Przewidywania mechaniki kwantowej są czasami trudne do odniesienia do wyobrażeń o klasycznym świecie. Podczas gdy położenie i pęd klasycznej cząstki można zmierzyć jednocześnie, w przypadku kwantowym można poznać tylko prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w takim czy innym stanie. Co więcej, teoria kwantowa stwierdza, że gdy dwa układy są splątane, pomiar stanu jednego z nich natychmiast wpływa na drugi. W 2015 roku trzy grupy fizyków poczyniły znaczne postępy w zrozumieniu natury splątania kwantowego i teleportacji. Physics Today i Lenta.ru mówią o osiągnięciach naukowców.
Albert Einstein nie zgodził się z probabilistyczną interpretacją mechaniki kwantowej. W związku z tym powiedział, że „Bóg nie gra w kości” (na co duński fizyk Niels Bohr odpowiedział później, że to nie Einstein powinien decydować, co zrobić z Bogiem). Niemiecki naukowiec nie zaakceptował niepewności tkwiącej w mikroświecie i uznał klasyczny determinizm za poprawny. Twórca ogólnej teorii względności uważał, że mechanika kwantowa opisując mikroświat nie bierze pod uwagę pewnych ukrytych zmiennych, bez których sama teoria kwantowa jest niekompletna. Naukowiec zasugerował poszukiwanie ukrytych parametrów podczas pomiaru stanu kwantowego za pomocą klasycznego urządzenia: proces ten obejmuje zmianę pierwszego o sekundę, a Einstein uznał, że można eksperymentować tam, gdzie nie ma takiej zmiany.
Od tego czasu naukowcy próbują ustalić, czy w mechanice kwantowej istnieją ukryte zmienne, czy też był to wynalazek Einsteina. Problem ukrytych zmiennych został sformalizowany w 1964 roku przez brytyjskiego fizyka teoretycznego Johna Bella. Zaproponował pomysł eksperymentu, w którym obecność dowolnego ukrytego parametru w systemie można stwierdzić, przeprowadzając analizę statystyczną serii specjalnych eksperymentów. Eksperyment był taki. Atom został umieszczony w polu zewnętrznym, emitując jednocześnie parę fotonów, które rozpraszały się w przeciwnych kierunkach. Zadaniem eksperymentatorów jest przeprowadzenie wielokrotnych pomiarów kierunku obrotów fotonów.
Umożliwiłoby to zebranie niezbędnych statystyk i, wykorzystując nierówności Bella, które są matematycznym opisem obecności ukrytych parametrów w mechanice kwantowej, sprawdzić punkt widzenia Einsteina. Główna trudność polegała na praktycznej realizacji eksperymentu, który później fizykom udało się odtworzyć. Naukowcy wykazali, że w mechanice kwantowej najprawdopodobniej nie ma żadnych ukrytych parametrów. W międzyczasie istniały dwie luki w teorii (lokalizacja i wykrywanie), które mogły udowodnić, że Einstein miał rację. Ogólnie rzecz biorąc, jest więcej luk. Eksperymenty z 2015 roku zamknęły je i potwierdziły, że w mikrokosmosie najprawdopodobniej nie ma lokalnego realizmu.
„Straszna akcja” między Bobem i Alice
Zdjęcie: JPL-Caltech / NASA
Mowa o eksperymentach trzech grup fizyków: z Delft Technical University w Holandii, National Institute of Standards and Technology w USA oraz University of Vienna w Austrii. Eksperymenty naukowców nie tylko potwierdziły kompletność mechaniki kwantowej i brak w niej ukrytych parametrów, ale także otworzyły nowe możliwości kryptografii kwantowej - metody szyfrowania informacji (zabezpieczania jej) z wykorzystaniem splątania kwantowego za pomocą protokołów kwantowych - i doprowadziły do powstania niezniszczalnych algorytmów generujących losowe liczby.
Film promocyjny:
Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym stany kwantowe cząstek (na przykład spin elektronu czy polaryzacja fotonu), oddalonych od siebie, nie mogą być opisane niezależnie. Procedura pomiaru stanu jednej cząstki prowadzi do zmiany stanu innej. W typowym eksperymencie ze splątaniem kwantowym oddzielone od siebie oddziałujące czynniki - Alicja i Bob - posiadają po jednej cząstce (fotonach lub elektronach) z pary splątanych. Pomiar cząstki przez jednego z agentów, na przykład Alicję, koreluje ze stanem drugiego, chociaż Alicja i Bob nie wiedzą z góry o wzajemnych manipulacjach.
