Nie tak dawno fizycy pokazali pierwsze wyniki misji QUESS i satelity Mozi wystrzelonego na orbitę w jej ramach, zapewniającego rekordową separację kwantowych splątanych fotonów na odległość ponad 1200 km. W przyszłości może to doprowadzić do powstania kwantowej linii komunikacyjnej między Pekinem a Europą.
Otaczający świat jest duży i różnorodny - tak różnorodny, że w niektórych skalach pojawiają się prawa, które są zupełnie nie do pomyślenia dla innych. Prawa polityki i Beatlemanii nie wynikają ze struktury atomu - ich opis wymaga własnych „formuł” i własnych zasad. Trudno sobie wyobrazić, że jabłko - makroskopijny przedmiot, którego zachowanie zwykle jest zgodne z prawami mechaniki Newtona - zabrało i zniknęło, połączyło się z innym jabłkiem, zamieniając się w ananasa. A przecież właśnie takie paradoksalne zjawiska objawiają się na poziomie cząstek elementarnych. Dowiedziawszy się, że to jabłko jest czerwone, jest mało prawdopodobne, że zmienimy kolor na zielony, znajdujący się gdzieś na orbicie. Tymczasem tak właśnie działa zjawisko splątania kwantowego i właśnie to wykazali chińscy fizycy, od których pracą rozpoczęliśmy naszą rozmowę. Spróbujmy to rozgryźćco to jest i jak może pomóc ludzkości.
Bohr, Einstein i inni
Otaczający świat jest lokalny - innymi słowy, aby jakiś odległy obiekt mógł się zmienić, musi wchodzić w interakcje z innym obiektem. Co więcej, żadna interakcja nie może rozprzestrzeniać się szybciej niż światło: to sprawia, że rzeczywistość fizyczna jest lokalna. Jabłko nie może uderzyć Newtona w głowę bez fizycznego dosięgnięcia go. Rozbłysk słoneczny nie może natychmiast wpłynąć na działanie satelitów: naładowane cząstki będą musiały pokonać odległość do Ziemi i oddziaływać z elektroniką i cząstkami atmosferycznymi. Ale w świecie kwantowym lokalność jest naruszana.
Najbardziej znanym z paradoksów świata cząstek elementarnych jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, zgodnie z którą niemożliwe jest dokładne określenie wartości obu charakterystyk „par” układu kwantowego. Położenie w przestrzeni (współrzędna) lub prędkość i kierunek ruchu (impuls), prąd lub napięcie, wielkość składowej elektrycznej lub magnetycznej pola - to wszystko są parametry „komplementarne”, a im dokładniej mierzymy jeden z nich, tym mniej pewny stanie się drugi.
Kiedyś to zasada nieoznaczoności spowodowała nieporozumienie Einsteina i jego słynny sceptyczny zarzut: „Bóg nie gra w kości”. Wydaje się jednak, że gra: wszystkie znane eksperymenty, pośrednie i bezpośrednie obserwacje i obliczenia wskazują, że zasada nieoznaczoności jest konsekwencją fundamentalnej nieokreśloności naszego świata. I znowu dochodzimy do rozbieżności między skalami i poziomami rzeczywistości: tam, gdzie istniejemy, wszystko jest całkiem pewne: jeśli rozluźnisz palce i puścisz jabłko, spadnie ono przyciągane grawitacją Ziemi. Ale na głębszym poziomie po prostu nie ma przyczyn i skutków, ale jest tylko taniec prawdopodobieństw.
Film promocyjny:
Paradoks kwantowego splątania cząstek polega na tym, że „uderzenie w głowę” może nastąpić dokładnie jednocześnie z oddzieleniem jabłka od gałęzi. Splątanie nie jest lokalne, a natychmiastowa zmiana obiektu w jednym miejscu - i bez żadnej oczywistej interakcji - zmienia obiekt całkowicie w innym. Teoretycznie możemy przenieść jedną ze splątanych cząstek przynajmniej na drugi koniec Wszechświata, ale tak czy inaczej, gdy tylko „dotkniemy” jej partnera, który pozostał na Ziemi, druga cząstka natychmiast zareaguje. Einsteinowi nie było łatwo w to uwierzyć, a jego argumentacja z Nielsem Bohrem i kolegami z „obozu” mechaniki kwantowej stała się jednym z najbardziej fascynujących tematów we współczesnej historii nauki. „Rzeczywistość jest pewna”, jak powiedziałby Einstein i jego zwolennicy, „tylko nasze modele, równania i narzędzia są niedoskonałe”. „Modele mogą być dowolne,ale sama rzeczywistość, u podstaw naszego świata, nigdy nie została w pełni określona”- sprzeciwiają się zwolennicy mechaniki kwantowej.
