Kvantinės mechanikos prognozes kartais sunku susieti su idėjomis apie klasikinį pasaulį. Nors klasikinės dalelės padėtis ir pagreitis gali būti matuojami vienu metu, kvantiniu atveju jūs galite žinoti tik dalelės radimo tikimybę vienoje ar kitoje būsenoje. Be to, kvantų teorija teigia, kad susipainiojus dviem sistemoms, vienos iš jų būklės matavimas akimirksniu paveikia kitą. 2015 m. Trys fizikų grupės padarė didelę pažangą supratdamos kvantų susipainiojimo ir teleportacijos pobūdį. „Physics Today“ir Lenta.ru kalba apie mokslininkų pasiekimus.
Albertas Einšteinas nesutiko su tikimybiniu kvantinės mechanikos aiškinimu. Būtent šiuo atžvilgiu jis pasakė, kad „Dievas nežaidžia kauliukų“(į kurį danų fizikas Nielsas Bohras vėliau atsakė, kad ne Einšteinas turi nuspręsti, ką daryti su Dievu). Vokiečių mokslininkas nepriėmė netikrumo, būdingo mikro pasauliui, ir klasikinį determinizmą laikė teisingu. Bendrosios reliatyvumo teorijos kūrėjas tikino, kad aprašydama mikro pasaulį, kvantinė mechanika neatsižvelgia į kai kuriuos paslėptus kintamuosius, be kurių pati kvantinė teorija yra neišsami. Matuojant kvantinę būseną klasikiniu instrumentu, mokslininkas pasiūlė ieškoti paslėptų parametrų: šis procesas apima pirmojo pasikeitimą antraisiais, o Einšteinas manė, kad įmanoma eksperimentuoti ten, kur tokio pokyčio nėra.
- „Salik.biz“
Nuo to laiko mokslininkai bandė nustatyti, ar kvantinėje mechanikoje egzistuoja paslėpti kintamieji, ar tai buvo Einšteino išradimas. Paslėptų kintamųjų problemą 1964 m. Įteisino britų teorinis fizikas Johnas Bellas. Jis pasiūlė eksperimento, kurio metu bet kokio paslėpto parametro buvimą sistemoje galima sužinoti atlikus statistinę specialių eksperimentų serijos analizę, idėją. Eksperimentas buvo toks. Atomas buvo įdėtas į išorinį lauką, tuo pačiu metu skleidžiant fotonų porą, kuri išsibarstė priešingomis kryptimis. Eksperimentuotojų užduotis yra atlikti kelis fotono sukimosi krypties matavimus.
Tai leistų surinkti reikiamą statistiką ir, panaudojant Bello nelygybes, kurios yra matematinis paslėptų parametrų buvimo kvantinėje mechanikoje aprašymas, patikrinkite Einšteino požiūrį. Pagrindinis sunkumas buvo praktinis eksperimento įgyvendinimas, kurį vėliau fizikams pavyko atkurti. Tyrėjai įrodė, kad kvantinėje mechanikoje greičiausiai nėra paslėptų parametrų. Tuo tarpu teorijoje buvo dvi spragos (vieta ir aptikimas), kurios galėtų įrodyti, kad Einšteinas buvo teisus. Apskritai yra daugiau spragų. 2015 m. Eksperimentai juos uždarė ir patvirtino, kad greičiausiai mikrokosmose nėra vietinio realizmo.
„Baisus veiksmas“tarp Bobo ir Alisos
Vaizdas: JPL-Caltech / NASA
Mes kalbame apie trijų fizikų grupių eksperimentus: iš Delfto technikos universiteto Nyderlanduose, JAV Nacionalinio standartų ir technologijos instituto ir Vienos universiteto Austrijoje. Mokslininkų eksperimentai ne tik patvirtino kvantinės mechanikos išsamumą ir joje paslėptų parametrų nebuvimą, bet ir atvėrė naujas kvantinės kriptografijos galimybes - informacijos užšifravimo (apsaugos nuo jos) metodą, naudojant kvantinį įsipainiojimą, naudojant kvantinius protokolus, ir paskatino sukurti nesulaužomus algoritmus generavimui. atsitiktiniai skaičiai.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kvantinis susipainiojimas yra reiškinys, kai dalelių kvantinės būsenos (pavyzdžiui, elektrono sukinys ar fotono poliarizacija), atskirtos viena nuo kitos, negali būti aprašytos atskirai. Vienos dalelės būsenos matavimo procedūra keičia kitos būsenos būseną. Įprastame kvantinio susipainiojimo eksperimente vienas nuo kito įsikišusios dalelės (fotonai ar elektronai) iš poros susideda iš tarpusavyje besisiejančių agentų - Alisos ir Bobo. Vieno agento, pavyzdžiui, Alisos, matuojama dalelė koreliuoja su kito būsena, nors Alisa ir Bobas iš anksto nežino apie vienas kito manipuliacijas.
