For ikke så lenge siden viste fysikere de første resultatene av QUESS-oppdraget og Mozi-satellitten som ble lansert i sin ramme, i bane, og ga en rekordadskillelse av kvantefiltrerte fotoner i en avstand på mer enn 1200 km. I fremtiden kan dette føre til at det opprettes en kvantekommunikasjonslinje mellom Beijing og Europa.
Verden rundt er stor og mangfoldig - så mangfoldig at lover vises på noen skalaer som er helt utenkelig for andre. Lovene om politikk og Beatlemania følger ikke fra atomets struktur på noen måte - beskrivelsen deres krever egne "formler" og egne prinsipper. Det er vanskelig å forestille seg at et eple - et makroskopisk objekt hvis oppførsel vanligvis følger lovene fra den newtonske mekanikken - tok og forsvant, fusjonerte med et annet eple og ble til en ananas. Og likevel er det nettopp slike paradoksale fenomener som manifesterer seg på nivå med elementære partikler. Etter å ha fått vite at dette eplet er rødt, er det lite sannsynlig at vi vil bli et annet grønt, som ligger et sted i bane. I mellomtiden er dette nøyaktig hvordan fenomenet kvanteforviklinger fungerer, og dette er nøyaktig hva de kinesiske fysikerne, med hvis arbeid vi startet vår samtale, har vist. La oss prøve å finne ut av dethva er det og hvordan kan det hjelpe menneskeheten.
Bohr, Einstein og andre
Verden rundt er lokal - med andre ord, for at et fjernt objekt kan endres, må det samhandle med et annet objekt. Dessuten kan ingen samhandling forplante seg raskere enn lys: dette gjør den fysiske virkeligheten lokal. Et eple kan ikke smelle Newton på hodet uten å nå det fysisk. En soloppblussing kan ikke umiddelbart påvirke driften av satellitter: ladede partikler må dekke avstanden til jorden og samhandle med elektronikk og atmosfæriske partikler. Men i kvanteverdenen blir lokalitet krenket.
Den mest berømte av paradoksene i verden av elementære partikler er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, ifølge hvilket det er umulig å nøyaktig bestemme verdien av begge "par" -egenskapene til et kvantesystem. Plassering i rom (koordinat) eller hastighet og bevegelsesretning (impuls), strøm eller spenning, størrelsen på den elektriske eller magnetiske komponenten i feltet - alle disse er "komplementære" parametere, og jo mer nøyaktig vi måler en av dem, desto mindre sikker blir den andre.
En gang i tid var det usikkerhetsprinsippet som forårsaket Einsteins misforståelse og hans berømte skeptiske innvending, "Gud spiller ikke terninger." Det ser imidlertid ut til å spille: alle kjente eksperimenter, indirekte og direkte observasjoner og beregninger indikerer at prinsippet om usikkerhet er en konsekvens av den grunnleggende ubestemmelsen i vår verden. Og igjen kommer vi til et avvik mellom skalaene og virkelighetsnivåene: der vi er, er alt ganske sikkert: hvis du løsner fingrene og slipper eplet, vil det falle, tiltrukket av jordens tyngdekraft. Men på et dypere nivå er det rett og slett ingen årsaker og virkninger, men det er bare en dans med sannsynligheter.
Salgsfremmende video:
Paradokset med den kvantefviklede tilstanden til partikler ligger i det faktum at "blåse mot hodet" kan skje nøyaktig samtidig med at separasjonen av eplet fra grenen. Forviklinger er ikke lokalt, og å endre et objekt på ett sted øyeblikkelig - og uten noen åpenbar samhandling - endrer et annet objekt helt på et annet. Teoretisk sett kan vi bære en av de sammenfiltrede partiklene i det minste til den andre enden av universet, men uansett, hvis vi "berører" partneren hans, som forble på jorden, og den andre partikkelen vil svare umiddelbart. Det var ikke lett for Einstein å tro dette, og hans argumentasjon med Niels Bohr og kolleger fra kvantemekanikkens "leir" ble et av de mest fascinerende fagene i den moderne vitenskapshistorien. "Virkeligheten er sikker," som Einstein og hans tilhengere vil si, "bare våre modeller, likninger og verktøy er ufullkomne." "Modeller kan være hva som helst,men selve virkeligheten ved basen av vår verden har aldri blitt fullstendig bestemt,”innvendte kvantemekanikkens tilhengere.
