Forutsigelsene om kvantemekanikk er noen ganger vanskelig å forholde seg til ideer om den klassiske verden. Mens posisjonen og momentumet til en klassisk partikkel kan måles samtidig, i kvantetilfelle, kan du bare vite sannsynligheten for å finne en partikkel i en eller annen tilstand. Videre sier kvanteteori at når to systemer er sammenfiltret, påvirker det å måle tilstanden til det ene av dem øyeblikkelig det andre. I 2015 gjorde tre fysikergrupper betydelig fremgang med å forstå arten av kvanteforviklinger og teleportering. Physics Today og Lenta.ru snakker om prestasjonene til forskere.
Albert Einstein var uenig i den sannsynlige tolkningen av kvantemekanikken. Det var i den forbindelse han sa at "Gud spiller ikke terninger" (som den danske fysikeren Niels Bohr senere svarte at det ikke var for Einstein å bestemme hva han skulle gjøre med Gud). Den tyske forskeren godtok ikke usikkerheten i mikroverdenen, og vurderte klassisk determinisme som riktig. Skaperen av den generelle relativitetsteorien trodde at når kvantemekanikken ikke beskriver noen skjulte variabler, uten hvilken kvanteteorien i seg selv er ufullstendig. Forskeren foreslo å lete etter skjulte parametere ved måling av en kvantetilstand med en klassisk enhet: denne prosessen innebærer en endring i den første av den andre, og Einstein vurderte det som mulig å eksperimentere der det ikke er noen slik endring.
Siden den gang har forskere prøvd å bestemme om skjulte variabler eksisterer i kvantemekanikken eller om det var Einsteins oppfinnelse. Problemet med skjulte variabler ble formalisert i 1964 av den britiske teoretiske fysikeren John Bell. Han foreslo ideen om et eksperiment der tilstedeværelsen av en skjult parameter i systemet kan bli funnet ut ved å utføre en statistisk analyse av en serie spesielle eksperimenter. Eksperimentet var som dette. Et atom ble plassert i et eksternt felt, samtidig som det sendte ut et par fotoner, som spredte seg i motsatte retninger. Eksperimentørens oppgave er å utføre flere målinger av retningen til fotonsnurrene.
Dette ville gjøre det mulig å samle inn nødvendig statistikk og ved å bruke Bells ulikheter, som er en matematisk beskrivelse av tilstedeværelsen av skjulte parametere i kvantemekanikk, sjekke Einsteins synspunkt. Den største vanskeligheten lå i den praktiske gjennomføringen av eksperimentet, som senere fysikere klarte å reprodusere. Forskerne har vist at det sannsynligvis ikke er noen skjulte parametere i kvantemekanikken. I mellomtiden var det to smutthull i teorien (lokalisering og deteksjon) som kunne bevise at Einstein hadde rett. Generelt er det flere smutthull. Eksperimentene fra 2015 lukket dem ned og bekreftet at det sannsynligvis ikke er noen lokal realisme i mikrokosmos.
"Spooky action" mellom Bob og Alice
Bilde: JPL-Caltech / NASA
Vi snakker om eksperimentene til tre fysikergrupper: fra Delft tekniske universitet i Nederland, National Institute of Standards and Technology i USA og University of Vienna i Østerrike. Forskernes eksperimenter bekreftet ikke bare fullstendigheten av kvantemekanikk og fraværet av skjulte parametere i den, men åpnet også nye muligheter for kvantekryptografi - en metode for å kryptere informasjon (beskytte den) ved bruk av kvantefangling, ved hjelp av kvanteprotokoller - og førte til at det ble laget uknuselige algoritmer for generering tilfeldige tall.
Salgsfremmende video:
Kvanteforvikling er et fenomen der kvantetilstanden for partikler (for eksempel spinnet til et elektron eller polariseringen av et foton), atskilt med en avstand fra hverandre, ikke kan beskrives uavhengig av hverandre. Prosedyren for å måle tilstanden til en partikkel fører til en endring i tilstanden til en annen. I et typisk eksperiment på kvanteforviklinger, med hverandre fordelt interaksjonsmiddel - Alice og Bob - har hver en partikkel (fotoner eller elektroner) fra et par sammenfiltrede. Måling av en partikkel av et av midlene, for eksempel Alice, korrelerer med tilstanden til den andre, selv om Alice og Bob ikke på forhånd vet om hverandres manipulasjoner.