Sprzeciwiając się tym paradoksom, w 1935 roku Einstein wraz z Borisem Podolskim i Nathanem Rosenem sformułował własny paradoks. „W porządku” - rozumowali - powiedzmy, że niemożliwe jest ustalenie współrzędnej i pędu cząstki w tym samym czasie. Ale co, jeśli mamy dwie cząstki wspólnego pochodzenia, których stany są identyczne? Wtedy możemy zmierzyć pęd jednego, co pośrednio da nam informację o pędzie drugiego i współrzędną drugiego, co da nam znajomość współrzędnej pierwszego. Takie cząstki były konstrukcją czysto spekulatywną, eksperymentem myślowym - być może dlatego Niels Bohr (a raczej jego następcy) zdołał znaleźć przyzwoitą odpowiedź dopiero 30 lat później.
Być może pierwsze widmo paradoksów kwantowo-mechanicznych zaobserwował Heinrich Hertz, który zauważył, że jeśli elektrody iskiernika zostały oświetlone światłem ultrafioletowym, przejście iskry było zauważalnie łatwiejsze. Eksperymenty Stoletova, Thomsona i innych wielkich fizyków pozwoliły zrozumieć, że dzieje się tak dzięki temu, że materia pod wpływem promieniowania emituje elektrony. Jednak jest to zupełnie inne od tego, co sugeruje logika; na przykład energia uwolnionych elektronów nie będzie wyższa, jeśli zwiększymy intensywność promieniowania, ale wzrośnie, jeśli zmniejszymy jego częstotliwość. Zwiększając tę częstotliwość dochodzimy do granicy, po przekroczeniu której substancja nie wykazuje żadnego fotoefektu - ten poziom jest różny dla różnych substancji.
Einstein potrafił wyjaśnić te zjawiska, za co otrzymał Nagrodę Nobla. Związane są one z kwantowaniem energii - z tym, że mogą ją przenosić tylko określone „mikro-części”, kwanty. Każdy foton promieniowania niesie określoną energię, a jeśli to wystarczy, elektron atomu, który go zaabsorbował, wyleci na wolność. Energia fotonów jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, a po osiągnięciu granicy efektu fotoelektrycznego nie wystarczy już nawet przekazać elektronowi minimalną energię potrzebną do uwolnienia. Dziś zjawisko to występuje wszędzie - w postaci paneli słonecznych, których fotokomórki działają właśnie na podstawie tego efektu.
Eksperymenty, interpretacje, mistycyzm
W połowie lat sześćdziesiątych John Bell zainteresował się problemem nielokalności w mechanice kwantowej. Był w stanie zaoferować matematyczną podstawę całkowicie wykonalnego eksperymentu, który powinien zakończyć się jednym z alternatywnych wyników. Pierwszy wynik „zadziałał”, jeśli rzeczywiście naruszono zasadę lokalności, drugi - jeśli w końcu zawsze działa i trzeba poszukać innej teorii, która opisałaby świat cząstek. Już na początku lat 70. eksperymenty takie przeprowadzali Stuart Friedman i John Clauser, a następnie Alain Aspan. Mówiąc prościej, zadanie polegało na utworzeniu par splątanych fotonów i pomiarze ich spinów, jeden po drugim. Obserwacje statystyczne wykazały, że spiny nie są swobodne, ale są ze sobą skorelowane. Od tamtej pory takie eksperymenty są przeprowadzane niemal nieprzerwanie,coraz bardziej precyzyjne i doskonałe - a rezultat jest ten sam.
