Kvantmekanikens förutsägelser är ibland svåra att relatera till idéer om den klassiska världen. Medan position och momentum för en klassisk partikel kan mätas samtidigt, i kvantfallet, kan du bara veta sannolikheten för att hitta en partikel i ett eller annat tillstånd. Vidare säger kvantteorin att när två system är förvirrad, påverkar mätning av tillståndet för ett av dem omedelbart det andra. Under 2015 gjorde tre fysikgrupper betydande framsteg när det gäller att förstå arten av kvanttrassling och teleportering. Physics Today och Lenta.ru talar om forskarnas prestationer.
Albert Einstein höll inte med den sannolika tolkningen av kvantmekanik. Det var i detta sammanhang som han sa att "Gud spelar inte tärningar" (som den danska fysikern Niels Bohr senare svarade att det inte var för Einstein att bestämma vad han skulle göra med Gud). Den tyska forskaren accepterade inte osäkerheten i mikrovärlden och ansåg klassisk determinism vara korrekt. Skaparen av den allmänna relativitetsteorin trodde att kvantmekaniken vid beskrivningen av mikrotorn inte tar hänsyn till några dolda variabler, utan vilka själva kvantteorin är ofullständig. Forskaren föreslog att man letade efter dolda parametrar när man mäter ett kvanttillstånd med en klassisk anordning: den här processen innebär en förändring av den första av den andra, och Einstein ansåg det möjligt att experimentera där det inte finns någon sådan förändring.
Sedan dess har forskare försökt bestämma om dolda variabler finns i kvantmekanik eller om det var Einsteins uppfinning. Problemet med dolda variabler formaliserades 1964 av den brittiska teoretiska fysikern John Bell. Han föreslog idéen om ett experiment där närvaron av en dold parameter i systemet kan hittas genom att genomföra en statistisk analys av en serie specialexperiment. Experimentet var så här. En atom placerades i ett yttre fält, samtidigt som ett par fotoner sänds ut, som spriddes i motsatta riktningar. Experimenternas uppgift är att utföra flera mätningar av fotonsnurrens riktning.
Detta skulle göra det möjligt att samla in nödvändig statistik och med hjälp av Bells ojämlikheter, som är en matematisk beskrivning av närvaron av dolda parametrar i kvantmekanik, kontrollera Einsteins synvinkel. Huvudsvårigheten låg i det praktiska genomförandet av experimentet, som senare fysiker lyckades reproducera. Forskarna har visat att det troligtvis inte finns några dolda parametrar inom kvantmekanik. Under tiden fanns det två kryphål i teorin (plats och upptäckt) som kunde bevisa att Einstein var rätt. I allmänhet finns det fler kryphål. Experimenten från 2015 stängde dem och bekräftade att det troligtvis inte finns någon lokal realism i mikrokosmos.
"Spooky action" mellan Bob och Alice
Bild: JPL-Caltech / NASA
Vi pratar om experiment från tre grupper av fysiker: från Delft Technical University i Nederländerna, National Institute of Standards and Technology i USA och University of Wien i Österrike. Forskarnas experiment bekräftade inte bara kvantmekanikens fullständighet och frånvaron av dolda parametrar i den, utan öppnade också nya möjligheter för kvantkryptografi - en metod för att kryptera information (skydda den) med hjälp av kvanttrassling med hjälp av kvantprotokoll - och ledde till skapandet av okrossbara algoritmer för att generera slumpmässiga siffror.
Kampanjvideo:
Kvantförvirring är ett fenomen där kvanttillståndet av partiklar (till exempel, en elektrons snurr eller polariseringen av en foton), åtskilda med ett avstånd från varandra, inte kan beskrivas oberoende. Förfarandet för att mäta tillståndet för en partikel leder till en förändring i tillståndet för en annan. I ett typiskt experiment med kvantförvirring, fördelade interagerande medel - Alice och Bob - har var och en en partikel (fotoner eller elektroner) från ett par sammantrasslade. Mätning av en partikel av ett av medlen, till exempel Alice, korrelerar med tillståndet för den andra, även om Alice och Bob inte i förväg vet om varandras manipulationer.