Dette betyr at partiklene på en eller annen måte lagrer informasjon om hverandre, og ikke utveksler den, for eksempel, i lyshastighet ved bruk av noen grunnleggende samhandling kjent for vitenskapen. Albert Einstein kalte det "nifs handling på avstand." Innfiltrede partikler bryter lokalitetsprinsippet, hvorved tilstanden til en gjenstand bare kan påvirkes av dets nærmeste miljø. Denne motsetningen er assosiert med Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset (forutsatt ovennevnte ufullstendighet i kvantemekanikken og tilstedeværelsen av skjulte parametere) og utgjør en av de viktigste konseptuelle vanskeligheter (som imidlertid ikke lenger anses som et paradoks) av kvantemekanikken (i det minste i Københavns tolkning).
Skjema for eksperimentet til de nederlandske forskerne
Foto: arXiv.org
Talsmenn for lokal realisme hevder at bare lokale variabler kan påvirke partikler, og korrelasjonen mellom Alice og Bobs partikler blir utført ved hjelp av en skjult metode som forskere fremdeles ikke kjenner. Forskernes oppgave var å tilbakevise denne muligheten eksperimentelt, spesielt for å forhindre utbredelse av et skjult signal fra et middel til et annet (forutsatt at det beveger seg med lysets hastighet i et vakuum - maksimalt mulig i naturen), og dermed viser at en endring i kvantetilstanden til den andre partikkelen har skjedd før det latente signalet fra den første partikkelen kunne nå den andre.
I praksis betyr dette å plassere Bob og Alice i betydelig avstand fra hverandre (minst titalls meter). Dette forhindrer utbredelse av noe signal om en endring i tilstanden til en av partiklene før du måler tilstanden til den andre (lokasjonsfelle). I mellomtiden etterlater ufullkommenheten til å detektere kvantetilstanden til enkeltpartikler (spesielt fotoner) rom for en prøve (eller deteksjon) smutthull. For første gang klarte fysikere ved Delft teknologiske universitet å unngå to vanskeligheter på en gang.
I eksperimentet brukte vi et par diamantdetektorer med en signalavskiller mellom seg. Forskere tok et par ikke-sammenfiltrede fotoner og spredte dem i forskjellige rom. Deretter ble hver av elektronene sammenfiltret med et par fotoner, som deretter ble flyttet til tredje plass. I løpet av eksperimentene var det mulig å observere at en endring i tilstanden (spinnet) til en av elektronene påvirket den andre. På bare 220 timer (over 18 dager) har fysikere testet Bells ulikhet 245 ganger. De observerte mengder elektroner ble målt ved hjelp av laserstråler.
I eksperimentet var det mulig å måle kvantetilstandene til partikler atskilt med en avstand på omtrent 1,3 kilometer og å vise gyldigheten av Bells ulikhet (det vil si gyldigheten av kvanteteorien og feilen i begrepet lokal realisme). Resultatene fra denne studien er publisert i tidsskriftet Nature. Forfatterne antas å ha en nobelpris i fysikk.
Detektorenes plassering i det nederlandske eksperimentet
Foto: arXiv.org
Lag fra USA og Østerrike har eksperimentert med fotoner. Dermed klarte forskere fra National Institute of Standards and Technology å bryte rekorden for avstanden til kvanteteleportering (overføring av kvantetilstanden til et system over en avstand) over en fiberoptisk kabel, gjennomføre den i en avstand på 102 kilometer. For å gjøre dette brukte forskerne fire enkeltfoton-detektorer opprettet ved samme institutt på basis av superledende nanotråd (avkjølt til minus 272 grader celsius) fra kiselaktig molybden. Bare en prosent av fotonene reiste en avstand på 102 kilometer. Den forrige rekorden for avstanden til kvanteteleportering over fiber var 25 kilometer (til sammenligning: rekorden for avstanden for kvanteteleportering over luften var 144 kilometer).
Østerrikske forskere brukte mer effektive sensorer enn amerikanske, men den tidsmessige oppløsningen i eksperimentene til fysikere fra USA er mye høyere. I motsetning til de nederlandske fysikerne, hvis oppsett registrerte omtrent en hendelse i timen, klarte forskere fra USA og Østerrike å utføre mer enn tusen tester i sekundet, noe som praktisk talt utelukker enhver tilfeldig korrelasjon i de eksperimentelle resultatene.
Forskere prøver for tiden å forbedre effektiviteten til eksperimenter - de fører partikler til stadig større avstander og øker målefrekvensen. Dessverre fører forlengelse av den optiske kanalen til tap i brøkdelen av detekterte partikler og aktualiserer igjen faren for et deteksjonsmasse. Forskere ved National Institute of Standards and Technology prøver å bekjempe dette ved å bruke en generator for tilfeldig tall i eksperimenter. I dette tilfellet er det ikke nødvendig å frakte fotoner over lange avstander, og den opprettede teknologien vil være nyttig i kvantekryptografi.
Andrey Borisov