Należy dodać, że mechanizm wyjaśniający splątanie kwantowe jest wciąż niejasny, istnieje tylko zjawisko - a różne interpretacje dają swoje wyjaśnienia. Tak więc, w wieloświatowej interpretacji mechaniki kwantowej, splątane cząstki są jedynie projekcjami możliwych stanów pojedynczej cząstki w innych równoległych wszechświatach. W interpretacji transakcyjnej cząstki te są połączone stojącymi falami czasu. Dla „mistyków kwantowych” zjawisko splątania jest jeszcze jednym powodem do rozważenia paradoksalnej podstawy świata jako sposobu wyjaśnienia wszystkiego niezrozumiałego, od samych cząstek elementarnych po ludzką świadomość. Mistycy mogą to zrozumieć: jeśli o tym pomyślisz, konsekwencje są zawrotne.
Prosty eksperyment Clausera-Friedmana wskazuje, że lokalność świata fizycznego w skali cząstek elementarnych może zostać naruszona, a sama podstawa rzeczywistości okazuje się - ku przerażeniu Einsteina - niejasna i nieokreślona. Nie oznacza to, że interakcje lub informacje mogą być przesyłane natychmiastowo, kosztem splątania. Separacja splątanych cząstek w przestrzeni przebiega z normalną prędkością, wyniki pomiarów są przypadkowe i dopóki nie zmierzymy jednej cząstki, druga nie będzie zawierała żadnych informacji o przyszłym wyniku. Z punktu widzenia odbiorcy drugiej cząstki wynik jest całkowicie przypadkowy. Dlaczego to wszystko nas interesuje?
Jak zaplątać cząsteczki: weź kryształ o nieliniowych właściwościach optycznych - to znaczy taki, którego oddziaływanie światła zależy od intensywności tego światła. Na przykład triboran litu, beta boran baru, nioban potasu. Naświetlając go laserem o odpowiedniej długości fali, fotony o wysokiej energii promieniowania laserowego czasami rozpadają się na pary splątanych fotonów o niższej energii (zjawisko to nazywa się „spontanicznym rozpraszaniem parametrycznym”) i spolaryzowane w prostopadłych płaszczyznach. Pozostaje tylko utrzymać splątane cząstki w stanie nienaruszonym i rozłożyć je jak najdalej od siebie.
Wydaje się, że upuściliśmy jabłko, mówiąc o zasadzie niepewności? Podnieś go i rzuć o ścianę - oczywiście pęknie, bo w makrokosmosie inny paradoks mechaniki kwantowej - tunelowanie - nie działa. Podczas tunelowania cząstka jest w stanie pokonać barierę energetyczną wyższą niż jej własna energia. Analogia z jabłkiem i ścianą jest oczywiście bardzo przybliżona, ale jasna: efekt tunelowania pozwala fotonom przeniknąć do odbijającego ośrodka, a elektronom „zignorować” cienką warstwę tlenku glinu, która pokrywa przewody i jest właściwie dielektrykiem.
Nasza codzienna logika i prawa fizyki klasycznej nie mają zastosowania do paradoksów kwantowych, ale nadal działają i są szeroko stosowane w technologii. Wydaje się, że fizycy zdecydowali (tymczasowo): nawet jeśli nie wiemy jeszcze w pełni, jak to działa, już dziś można z tego czerpać korzyści. Efekt tunelowania leży u podstaw działania niektórych współczesnych mikroczipów - w postaci tunelujących diod i tranzystorów, połączeń tunelowych itp. I oczywiście nie wolno nam zapominać o skanowaniu mikroskopów tunelowych, w których tunelowanie cząstek zapewnia obserwację poszczególnych cząsteczek i atomów - a nawet manipulację przez nich.
Komunikacja, teleportacja i satelita
Rzeczywiście, wyobraźmy sobie, że mamy „splątane kwantowo” dwa jabłka: jeśli pierwsze jabłko okaże się czerwone, to drugie jest z konieczności zielone i odwrotnie. Możemy wysłać jednego z Petersburga do Moskwy, zachowując ich zdezorientowany stan, ale to wszystko. Dopiero gdy w Petersburgu jabłko zmierzy się na czerwono, drugie w Moskwie zmieni kolor na zielony. Do momentu pomiaru nie ma możliwości przewidzenia stanu jabłek, ponieważ (wszystkie te same paradoksy!) Nie mają one najbardziej określonego stanu. Jaki jest pożytek z tego splątania?.. I sens doszedł już do XXI wieku, kiedy Andrew Jordan i Aleksander Korotkow, opierając się na ideach radzieckich fizyków, znaleźli sposób, aby zmierzyć niejako „nie do końca”, a zatem ustalić stany cząstek.
