Ne taip seniai, fizikai parodė pirmuosius QUESS misijos rezultatus ir jos rėmuose į orbitą paleistas „Mozi“palydovas pateikė rekordinį kvantinių įsipainiojimų fotonų atsiskyrimą daugiau nei 1200 km atstumu. Ateityje tai gali sukelti kvantinės komunikacijos linijos tarp Pekino ir Europos sukūrimą.
Aplink esantis pasaulis yra didelis ir įvairus - toks įvairus, kad vienose skalėse atsiranda įstatymai, kurie kitiems visiškai neįsivaizduojami. Politikos ir Beatlemanijos įstatymai neišplaukia iš atomo struktūros - jų aprašymas reikalauja savų „formulių“ir savų principų. Sunku įsivaizduoti, kad obuolys - makroskopinis objektas, kurio elgesys paprastai vyksta pagal Niutono mechanikos dėsnius - paėmė ir išnyko, susijungė su kitu obuoliu, virsdamas ananasu. Ir vis dėlto būtent tokie paradoksalūs reiškiniai pasireiškia elementariųjų dalelių lygmenyje. Sužinoję, kad šis obuolys yra raudonas, mažai tikėtina, kad dar paversime žaliu kitu, esančiu kažkur orbitoje. Tuo tarpu būtent tai veikia kvantinio susipainiojimo fenomenas ir būtent tai parodė Kinijos fizikai, su kurių darbais mes pradėjome pokalbį. Pabandykime išsiaiškintikas tai yra ir kaip tai gali padėti žmonijai.
- „Salik.biz“
Bohras, Einšteinas ir kiti
Aplink esantis pasaulis yra vietinis - kitaip tariant, norint pakeisti kažkokį tolimą objektą, jis turi sąveikauti su kitu objektu. Be to, jokia sąveika negali plisti greičiau nei šviesa: tai daro fizinę realybę vietine. Obuolys negali užspausti Niutono ant galvos, fiziškai jo nepasiekdamas. Saulės pliūpsnis negali akimirksniu paveikti palydovų darbo: įkrautos dalelės turės įveikti atstumą iki žemės ir sąveikauti su elektronika ir atmosferos dalelėmis. Tačiau kvantiniame pasaulyje lokalumas pažeidžiamas.
Garsiausias iš elementariųjų dalelių pasaulio paradoksų yra Heisenbergo neapibrėžtumo principas, pagal kurį neįmanoma tiksliai nustatyti abiejų kvantinės sistemos „poros“charakteristikų vertės. Padėtis erdvėje (koordinatė) arba judėjimo greitis ir kryptis (impulsas), srovė ar įtampa, lauko elektrinio ar magnetinio komponento dydis - visi šie parametrai yra „papildomi“parametrai ir kuo tiksliau išmatuosime vieną iš jų, tuo mažiau tikras bus antrasis.
Kadaise Einsteino nesusipratimą ir garsųjį jo skeptišką prieštaravimą „Dievas nežaidžia kauliuko“sukėlė netikrumo principas. Tačiau atrodo, kad tai vaidina: visi žinomi eksperimentai, netiesioginiai ir tiesioginiai stebėjimai ir skaičiavimai rodo, kad netikrumo principas yra esminio mūsų pasaulio neapibrėžtumo pasekmė. Ir vėl pasiekiame tikrovės mastelio ir lygmenų neatitikimą: ten, kur mes egzistuojame, viskas yra gana tikra: jei nulenksite pirštus ir paleisite obuolį, jis nukris, traukiamas Žemės gravitacijos. Tačiau gilesniame lygmenyje priežasčių ir padarinių tiesiog nėra, o yra tikimybių šokis.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Dalelių kvantinės būsenos paradoksas slypi tame, kad „smūgis į galvą“gali įvykti tiksliai tuo pačiu metu, kai obuolys atsiskiria nuo šakos. Susipainiojimas nėra lokalus, o objekto pakeitimas vienoje vietoje akimirksniu ir be akivaizdžios sąveikos keičia kitą objektą visiškai kitoje. Teoriškai mes galime nešiotis vieną iš įsipainiojusių dalelių bent į kitą Visatos galą, bet vistiek, jei mes „paliesime“jos partnerį, kuris liko Žemėje, ir antroji dalelė reaguos akimirksniu. Einšteinui tuo patikėti nebuvo lengva, o jo argumentai su Nielsu Bohru ir kolegomis iš kvantinės mechanikos „stovyklos“tapo vienu žaviausių dalykų šiuolaikinėje mokslo istorijoje. „Realybė yra tikra, - kaip sakytų Einšteinas ir jo šalininkai - tik netobuli yra tik mūsų modeliai, lygtys ir įrankiai“. „Modeliai gali būti bet kas,tačiau pati tikrovė, esanti mūsų pasaulio pagrindas, niekada nebuvo iki galo nustatyta “, - prieštaravo kvantinės mechanikos šalininkai.
