcija molibdēna. Tikai viens procents fotonu nogāja 102 kilometru attālumu. Iepriekšējais rekords par kvantu teleportācijas attālumu pa šķiedru bija 25 kilometri (salīdzinājumam: ieraksts par attālumu starp kvantu teleportāciju pa gaisu bija 144 kilometri).
Austrijas zinātnieki izmantoja efektīvākus sensorus nekā amerikāņu sensori, taču ASV fiziķu eksperimentos laika izšķirtspēja ir daudz augstāka. Atšķirībā no holandiešu fiziķiem, kuru uzstādījums reģistrēja apmēram vienu notikumu stundā, zinātnieki no Amerikas Savienotajām Valstīm un Austrijas varēja veikt vairāk nekā tūkstoš testu sekundē, kas praktiski novērš jebkādu iespēju korelāciju eksperimenta rezultātos.
Zinātnieki šobrīd cenšas uzlabot eksperimentu efektivitāti - tie pārvadā daļiņas arvien lielākā attālumā un palielina mērījumu biežumu. Diemžēl optiskā kanāla pagarināšana noved pie zaudēto daļiņu atklāšanas un atkal aktualizē atklāšanas nepilnības risku. Nacionālā standartu un tehnoloģijas institūta zinātnieki mēģina to apkarot, eksperimentos izmantojot kvantu nejaušo skaitļu ģeneratoru. Šajā gadījumā nav nepieciešams nēsāt fotonus lielos attālumos, un izveidotā tehnoloģija būs noderīga kvantu kriptogrāfijā.
Andrejs Borisovs