Używając „słabych pomiarów kwantowych”, można niejako spojrzeć na jabłko pół oka, złapać przelotne spojrzenie, spróbować odgadnąć jego kolor. W rzeczywistości można to robić w kółko, właściwie nie patrząc na jabłko, ale dość pewnie ustal, że jest na przykład czerwone, co oznacza, że mylone z nim jabłko w Moskwie będzie zielone. Pozwala to na wielokrotne wykorzystywanie splątanych cząstek, a metody zaproponowane około 10 lat temu pozwalają na ich przechowywanie poprzez poruszanie się po kole przez nieskończenie długi czas. Pozostaje odnieść jedną z cząstek - i uzyskać niezwykle przydatny system.
Szczerze mówiąc, wydaje się, że splątane cząstki są dużo bardziej przydatne niż się powszechnie uważa, tylko nasza skromna wyobraźnia, ograniczona tą samą makroskopową skalą rzeczywistości, nie pozwala nam wymyślić dla nich realnych zastosowań. Jednak już istniejące propozycje są dość fantastyczne. W ten sposób na podstawie splątanych cząstek można zorganizować kanał dla kwantowej teleportacji, czyli całkowitego „odczytu” stanu kwantowego jednego obiektu i „zapisania” go w innym, tak jakby pierwszy został po prostu przeniesiony na odpowiednią odległość. Perspektywy kryptografii kwantowej są bardziej realistyczne, których algorytmy obiecują prawie „niezniszczalne” kanały komunikacyjne: każda ingerencja w ich pracę wpłynie na stan splątanych cząstek i zostanie natychmiast zauważona przez właściciela. Tutaj do gry wkracza chiński eksperyment QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Komputery i satelity
Problem polega na tym, że na Ziemi trudno jest stworzyć niezawodne połączenie dla splątanych cząstek, które są daleko od siebie. Nawet w najbardziej zaawansowanym światłowodzie, przez który przesyłane są fotony, sygnał stopniowo zanika, a wymagania wobec niego są tutaj szczególnie wysokie. Chińscy naukowcy obliczyli nawet, że jeśli utworzysz splątane fotony i wyślesz je w dwóch kierunkach z ramionami o długości około 600 km - w połowie odległości od centrum nauki kwantowej w Dalinghe do ośrodków w Shenzhen i Lijiang - możesz spodziewać się złapania splątanej pary za około 30 minut. tysiąc lat. Przestrzeń to inna sprawa, w której głębokiej próżni fotony przelatują na taką odległość, nie napotykając żadnych przeszkód. I wtedy na scenę wkracza eksperymentalny satelita Mozi („Mo-Tzu”).
Na statku kosmicznym zainstalowano źródło (laser i kryształ nieliniowy), które co sekundę wytwarzało kilka milionów par splątanych fotonów. Z odległości od 500 do 1700 km część z tych fotonów została wysłana do naziemnego obserwatorium w Deling w Tybecie, a druga - do Shenzhen i Lijiang w południowych Chinach. Jak można się było spodziewać, główna utrata cząstek nastąpiła w niższych warstwach atmosfery, ale jest to tylko około 10 km drogi każdej wiązki fotonów. W rezultacie kanał splątanych cząstek pokonał odległość z Tybetu na południe kraju - około 1200 km, aw listopadzie tego roku otwarto nową linię łączącą prowincję Anhui na wschodzie z centralną prowincją Hubei. Jak dotąd kanałowi brakuje niezawodności, ale to już kwestia technologii.
W najbliższej przyszłości Chińczycy planują wystrzelenie bardziej zaawansowanych satelitów do organizowania takich kanałów i obiecują, że już niedługo zobaczymy działające połączenie kwantowe między Pekinem a Brukselą, a właściwie z jednego końca kontynentu na drugi. Kolejny „niemożliwy” paradoks mechaniki kwantowej zapowiada kolejny skok technologiczny.
Sergey Vasiliev