Priešindamas savo paradoksus, 1935 m. Einšteinas kartu su Borisu Podolskiu ir Nathanu Rosenu suformulavo savo paradoksą. „Gerai, - samprotavo jie, - sakykime, neįmanoma sužinoti dalelės koordinatės ir impulsų tuo pačiu metu. O kas, jei mes turime dvi bendros kilmės daleles, kurių būsenos yra tapačios? Tuomet galime išmatuoti vieno impulsą, kuris suteiks mums netiesiogiai informacijos apie kito impulsą, o kito - koordinatę, kuri suteiks žinių apie pirmojo koordinatę “. Tokios dalelės buvo grynai spekuliatyvi konstrukcija, minčių eksperimentas - galbūt todėl Nielsui Bohrui (tiksliau, jo pasekėjams) pavyko rasti tinkamą atsakymą tik po 30 metų.
Turbūt pirmąjį kvantinių-mechaninių paradoksų šmėklą pastebėjo Heinrichas Hertzas, kuris pastebėjo, kad jei kibirkšties tarpo elektrodai buvo apšviesti ultravioletiniu spinduliu, kibirkštis praėjo pastebimai lengviau. Stoletovo, Thomsono ir kitų didžiųjų fizikų eksperimentai leido suprasti, kad taip nutinka dėl to, kad, veikiama radiacijos, materija skleidžia elektronus. Tačiau tai visiškai skiriasi nuo to, ką rodo logika; pvz., išlaisvintų elektronų energija nebus didesnė, jei padidinsime radiacijos intensyvumą, tačiau ji padidės, jei sumažinsime jo dažnį. Didindami šį dažnį, mes einame prie sienos, už kurios ribų cheminė medžiaga neturi jokio fotoefekto - šis lygis skirtingoms medžiagoms yra skirtingas.
Einšteinas sugebėjo paaiškinti šiuos reiškinius, už kuriuos jam buvo paskirta Nobelio premija. Jie yra susiję su energijos kiekybiškumu - tuo, kad ją gali perduoti tik tam tikros „mikro porcijos“, kvantos. Kiekvienas spinduliuotės fotonas neša tam tikrą energiją, ir jei jos užtenka, tada ją sugerusio atomo elektronas išskris į laisvę. Fotonų energija yra atvirkščiai proporcinga bangos ilgiui, o kai pasiekiama fotoelektrinio efekto riba, nebepakanka net suteikti elektronui mažiausią išlaisvinimui reikalingą energiją. Šiandien šis reiškinys susiduria visur - saulės baterijų pavidalu, kurių fotoelementai veikia būtent pagal šį efektą.
Eksperimentai, interpretacijos, mistika
Septintojo dešimtmečio viduryje Johnas Bellas susidomėjo kvantinės mechanikos nelokališkumo problema. Jis sugebėjo pasiūlyti visiškai įmanomo eksperimento matematinį pagrindą, kuris turėtų pasibaigti vienu iš alternatyvių rezultatų. Pirmasis rezultatas „suveikė“, jei tikrai pažeidžiamas lokalumo principas, antrasis - jei vis dėlto jis visada veikia ir mes turime ieškoti kažkokios kitos teorijos, apibūdinančios dalelių pasaulį. Jau aštuntojo dešimtmečio pradžioje tokius eksperimentus atliko Stuartas Friedmanas ir Johnas Clauseris, paskui Alainas Aspenas. Paprasčiau tariant, užduotis buvo sukurti įsipainiojusių fotonų poras ir išmatuoti jų sukinius po vieną. Statistiniai stebėjimai parodė, kad sukimai nėra laisvi, o yra koreliuojami tarpusavyje. Nuo tada tokie eksperimentai buvo vykdomi beveik nuolat,tiksliau ir tobuliau - ir rezultatas tas pats.