I 1935 formulerte Einstein, sammen med Boris Podolsky og Nathan Rosen, sitt eget paradoks. "Ok," resonnerte de, "la oss si at det er umulig å finne ut koordinaten og momentumet til en partikkel på samme tid. Men hva hvis vi har to partikler med felles opprinnelse, hvis tilstander er identiske? Da kan vi måle momentumet til den ene, som vil gi oss indirekte informasjon om momentumet til den andre, og koordinaten til den andre, som vil gi kunnskap om koordinaten til den første. " Slike partikler var en rent spekulativ konstruksjon, et tankeeksperiment - kanskje det var grunnen til at Niels Bohr (eller rettere sagt, hans tilhengere) klarte å finne et anstendig svar bare 30 år senere.
Kanskje ble det første spekteret av kvantemekaniske paradokser observert av Heinrich Hertz, som la merke til at hvis gnistgapselektrodene ble opplyst med ultrafiolett lys, var gnistens passasje merkbart lettere. Eksperimentene til Stoletov, Thomson og andre store fysikere gjorde det mulig å forstå at dette skjer på grunn av det faktum at materie avgir elektroner under påvirkning av stråling. Dette er imidlertid helt annerledes enn hva logikken antyder; for eksempel vil energien til de frigjorte elektronene ikke være høyere hvis vi øker strålingsintensiteten, men den vil øke hvis vi reduserer frekvensen. Ved å øke denne frekvensen kommer vi til grensen, utover hvilket stoffet ikke viser noen fotoeffekt - dette nivået er forskjellig for forskjellige stoffer.
Einstein var i stand til å forklare disse fenomenene, som han ble tildelt Nobelprisen for. De er forbundet med kvantiseringen av energi - med det faktum at den bare kan overføres av visse "mikro-porsjoner", quanta. Hvert foton av stråling har en viss energi, og hvis det er nok, vil elektronet til atomet som absorberte det fly ut til frihet. Energien til fotonene er omvendt proporsjonal med bølgelengden, og når grensen for den fotoelektriske effekten er nådd, er det ikke lenger nok til å gi elektronet den minimale energien som kreves for frigjøring. I dag møter dette fenomenet overalt - i form av solcellepaneler, hvis fotoceller fungerer nøyaktig på bakgrunn av denne effekten.
Eksperimenter, tolkninger, mystikk
På midten av 1960-tallet ble John Bell interessert i problemet med ikke-lokalitet i kvantemekanikk. Han var i stand til å tilby et matematisk grunnlag for et fullstendig gjennomførbart eksperiment, som skulle ende med et av de alternative resultatene. Det første resultatet "virket" hvis lokalitetsprinsippet virkelig brytes, det andre - hvis det tross alt alltid fungerer, og vi må se etter noen andre teorier for å beskrive partikkelenes verden. Allerede på begynnelsen av 1970-tallet ble slike eksperimenter utført av Stuart Friedman og John Clauser, og deretter av Alain Aspan. For å si det enkelt, oppgaven var å lage par sammenfiltrede fotoner og måle spinnene deres, en etter en. Statistiske observasjoner har vist at spinnene ikke er gratis, men korrelert med hverandre. Slike eksperimenter har blitt utført nesten kontinuerlig siden den gang,mer og mer presis og perfekt - og resultatet er det samme.