Tai reiškia, kad dalelės kažkaip kaupia informaciją viena apie kitą ir nekeičia jos, tarkime, šviesos greičiu, naudodamos kokią nors pagrindinę mokslui žinomą sąveiką. Albertas Einšteinas tai pavadino „baisiu veiksmu per atstumą“. Susipainiojusios dalelės pažeidžia lokalumo principą, pagal kurį objekto būklę gali paveikti tik jo artimiausia aplinka. Šis prieštaravimas susijęs su Einšteino-Podolskio-Roseno paradoksu (darant prielaidą, kad minėtas kvantinės mechanikos neužbaigtumas ir paslėptų parametrų buvimas) ir yra vienas iš pagrindinių kvantinės mechanikos koncepcinių sunkumų (kurie vis dėlto nelaikomi paradoksu) (bent jau aiškinant Kopenhagoje).).
Olandijos mokslininkų eksperimento schema
Nuotrauka: arXiv.org
Vietinio realizmo šalininkai teigia, kad dalelėms įtakos gali turėti tik lokalūs kintamieji, o Alisos ir Bobo dalelių koreliacija atliekama naudojant kokį nors paslėptą metodą, kurio mokslininkai vis dar nežino. Mokslininkų užduotis buvo paneigti šią galimybę eksperimentiniu būdu, visų pirma siekiant užkirsti kelią paslėpto signalo plitimui iš vieno agento į kitą (darant prielaidą, kad jis vakuume juda šviesos greičiu - maksimaliai įmanoma gamtoje) ir taip parodyti, kad įvyko antrosios dalelės kvantinės būklės pasikeitimas. prieš tai latentinis pirmosios dalelės signalas galėtų pasiekti antrąją.
Praktiškai tai reiškia, kad Bobas ir Alisa turi būti nutolę dideliu atstumu vienas nuo kito (bent dešimtimis metrų). Tai neleidžia skleisti jokio signalo apie vienos dalelės būsenos pasikeitimą prieš matuojant kitos dalelės būseną (vietos gaudyklė). Tuo tarpu netobulumas nustatant atskirų dalelių (ypač fotonų) kvantinę būseną palieka erdvės mėginių ėmimo (arba aptikimo) spragai. Pirmą kartą Delfto technologijos universiteto fizikams pavyko išvengti dviejų sunkumų vienu metu.
Eksperimente mes panaudojome deimantų detektorių porą su signalo skirtuvu tarp jų. Mokslininkai paėmė porą neįsipynusių fotonų ir išsklaidė juos į skirtingas erdves. Tada kiekvienas elektronas buvo įsipainiojęs su fotonų pora, kurie vėliau buvo perkelti į trečiąją erdvę. Eksperimentų metu buvo galima pastebėti, kad vieno iš elektronų būsenos (sukinio) pasikeitimas paveikė kitą. Vos per 220 valandų (per 18 dienų) fizikai 245 kartus patikrino Bello nelygybę. Stebimi elektronų kiekiai buvo išmatuoti lazerio spinduliais.
Eksperimente buvo galima išmatuoti dalelių kvantines būsenas, atskirtas maždaug 1,3 kilometro atstumu, ir parodyti Bello nelygybės pagrįstumą (tai yra kvantinės teorijos pagrįstumą ir vietinio realizmo sampratos klaidingumą). Šio tyrimo rezultatai paskelbti žurnale „Nature“. Prognozuojama, kad jos autoriai turės Nobelio fizikos premiją.
Detektorių padėtis Olandijos eksperimente
Nuotrauka: arXiv.org
Komandos iš JAV ir Austrijos eksperimentavo su fotonais. Taigi mokslininkai iš Nacionalinio standartų ir technologijos instituto sugebėjo sulaužyti kvantinės teleportacijos atstumo (sistemos kvantinės būklės perdavimo per atstumą) atstumą per šviesolaidinį kabelį, atlikdami jį 102 kilometrų atstumu. Tam mokslininkai panaudojo keturis vieno fotono detektorius, sukurtus tame pačiame institute ant superlaidžių nanovielių (atvėsintų iki minus 272 laipsnių Celsijaus) iš silicio molibdeno. Tik vienas procentas fotonų nuvažiavo 102 kilometrus. Ankstesnis kvantinės teleportacijos per pluoštą atstumas buvo 25 kilometrai (palyginimui: kvantinės teleportacijos atstumas per orą buvo 144 kilometrai).
Austrijos mokslininkai naudojo efektyvesnius jutiklius nei amerikiečių, tačiau JAV fizikų eksperimentuose laiko skiriamoji geba yra daug didesnė. Skirtingai nei Nyderlandų fizikai, kurių sąranka užfiksavo maždaug vieną įvykį per valandą, JAV ir Austrijos mokslininkai galėjo atlikti daugiau nei tūkstantį testų per sekundę, o tai praktiškai neįtraukia jokios atsitiktinės koreliacijos eksperimentų rezultatuose.
Šiuo metu mokslininkai bando pagerinti eksperimentų efektyvumą - jie nešioja daleles vis didesniais atstumais ir padidina matavimų dažnį. Deja, prailginus optinį kanalą prarandama aptiktų dalelių dalis ir vėl pasireiškia aptikimo spragos pavojus. Nacionalinio standartų ir technologijos instituto mokslininkai bando kovoti su tuo, eksperimentuose naudodami kvantinių atsitiktinių skaičių generatorių. Tokiu atveju nereikia neštis fotonų dideliais atstumais, o sukurta technologija bus naudinga atliekant kvantinę kriptografiją.
Andrejus Borisovas