För inte så länge sedan visade fysiker de första resultaten av QUESS-uppdraget och Mozi-satelliten lanserades i omloppsbana inom dess ram, vilket tillhandahöll en rekordavskiljning av kvanttrasslade fotoner på ett avstånd av mer än 1200 km. I framtiden kan detta leda till skapandet av en kvantkommunikationslinje mellan Peking och Europa.
Världen runt är stor och mångfaldig - så mångfaldig att lagar visas på vissa skalor som är helt otänkbara för andra. Lagarna i politik och Beatlemania följer inte på atomens struktur på något sätt - deras beskrivning kräver sina egna "formler" och sina egna principer. Det är svårt att föreställa sig att ett äpple - ett makroskopiskt objekt vars beteende vanligtvis följer lagarna i Newtonian mekanik - tog och försvann, slogs samman med ett annat äpple och förvandlades till en ananas. Och ändå är det just sådana paradoxala fenomen som manifesterar sig på nivån av elementära partiklar. Efter att ha lärt oss att detta äpple är rött, är det osannolikt att vi blir gröna till ett annat, som ligger någonstans i omloppsbana. Under tiden är detta exakt hur fenomenet kvantförvirring fungerar, och det är exakt vad de kinesiska fysikerna, med vars arbete vi började vår konversation, har visat. Låt oss försöka ta reda på detvad är det och hur kan det hjälpa mänskligheten.
Bohr, Einstein och andra
Världen runt är lokal - med andra ord, för att ett avlägset objekt ska förändras, måste det interagera med ett annat objekt. Dessutom kan ingen interaktion sprida sig snabbare än ljus: detta gör den fysiska verkligheten lokal. Ett äpple kan inte smälla Newton på huvudet utan att fysiskt nå det. En solfällning kan inte direkt påverka satelliternas funktion: laddade partiklar måste täcka avståndet till jorden och interagera med elektronik och atmosfäriska partiklar. Men i kvantvärlden kränks lokaliteten.
Den mest berömda av paradoxerna i världen av elementära partiklar är Heisenbergs osäkerhetsprincip, enligt vilken det är omöjligt att exakt bestämma värdet av båda "par" -egenskaperna i ett kvantsystem. Placera i rymden (koordinat) eller hastighet och rörelseriktning (impuls), ström eller spänning, storleken på fältets elektriska eller magnetiska komponent - alla dessa är "komplementära" parametrar, och ju mer exakt vi mäter en av dem, desto mindre säker kommer den andra att bli.
En gång i tiden var det osäkerhetsprincipen som orsakade Einsteins missförstånd och hans berömda skeptiska invändning, "Gud spelar inte tärningar." Men det verkar spela: alla kända experiment, indirekta och direkta observationer och beräkningar indikerar att principen om osäkerhet är en följd av vår världs grundläggande bestämning. Och återigen kommer vi till en skillnad mellan skalorna och verklighetsnivåerna: där vi existerar är allt ganska säkert: om du rensar fingrarna och släpper äpplet kommer det att falla, lockat av jordens allvar. Men på en djupare nivå finns det helt enkelt inga orsaker och effekter, men det finns bara en sannolikhetsdans.
Kampanjvideo:
Paradoxen med det kvanttrasslade partikeltillståndet ligger i det faktum att "slaget mot huvudet" kan inträffa exakt samtidigt som äpplet separeras från grenen. Förvirring är inte lokalt och omedelbart ändra ett objekt på ett ställe - och utan någon uppenbar interaktion - ändrar ett annat objekt helt på ett annat. Teoretiskt sett kan vi bära en av de intrasslade partiklarna åtminstone till den andra änden av universum, men hur som helst, om vi "berör" dess partner, som förblev på jorden, och den andra partikeln kommer att reagera direkt. Det var inte lätt för Einstein att tro detta, och hans argument med Niels Bohr och kollegor från kvantmekanikens”läger” blev ett av de mest fascinerande ämnen i vetenskapens moderna historia. "Verkligheten är säker," som Einstein och hans anhängare skulle säga, "bara våra modeller, ekvationer och verktyg är ofullkomliga." "Modeller kan vara vad som helst,men verkligheten i grunden för vår värld har aldrig fastställts fullständigt,”inventerade kvantmekanikens anhängare.
Motstånd mot dess paradoxer formulerade Einstein 1935, tillsammans med Boris Podolsky och Nathan Rosen, sin egen paradox.”Okej”, resonerade de,”låt oss säga att det är omöjligt att ta reda på koordinaten och drivkraften för en partikel på samma gång. Men tänk om vi har två partiklar av gemensamt ursprung, vars tillstånd är identiska? Då kan vi mäta drivkraften hos den ena, som indirekt kommer att ge oss information om den andra, och den andra, som kommer att ge kunskap om den första koordinaten. Sådana partiklar var en rent spekulativ konstruktion, ett tankeexperiment - kanske det var därför Niels Bohr (eller snarare, hans följare) lyckades hitta ett anständigt svar först 30 år senare.