Reikia pridurti, kad kvantų įsipainiojimą paaiškinantis mechanizmas vis dar nėra aiškus, yra tik reiškinys - ir skirtingi aiškinimai pateikia jų paaiškinimus. Taigi daugelio pasaulių kvantinės mechanikos aiškinime įsipainiojusios dalelės yra tik vienos dalelės galimų būsenų projekcijos kitose lygiagrečiose visatose. Aiškinant transakcijas, šios dalelės yra susietos stovinčiomis laiko bangomis. „Kvantinei mistikai“įsipainiojimo fenomenas yra dar viena priežastis paradoksalų pasaulio pagrindą laikyti būdu paaiškinti viską nesuprantamą, pradedant pačiomis elementariausiomis dalelėmis ir baigiant žmogaus sąmone. Mistikai gali suprasti: jei apie tai galvoji, tada svaigsta galva.
Paprastas Clauserio-Friedmano eksperimentas rodo, kad galima pažeisti fizinio pasaulio lokalumą elementariųjų dalelių skalėje, o pats tikrovės pagrindas pasirodo esąs Einšteino siaubui neaiškus ir neapibrėžtas. Tai nereiškia, kad sąveika ar informacija gali būti perduodama akimirksniu, susipainiojimo sąskaita. Susipainiojusių dalelių atskyrimas erdvėje vyksta normaliu greičiu, matavimo rezultatai yra atsitiktiniai ir kol mes neišmatuosime vienos dalelės, antroje nebus jokios informacijos apie būsimą rezultatą. Antrosios dalelės gavėjo požiūriu rezultatas yra visiškai atsitiktinis. Kodėl visa tai mus domina?
Kaip įsipainioti daleles: paimkite kristalą, kurio optinės savybės yra netiesinės - tai yra tas, kurio šviesos sąveika priklauso nuo šios šviesos stiprio. Pavyzdžiui, ličio triboratas, bario beta boratas, kalio niobatas. Švitinkite jį tinkamo bangos ilgio lazeriu, o lazerio spinduliuotės didelės energijos fotonai kartais suskaidomi į susipainiojusių mažesnės energijos fotonų poras (šis reiškinys vadinamas „spontaniniu parametriniu išsibarstymu“) ir poliarizuotas statmenose plokštumose. Lieka tik išlaikyti įbrėžtas daleles nepažeistas ir paskleisti jas kuo toliau viena nuo kitos.
Atrodo, kad numetėme obuolį kalbėdami apie netikrumo principą? Pakelkite jį aukštyn ir mesti į sieną - žinoma, jis sulaužys, nes makrokosmoje kitas kvantinis mechaninis paradoksas - tuneliavimas - neveikia. Tuneliavimo metu dalelė sugeba įveikti didesnį energijos barjerą nei jo paties energija. Analogija su obuoliu ir siena, be abejo, yra labai apytikslė, tačiau iliustratyvi: tuneliavimo efektas leidžia fotonams prasiskverbti į atspindinčią terpę, o elektronai „ignoruoja“ploną aliuminio oksido plėvelę, apimančią laidus ir iš tikrųjų yra dielektriką.
Mūsų kasdieninė logika ir klasikinės fizikos dėsniai nėra labai taikytini kvantiniams paradoksams, tačiau jie vis tiek veikia ir yra plačiai naudojami technologijose. Atrodo, kad fizikai (laikinai) nusprendė: net jei dar nevisiškai žinome, kaip tai veikia, naudą galima gauti jau šiandien. Tuneliavimo efektas yra kai kurių šiuolaikinių mikroschemų veikimo pagrindas - tunelių diodų ir tranzistorių, tunelių sankryžų ir kt. Forma. Ir, žinoma, neturime pamiršti apie nuskaitymo tunelinius mikroskopus, kuriuose dalelių tuneliavimas leidžia stebėti atskiras molekules ir atomus - ir net manipuliuoti. pagal juos.
Ryšiai, teleportacija ir palydovas
Iš tiesų, įsivaizduokime, kad mes „kvantiškai įsipainiojome“du obuolius: jei pirmasis obuolys pasirodo raudonas, tada antrasis būtinai yra žalias, ir atvirkščiai. Mes galime nusiųsti iš Peterburgo į Maskvą, išlaikydami jų sumišusią valstybę, bet, atrodo, viskas. Tik tada, kai Sankt Peterburge obuolys bus matuojamas kaip raudonas, antrasis Maskvoje taps žalias. Iki matavimo momento nėra galimybės numatyti obuolio būsenos, nes (visi tie patys paradoksai!) Jie neturi pačios apibrėžčiausios būsenos. Kaip naudojamas šis įsipainiojimas?.. Ir prasmė buvo rasta jau 2000-aisiais, kai Andrew Jordanas ir Aleksandras Korotkovas, remdamiesi sovietų fizikų idėjomis, rado būdą, kaip išmatuoti, tarsi „ne iki galo“, ir todėl sutvarkyti dalelių būsenas.