Oznacza to, że cząsteczki w jakiś sposób przechowują informacje o sobie nawzajem i nie wymieniają ich, powiedzmy, z prędkością światła za pomocą jakiejś podstawowej interakcji znanej nauce. Albert Einstein nazwał to „upiorną akcją na odległość”. Splątane cząstki naruszają zasadę lokalności, zgodnie z którą na stan obiektu może wpływać jedynie jego bezpośrednie otoczenie. Ta sprzeczność wiąże się z paradoksem Einsteina-Podolskiego-Rosena (sugerującym wspomnianą niekompletność mechaniki kwantowej i obecność ukrytych parametrów) i stanowi jedną z głównych trudności koncepcyjnych (która jednak nie jest już uważana za paradoks) mechaniki kwantowej (przynajmniej w jej interpretacji kopenhaskiej)).
Schemat eksperymentu holenderskich naukowców
Zdjęcie: arXiv.org
Zwolennicy lokalnego realizmu twierdzą, że tylko zmienne lokalne mogą wpływać na cząstki, a korelacja między cząstkami Alicji i Boba jest przeprowadzana za pomocą jakiejś ukrytej metody, której naukowcy wciąż nie znają. Zadaniem naukowców było eksperymentalne obalenie tej możliwości, w szczególności zapobieżenie propagacji ukrytego sygnału od jednego agenta do drugiego (przy założeniu, że porusza się on z prędkością światła w próżni - maksymalną możliwą w naturze), a tym samym wykazanie, że nastąpiła zmiana stanu kwantowego drugiej cząstki. zanim utajony sygnał z pierwszej cząstki dotrze do drugiej.
W praktyce oznacza to umieszczenie Boba i Alicji w znacznej odległości od siebie (co najmniej kilkadziesiąt metrów). Zapobiega to propagacji jakiegokolwiek sygnału o zmianie stanu jednej z cząstek przed pomiarem stanu drugiej (pułapka lokalizacyjna). Tymczasem niedoskonałość wykrywania stanu kwantowego pojedynczych cząstek (zwłaszcza fotonów) pozostawia miejsce na lukę w próbkowaniu (lub detekcji). Po raz pierwszy fizykom z Delft University of Technology udało się uniknąć dwóch trudności naraz.
W eksperymencie użyliśmy pary detektorów diamentu z separatorem sygnału między nimi. Naukowcy pobrali parę nieplątanych fotonów i rozproszyli je w różnych przestrzeniach. Następnie każdy z elektronów został splątany z parą fotonów, które następnie zostały przeniesione do trzeciej przestrzeni. W trakcie eksperymentów można było zaobserwować, że zmiana stanu (spinu) jednego z elektronów wpływa na drugi. W ciągu zaledwie 220 godzin (ponad 18 dni) fizycy przetestowali nierówność Bella 245 razy. Obserwowane ilości elektronów mierzono za pomocą wiązek laserowych.
W eksperymencie udało się zmierzyć stany kwantowe cząstek oddalonych o około 1,3 kilometra i wykazać słuszność nierówności Bella (czyli słuszność teorii kwantowej i błędność koncepcji lokalnego realizmu). Wyniki tego badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature. Przewiduje się, że jego autorzy otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Położenie detektorów w holenderskim eksperymencie
Zdjęcie: arXiv.org
Zespoły ze Stanów Zjednoczonych i Austrii eksperymentowały z fotonami. Tym samym naukowcom z Narodowego Instytutu Norm i Technologii udało się pobić rekord odległości teleportacji kwantowej (transmisji stanu kwantowego układu na odległość) kablem światłowodowym, wykonując ją na odległość 102 kilometrów. W tym celu naukowcy wykorzystali cztery detektory jednofotonowe stworzone w tym samym instytucie na bazie nadprzewodzących nanoprzewodów (schłodzonych do minus 272 stopni Celsjusza) z krzemionkowego molibdenu. Tylko jeden procent fotonów przebył odległość 102 kilometrów. Poprzedni rekord odległości kwantowej teleportacji przez światłowód wynosił 25 kilometrów (dla porównania rekord odległości kwantowej teleportacji w powietrzu wynosił 144 kilometry).
Austriaccy naukowcy zastosowali wydajniejsze sensory niż amerykańskie, ale rozdzielczość czasowa w eksperymentach fizyków z USA jest znacznie wyższa. W przeciwieństwie do fizyków holenderskich, których zestaw rejestrował około jednego zdarzenia na godzinę, naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Austrii byli w stanie przeprowadzić ponad tysiąc testów na sekundę, co praktycznie wyklucza jakąkolwiek przypadkową korelację w wynikach eksperymentów.
Obecnie naukowcy starają się poprawić efektywność eksperymentów - przenoszą cząstki na coraz większe odległości i zwiększają częstotliwość pomiarów. Niestety wydłużenie kanału optycznego prowadzi do utraty frakcji wykrywanych cząstek i ponownie aktualizuje niebezpieczeństwo luki w detekcji. Naukowcy z National Institute of Standards and Technology próbują temu przeciwdziałać, używając w eksperymentach kwantowego generatora liczb losowych. W tym przypadku nie ma potrzeby przenoszenia fotonów na duże odległości, a stworzona technologia przyda się w kryptografii kwantowej.
Andrey Borisov