Kanske det första spektret av kvantmekaniska paradoxer observerades av Heinrich Hertz, som märkte att om gnistgapselektroderna upplystes med ultraviolett ljus, var gnistens passage märkbart lättare. Experimenten från Stoletov, Thomson och andra stora fysiker gjorde det möjligt att förstå att detta händer på grund av det faktum att ämne, under påverkan av strålning, avger elektroner. Detta är dock helt annorlunda än vad logiken antyder; till exempel kommer energin från de frigjorda elektronerna inte att vara högre om vi ökar strålningsintensiteten, men den kommer att öka om vi minskar frekvensen. Genom att öka denna frekvens kommer vi till gränsen, utöver vilket ämnet inte uppvisar någon fotoeffekt - denna nivå är olika för olika ämnen.
Einstein kunde förklara dessa fenomen, för vilka han tilldelades Nobelpriset. De är kopplade till kvantiseringen av energi - med det faktum att den bara kan överföras av vissa "mikropartier", quanta. Varje foton av strålning bär en viss energi, och om det är tillräckligt kommer elektronen från atomen som absorberade den att flyga ut till friheten. Fotonens energi är omvänt proportionell mot våglängden, och när gränsen för den fotoelektriska effekten uppnås är det inte längre tillräckligt för att tilldela elektronen den minsta energi som krävs för frigöringen. Idag stöter detta fenomen överallt - i form av solpaneler, vars fotoceller fungerar exakt på grundval av denna effekt.
Experiment, tolkningar, mystik
I mitten av 1960-talet blev John Bell intresserad av problemet med icke-lokalitet i kvantmekanik. Han kunde erbjuda en matematisk grund för ett fullständigt genomförbart experiment, som borde sluta med ett av de alternativa resultaten. Det första resultatet "fungerade" om lokalitetsprincipen verkligen bryts, det andra - om det trots allt alltid fungerar och vi måste leta efter någon annan teori för att beskriva partiklarnas värld. Redan i början av 1970-talet utfördes sådana experiment av Stuart Friedman och John Clauser och sedan av Alain Aspan. För att uttrycka det enkelt var uppgiften att skapa par intrasslade fotoner och mäta deras snurr, en efter en. Statistiska observationer har visat att snurrarna inte är fria utan korrelerade med varandra. Sådana experiment har genomförts nästan kontinuerligt sedan dess,mer och mer exakt och perfekt - och resultatet är detsamma.
Det bör tilläggas att mekanismen som förklarar kvantförvirring fortfarande är oklar, det bara finns ett fenomen - och olika tolkningar ger sina förklaringar. Således, i många världar tolkning av kvantmekanik, är sammankopplade partiklar bara projicering av möjliga tillstånd för en enda partikel i andra parallella universum. Vid transaktionstolkning är dessa partiklar länkade av stående tidvågor. För "kvantmystik" är fenomenet intrassling ytterligare en anledning att betrakta världens paradoxala grund som ett sätt att förklara allt obegripligt, från själva elementära partiklar till mänskligt medvetande. Mystiker kan förstå: om du tänker på det, så är konsekvenserna yr.
Det enkla experimentet från Clauser-Friedman indikerar att platsen för den fysiska världen på skalan av elementära partiklar kan kränkas, och själva grunden för verkligheten visar sig - till Einsteins skräck - vag och obestämd. Detta betyder inte att interaktion eller information kan överföras direkt på bekostnad av förvirring. Separationen av intrasslade partiklar i rymden fortsätter med normal hastighet, mätresultaten är slumpmässiga, och tills vi mäter en partikel kommer den andra inte att innehålla information om det framtida resultatet. Utifrån mottagaren av den andra partikeln är resultatet helt slumpmässigt. Varför intresserar allt detta oss?
Hur intrassla partiklar: Ta en kristall med olinjära optiska egenskaper - det vill säga en vars interaktion av ljus som beror på ljusets intensitet. Till exempel litiumtriborat, barium beta-borat, kaliumniobat. Bestråla den med en laser med lämplig våglängd och högenergi-fotoner av laserstrålning kommer ibland att ruttna ned i par intrasslade fotoner med lägre energi (detta fenomen kallas "spontan parametrisk spridning") och polariseras i vinkelräta plan. Det enda som återstår är att hålla de intrasslade partiklarna intakta och sprida dem så långt ifrån varandra som möjligt.
Det verkar som om vi tappade äpplet när vi pratade om principen om osäkerhet? Lyft upp den och kast den mot väggen - naturligtvis kommer den att gå sönder, för i makrokosmos fungerar inte en annan kvantmekanisk paradox - tunneling -. Under tunneln kan en partikel övervinna en energibarriär som är högre än sin egen energi. Analogin med ett äpple och en vägg är naturligtvis väldigt ungefärligt, men illustrativt: tunneleringseffekten gör det möjligt för fotoner att tränga in i det reflekterande mediet och elektroner att "ignorera" den tunna filmen av aluminiumoxid som täcker ledningarna och faktiskt är en dielektrik.