Det bør legges til at mekanismen som forklarer kvanteforviklinger fremdeles er uklar, det bare er et fenomen - og forskjellige tolkninger gir deres forklaringer. I tverrverdens tolkning av kvantemekanikk er forfiltrede partikler bare fremskrivninger av mulige tilstander for en enkelt partikkel i andre parallelle universer. I transaksjonsfortolkning er disse partiklene knyttet sammen av stående bølger av tid. For "kvante mystikker" er fenomenet sammenfiltring en grunn til å betrakte verdens paradoksale grunnlag som en måte å forklare alt uforståelig, fra selve elementære partikler til menneskelig bevissthet. Mystikere kan forstå: hvis du tenker på det, så er konsekvensene svimmel.
Det enkle eksperimentet fra Clauser-Friedman indikerer at lokaliteten til den fysiske verden på skalaen av elementære partikler kan krenkes, og selve virkelighetsgrunnlaget viser seg å være - til Einsteins skrekk - vagt og ubestemt. Dette betyr ikke at samhandling eller informasjon kan overføres øyeblikkelig på bekostning av sammenfiltring. Separasjonen av sammenfiltrede partikler i rommet fortsetter med normal hastighet, måleresultatene er tilfeldige, og inntil vi måler en partikkel, vil den andre ikke inneholde informasjon om fremtidig resultat. Fra mottakeren av den andre partikkelen er resultatet helt tilfeldig. Hvorfor interesserer alt dette oss?
Slik vikler man partikler: Ta en krystall med ikke-lineære optiske egenskaper - det vil si en hvis interaksjon av lys som avhenger av intensiteten til dette lyset. For eksempel litiumtriborat, barium beta-borat, kaliumniobat. Bestråle den med en laser med passende bølgelengde og høyeenergi-fotoner av laserstråling vil noen ganger forfalle til par sammenfiltrede fotoner med lavere energi (dette fenomenet kalles "spontan parametrisk spredning") og polarisert i vinkelrett plan. Det eneste som gjenstår er å holde de sammenfiltrede partiklene intakte og spre dem så langt fra hverandre som mulig.
Det ser ut til at vi droppet eplet mens vi snakket om prinsippet om usikkerhet? Løft den opp og kast den mot veggen - selvfølgelig vil den gå i stykker, for i makrokosmos fungerer ikke et annet kvantemekanisk paradoks - tunneling -. Under tunneling er en partikkel i stand til å overvinne en energisperring som er høyere enn sin egen energi. Analogien med et eple og en vegg er selvfølgelig veldig tilnærmet, men tydelig: tunneleringseffekten gjør at fotoner kan trenge inn i det reflekterende mediet, og elektroner - "ikke merke" den tynne filmen av aluminiumoksyd som dekker ledningene og faktisk er et dielektrikum.
Vår daglige logikk og lovene i klassisk fysikk er ikke veldig anvendelige for kvanteparadokser, men de fungerer fremdeles og er mye brukt i teknologi. Det ser ut til at fysikere har (midlertidig) bestemt seg: selv om vi ennå ikke helt vet hvordan det fungerer, kan fordelene hentes fra dette allerede i dag. Tunneleffekten ligger til grunn for driften av noen moderne mikrobrikker - i form av tunneldioder og transistorer, tunnelkryss, etc. Og vi må selvfølgelig ikke glemme å skanne tunnelmikroskop, der partikkel tunneling gir observasjon av individuelle molekyler og atomer - og til og med manipulering. ved dem.
Kommunikasjon, teleportering og satellitt
La oss virkelig forestille oss at vi har “kvantefanglet” to epler: hvis det første eplet viser seg å være rødt, er det andre nødvendigvis grønt, og omvendt. Vi kan sende en fra Petersburg til Moskva og beholde deres forvirrede tilstand, men det ser ut til å være alt. Bare når et eple måles som rødt i St. Petersburg, blir det andre grønt i Moskva. Inntil målingsøyeblikket er det ingen mulighet til å forutsi epleets tilstand, fordi (alle de samme paradokser!) De har ikke den mest bestemte tilstanden. Hva bruker denne sammenfiltringen? … Og sansen ble funnet allerede på 2000-tallet, da Andrew Jordan og Alexander Korotkov, avhengig av ideene fra sovjetiske fysikere, fant en måte å måle, som den var, "ikke til slutt", og derfor å fikse partiklene.