Detta innebär att partiklarna på något sätt lagrar information om varandra och inte utbyter den, säger, med ljushastighet med hjälp av någon grundläggande interaktion som vetenskapen vet. Albert Einstein kallade det "spöklik handling på avstånd." Trassliga partiklar bryter med lokalitetsprincipen, enligt vilken ett objekts tillstånd bara kan påverkas av dess omedelbara miljö. Denna motsägelse är förknippad med Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen (vilket antyder ovannämnda ofullständighet i kvantmekanik och närvaron av dolda parametrar) och utgör en av de huvudsakliga konceptuella svårigheterna (som emellertid inte längre betraktas som en paradox) av kvantmekanik (åtminstone i Köpenhamns tolkning).
Schema för experimentet av de holländska forskarna
Foto: arXiv.org
Förespråkare för lokal realism hävdar att endast lokala variabler kan påverka partiklar, och korrelationen mellan Alice och Bobs partiklar utförs med någon dold metod som forskare fortfarande inte känner till. Forskarnas uppgift var att motbevisa denna möjlighet experimentellt, i synnerhet att förhindra spridning av en dold signal från en agent till en annan (förutsatt att den rör sig med ljusets hastighet i ett vakuum - maximalt möjligt i naturen), och därmed visa att en förändring i kvanttillståndet för den andra partikeln har inträffat innan den latenta signalen från den första partikeln kunde nå den andra.
I praktiken betyder detta att placera Bob och Alice på ett betydande avstånd från varandra (minst tiotals meter). Detta förhindrar spridning av någon signal om en förändring i tillståndet för en av partiklarna innan man mäter tillståndet för den andra (platsfällan). Under tiden lämnar bristfälle att detektera kvanttillståndet för enstaka partiklar (särskilt fotoner) utrymme för ett provtagning (eller detektering) kryphål. För första gången lyckades fysiker vid Delft tekniska universitet undvika två svårigheter samtidigt.
I experimentet använde vi ett par diamantdetektorer med en signalavskiljare mellan dem. Forskare tog ett par icke-intrasslade fotoner och sprider dem i olika utrymmen. Sedan var var och en av elektronerna förfiltrade med ett par fotoner, som sedan flyttades till tredje rummet. Under experimenten var det möjligt att observera att en förändring i tillståndet (centrifugering) för en av elektronerna påverkade den andra. På bara 220 timmar (över 18 dagar) har fysiker testat Bells ojämlikhet 245 gånger. De observerade mängderna elektroner mättes med laserstrålar.
Experimentet kunde mäta kvanttillståndet för partiklar separerade med ett avstånd på cirka 1,3 kilometer och att visa giltigheten av Bells ojämlikhet (det vill säga giltigheten av kvantteorin och falska begreppet lokal realism). Resultaten av denna studie publiceras i tidskriften Nature. Dess författare förutspås ha ett Nobelpris i fysik.
Detektorernas placering i det nederländska experimentet
Foto: arXiv.org
Lag från USA och Österrike har experimenterat med fotoner. Så forskare från National Institute of Standards and Technology kunde bryta rekordet för avståndet mellan kvantteleportering (överföring av ett kvanttillstånd i ett system över ett avstånd) över en fiberoptisk kabel, genomföra den på ett avstånd av 102 kilometer. För att göra detta använde forskarna fyra enkelfotondetektorer skapade vid samma institut på basis av superledande nanotrådar (kylda till minus 272 grader Celsius) från kiselhaltig molybden. Endast en procent av fotonerna reste ett avstånd på 102 kilometer. Den föregående posten för avståndet mellan kvanteteleportering över fiber var 25 kilometer (för jämförelse: rekordet för avståndet för kvanteteleportering över luften var 144 kilometer).
Österrikiska forskare använde mer effektiva sensorer än amerikanska, men den temporära upplösningen i experimenten från fysiker från USA är mycket högre. Till skillnad från de nederländska fysikerna, vars inställning registrerade ungefär en händelse per timme, kunde forskare från Förenta staterna och Österrike utföra mer än tusen test per sekund, vilket praktiskt taget eliminerar någon chanskorrelation i de experimentella resultaten.
Forskare försöker för närvarande förbättra experimentens effektivitet - de bär partiklar till allt större avstånd och ökar mätfrekvensen. Tyvärr leder en förlängning av den optiska kanalen till en förlust i fraktionen av detekterade partiklar och verkar återigen faran för ett detekteringsgrop. Forskare vid National Institute of Standards and Technology försöker bekämpa detta genom att använda en kvantitet för slumpmässigt antal i experiment. I det här fallet finns det inget behov av att transportera fotoner över långa avstånd, och den skapade tekniken kommer att vara användbar vid kvantkryptografi.
Andrey Borisov