Vår dagliga logik och lagarna i klassisk fysik är inte särskilt tillämpliga på kvantparadoxer, men de fungerar fortfarande och används ofta inom teknik. Fysiker verkar ha (tillfälligt) beslutat: även om vi ännu inte helt vet hur det fungerar kan fördelarna härledas från detta redan idag. Tunneleffekten ligger till grund för driften av vissa moderna mikrochips - i form av tunneldioder och transistorer, tunnelkorsningar etc. Och naturligtvis får vi inte glömma att skanna tunnelmikroskop, där partikeltunnling ger observationer av enskilda molekyler och atomer - och till och med manipulation enligt dem.
Kommunikation, teleportering och satellit
Låt oss föreställa oss att vi har "kvanttrasslat" två äpplen: om det första äpplet visar sig vara rött, är det andra nödvändigtvis grönt, och vice versa. Vi kan skicka en från Petersburg till Moskva, behålla deras förvirrade tillstånd, men det verkar vara allt. Först när ett äpple i St. Petersburg mäts som rött, blir det andra grönt i Moskva. Fram till mätningsögonblicket finns det ingen möjlighet att förutsäga äpplets tillstånd, för (alla samma paradoxer!) De har inte det definitiva tillståndet. Vad är det som använder denna förvirring? … Och känslan hittades redan på 2000-talet, då Andrew Jordan och Alexander Korotkov, som förlitade sig på sovjetiska fysikers idéer, hittade ett sätt att mäta "inte till slutet" och därför fixa partiklarnas tillstånd.
Med hjälp av "svaga kvantmätningar" kan du som sagt titta på ett äpple med ett halvt öga, få en glimt och försöka gissa färgen. Du kan göra detta om och om igen, utan att faktiskt titta på äpplet ordentligt, men helt säkert bestämma att det till exempel är rött, vilket innebär att ett äpple i Moskva som är förvirrat med det blir grönt. Detta möjliggör att sammankopplade partiklar används om och om igen, och de metoder som föreslagits för ungefär tio år sedan tillåter dem att lagras genom att köra i en cirkel under obestämd lång tid. Det återstår att föra bort en av partiklarna - och få ett extremt användbart system.
Ärligt talat verkar det som om fördelarna med intrasslade partiklar är mycket mer än man vanligtvis tror, bara vår magra fantasi, begränsad av samma makroskopiska verklighetsskala, tillåter oss inte att komma med verkliga tillämpningar för dem. Men de redan befintliga förslagen är ganska fantastiska. På grundval av intrasslade partiklar är det således möjligt att organisera en kanal för kvantteleportering, fullständig "läsning" av kvanttillståndet för ett objekt och "registrera" det till ett annat, som om det första helt enkelt transporterades till lämpligt avstånd. Utsikterna till kvantkryptografi är mer realistiska, vars algoritmer lovar nästan "obrytbara" kommunikationskanaler: varje störning i deras arbete kommer att påverka tillståndet för intrasslade partiklar och kommer omedelbart att märkas av ägaren. Det är här det kinesiska experimentet QESS (Quantum Experimental at Space Scale) spelar in.
Datorer och satelliter
Problemet är att det på jorden är svårt att skapa en tillförlitlig anslutning för intrasslade partiklar som är långt ifrån varandra. Även i den mest avancerade optiska fibern, genom vilken fotoner sänds, bleknar signalen gradvis, och kraven på den är särskilt höga här. Kinesiska forskare beräknade till och med att om du skapar intrasslade fotoner och skickar dem i två riktningar med axlar som är ungefär 600 km långa - halva avståndet från kvantvetenskapens centrum i Dalinghe till centra i Shenzhen och Lijiang - så kan du förvänta dig att fånga det intrasslade paret på cirka 30 tusen år. Rymden är en annan fråga, i det djupa vakuum som fotoner flyger ett sådant avstånd utan att möta några hinder. Och sedan kommer den experimentella satelliten Mozi ("Mo-Tzu") in i scenen.
En källa (laser och olinjär kristall) installerades på rymdskeppet, som varje sekund producerade flera miljoner par sammanfiltrade fotoner. Från ett avstånd av 500 till 1700 km skickades några av dessa fotoner till det markbaserade observatoriet i Dalinghe i Tibet, och det andra till Shenzhen och Lijiang i södra Kina. Som man kan förvänta sig inträffade den största förlusten av partiklar i atmosfärens nedre lager, men det är bara cirka 10 km från varje fotonstråls väg. Som ett resultat täckte kanalen med intrasslade partiklar avståndet från Tibet till södra landet - cirka 1200 km, och i november i år öppnades en ny linje som förbinder Anhui-provinsen i öst med den centrala provinsen Hubei. Hittills saknar kanalen pålitlighet, men det handlar redan om teknik.
Inom en nära framtid planerar kineserna att lansera mer avancerade satelliter för att organisera sådana kanaler och lovar att vi snart kommer att se en fungerande kvantförbindelse mellan Peking och Bryssel, i själva verket, från den ena änden av kontinenten till den andra. En annan "omöjlig" paradox av kvantmekanik lovar ytterligare ett språng i tekniken.
Sergey Vasiliev