Ved hjelp av "svake kvantemålinger" kan du som sagt se på et eple med et halvt øye, få et glimt og prøve å gjette fargen. Du kan gjøre dette om og om igjen, faktisk uten å se på eplet ordentlig, men bestemme ganske trygt at det for eksempel er rødt, noe som betyr at et eple i Moskva som er forvirret med det vil være grønt. Dette gjør at sammenfiltrede partikler kan brukes om og om igjen, og metodene som ble foreslått for omtrent 10 år siden, lar dem lagres ved å løpe i en sirkel i ubestemt tid. Det gjenstår å føre en av partiklene bort - og få et ekstremt nyttig system.
Oppriktig sett ser det ut til at fordelene med sammenfiltrede partikler er mye mer enn det man trodde, bare vår magre fantasi, begrenset av den samme makroskopiske virkelighetsskalaen, lar oss ikke komme med reelle bruksområder for dem. Imidlertid er de allerede eksisterende forslagene ganske fantastiske. På grunnlag av sammenfiltrede partikler er det således mulig å organisere en kanal for kvanteteleportering, fullstendig "avlesning" av kvantetilstanden til ett objekt og "registrere" den til en annen, som om den første ganske enkelt ble transportert til passende avstand. Utsiktene til kvantekryptografi er mer realistiske, og algoritmene lover nesten "uknuselige" kommunikasjonskanaler: enhver forstyrrelse i deres arbeid vil påvirke tilstanden til sammenfiltrede partikler og vil umiddelbart bli lagt merke til av eieren. Det er her det kinesiske eksperimentet QESS (Quantum Experimental at Space Scale) spiller inn.
Datamaskiner og satellitter
Problemet er at det på Jorden er vanskelig å skape en pålitelig forbindelse for sammenfiltrede partikler som er langt fra hverandre. Selv i den mest avanserte optiske fiberen, gjennom hvilken fotoner blir sendt, blekner signalet gradvis, og kravene til det er spesielt høye her. Kinesiske forskere beregnet til og med at hvis du lager sammenfiltrede fotoner og sender dem i to retninger med skuldre som er omtrent 600 km lange - halve avstanden fra sentrum av kvantevitenskapen i Dalinghe til sentre i Shenzhen og Lijiang - så kan du forvente å fange det sammenfiltrede paret i omtrent 30 tusen år. Plass er en annen sak, i det dype vakuumet som fotoner flyr en slik avstand uten å møte noen hindringer. Og så kommer den eksperimentelle satellitten Mozi ("Mo-Tzu") inn i scenen.
Det ble installert en kilde (laser og ikke-lineær krystall) på romfartøyet, som hvert sekund produserte flere millioner par sammenfiltrede fotoner. Fra en avstand fra 500 til 1700 km ble noen av disse fotonene sendt til bakkeobservatoriet i Deling i Tibet, og det andre - i Shenzhen og Lijiang i Sør-Kina. Som forventet skjedde det største tapet av partikler i de nedre lag av atmosfæren, men dette er bare rundt 10 km fra banen til hver fotonstråle. Som et resultat dekket kanalen med sammenfiltrede partikler avstanden fra Tibet sør i landet - rundt 1200 km, og i november i år ble det åpnet en ny linje som forbinder Anhui-provinsen i øst med den sentrale provinsen Hubei. Så langt mangler kanalen pålitelighet, men dette er allerede et spørsmål om teknologi.
I nær fremtid planlegger kineserne å lansere mer avanserte satellitter for organisering av slike kanaler og lover at vi snart ser en fungerende kvanteforbindelse mellom Beijing og Brussel, fra den ene enden av kontinentet til den andre. Et annet "umulig" paradoks av kvantemekanikk lover et nytt sprang i teknologi.
Sergey Vasiliev