Naudodamiesi „silpnų kvantų matavimais“, jūs galite tarsi pažvelgti į obuolį puse akies, pagaudami žvilgsnį, bandydami atspėti jo spalvą. Tai galite padaryti vėl ir vėl, iš tikrųjų tinkamai nežiūrėdami į obuolį, tačiau gana užtikrintai nuspręskite, kad tai, pavyzdžiui, raudona spalva, o tai reiškia, kad su ja supakuotas obuolys Maskvoje bus žalias. Tai leidžia vėl ir vėl naudoti įsipainiojusias daleles, o prieš maždaug 10 metų pasiūlyti metodai leidžia jas laikyti neapibrėžtą ilgą laiką važiuojant ratu. Belieka nešti vieną iš dalelių ir gauti nepaprastai naudingą sistemą.
Atvirai kalbant, atrodo, kad įsipainiojusios dalelės yra daug naudingesnės, nei paprastai manoma, vien tik menka mūsų vaizduotė, suvaržyta tos pačios makroskopinės tikrovės skalės, neleidžia mums sugalvoti realių jų taikymo būdų. Tačiau jau pateikti pasiūlymai yra gana fantastiški. Taigi, įsipainiojusių dalelių pagrindu, galima suorganizuoti kanalą kvantinei teleportacijai, visiškam „objekto“kvantinės būsenos „nuskaitymui“ir „įrašymui“į kitą, tarsi pirmieji būtų tiesiog perkelti į reikiamą atstumą. Kvantinės kriptografijos perspektyvos yra realistiškesnės, kurių algoritmai žada beveik „nesulaužomus“komunikacijos kanalus: bet koks kišimasis į jų darbą paveiks įstrigusių dalelių būklę ir bus nedelsiant pastebėtas savininko. Čia prasideda Kinijos eksperimentas QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Kompiuteriai ir palydovai
Problema ta, kad Žemėje sunku užmegzti patikimą ryšį įsipainiojusioms dalelėms, esančioms toli viena nuo kitos. Net pažangiausiame optiniame pluošte, per kurį perduodami fotonai, signalas pamažu blunka, o jam keliami reikalavimai čia yra ypač aukšti. Kinijos mokslininkai net apskaičiavo, kad jei sukursite įsipainiojusius fotonus ir siųsite juos dviem kryptimis apie 600 km ilgio pečiais - puse atstumo nuo Dalinghe mieste esančio kvantinio mokslo centro iki Šenzeno ir Lijiango centrų -, tuomet galite tikėtis, kad sugautą porą pagausite maždaug per 30 tūkstantį metų. Erdvė yra kitas dalykas, kurio giliame vakuume fotonai skraido tokiu atstumu, nesusidurdami su jokiomis kliūtimis. Ir tada į sceną patenka eksperimentinis palydovas Mozi („Mo-Tzu“).
Ant erdvėlaivio buvo įrengtas šaltinis (lazeris ir netiesinis kristalas), kuris kas sekundę gamino kelis milijonus porų įsipainiojusių fotonų. Kai kurie iš šių fotonų nuo 500 iki 1700 km buvo nusiųsti į antžeminę observatoriją Dalinghe mieste Tibete, o antrasis - į Šenženą ir Lijiangą pietų Kinijoje. Kaip ir buvo galima tikėtis, pagrindinis dalelių praradimas įvyko apatiniuose atmosferos sluoksniuose, tačiau tai yra tik apie 10 km nuo kiekvieno fotono pluošto kelio. Dėl to įsipainiojusių dalelių kanalas apėmė atstumą nuo Tibeto iki šalies pietų - apie 1200 km, o šių metų lapkritį buvo atidaryta nauja linija, jungianti Anhui provinciją rytuose su centrine Hubei provincija. Kol kas kanalui trūksta patikimumo, tačiau tai jau yra technologijos klausimas.
Artimiausiu metu kinai planuoja paleisti sudėtingesnius palydovus tokių kanalų organizavimui ir žada, kad netrukus pamatysime veikiantį kvantinį ryšį tarp Pekino ir Briuselio, iš tikrųjų, iš vieno žemyno galo į kitą. Kitas „neįmanomas“kvantinės mechanikos paradoksas žada dar vieną technologijos šuolį.
Sergejus Vasiljevas