Předpovědi kvantové mechaniky je někdy obtížné spojit s představami o klasickém světě. Zatímco polohu a hybnost klasické částice lze měřit současně, v kvantovém případě můžete znát pouze pravděpodobnost nalezení částice v jednom nebo druhém stavu. Kvantová teorie navíc uvádí, že když jsou zapleteny dva systémy, měření stavu jednoho z nich okamžitě ovlivní druhý. V roce 2015 dosáhly tři skupiny fyziků výrazného pokroku v porozumění podstaty kvantového zapletení a teleportace. Physics Today a Lenta.ru hovoří o úspěších vědců.
Albert Einstein nesouhlasil s pravděpodobnostní interpretací kvantové mechaniky. V této souvislosti řekl, že „Bůh nehraje na kostky“(na což dánský fyzik Niels Bohr později odpověděl, že není na Einsteinovi, aby rozhodl, co dělat s Bohem). Německý vědec nepřijal nejistotu vlastní mikrosvětu a klasický determinismus považoval za správný. Tvůrce obecné teorie relativity věřil, že při popisu mikrosvěta kvantová mechanika nebere v úvahu některé skryté proměnné, bez kterých není kvantová teorie sama o sobě neúplná. Vědec navrhl hledat skryté parametry při měření kvantového stavu klasickým nástrojem: tento proces zahrnuje změnu prvního za druhým a Einstein považoval za možné experimentovat tam, kde taková změna neexistuje.
Od té doby se vědci pokoušejí zjistit, zda v kvantové mechanice existují skryté proměnné nebo to byl Einsteinův vynález. Problém skrytých proměnných formalizoval v roce 1964 britský teoretický fyzik John Bell. Navrhl myšlenku experimentu, ve kterém lze zjistit přítomnost jakéhokoli skrytého parametru v systému pomocí statistické analýzy řady speciálních experimentů. Experiment byl takový. Atom byl umístěn do vnějšího pole a současně emitoval pár fotonů, které se rozptýlily v opačných směrech. Úkolem experimentátorů je provádět více měření směru otáčení fotonů.
To by umožnilo shromáždit potřebné statistiky a pomocí Bellových nerovností, které jsou matematickým popisem přítomnosti skrytých parametrů v kvantové mechanice, zkontrolovat Einsteinův pohled. Hlavní obtíž spočívala v praktické realizaci experimentu, který se později fyzikům podařilo reprodukovat. Vědci ukázali, že v kvantové mechanice s největší pravděpodobností neexistují žádné skryté parametry. Mezitím byly teoreticky dvě mezery (umístění a detekce), které by mohly prokázat, že Einstein měl pravdu. Obecně existuje více mezer. Experimenty z roku 2015 je ukončily a potvrdily, že v mikrokosmu pravděpodobně neexistuje místní realismus.
"Strašidelná akce" mezi Bobem a Alice
Obrázek: JPL-Caltech / NASA
Mluvíme o experimentech tří skupin fyziků: z Delftské technické univerzity v Nizozemsku, Národního institutu pro standardy a technologie v USA a vídeňské univerzity v Rakousku. Experimenty vědců nejen potvrdily úplnost kvantové mechaniky a absenci skrytých parametrů v ní, ale také otevřely nové možnosti kvantové kryptografie - metodu šifrování informací (jejich ochranu) pomocí kvantového zapletení pomocí kvantových protokolů - a vedly k vytvoření nerozbitných algoritmů pro generování náhodná čísla.
Propagační video:
Kvantové zapletení je jev, ve kterém kvantové stavy částic (například spin elektronu nebo polarizace fotonu), oddělené vzdáleností od sebe navzájem, nemohou být popsány samostatně. Postup měření stavu jedné částice vede ke změně stavu druhé částice. V typickém experimentu s kvantovým zapletením mají vzájemně interagující látky - Alice a Bob - každá částici (fotony nebo elektrony) z dvojice zapletených. Měření částice jedním z agentů, například Alice, koreluje se stavem druhého, ačkoli Alice a Bob nevědí předem o vzájemných manipulacích.
To znamená, že částice nějak ukládají informace o sobě a nevyměňují si je, řekněme, při rychlosti světla pomocí nějaké základní interakce známé vědě. Albert Einstein to nazval „strašidelnou akcí na dálku“. Zamotané částice porušují princip lokality, podle kterého může být stav objektu ovlivněn pouze jeho bezprostředním prostředím. Tento rozpor je spojen s paradoxem Einstein-Podolsky-Rosen (za předpokladu výše zmíněné neúplnosti kvantové mechaniky a přítomností skrytých parametrů) a představuje jednu z hlavních koncepčních obtíží (která však již není považována za paradoxní) kvantové mechaniky (alespoň ve své kodaňské interpretaci)).
Schéma experimentu nizozemských vědců
Foto: arXiv.org
Zastánci lokálního realismu tvrdí, že pouze lokální proměnné mohou ovlivnit částice a korelace mezi Alice a Bobovými částicemi je prováděna pomocí nějaké skryté metody, kterou vědci stále nevědí. Úkolem vědců bylo experimentálně vyvrátit tuto možnost, zejména zabránit šíření skrytého signálu z jednoho agenta na druhého (za předpokladu, že se pohybuje rychlostí světla ve vakuu - maximum možné v přírodě), a tak ukázat, že došlo ke změně kvantového stavu druhé částice. dříve, než by latentní signál z první částice dosáhl druhé.
V praxi to znamená umístit Boba a Alice do značné vzdálenosti od sebe (nejméně desítky metrů). To zabraňuje šíření jakéhokoli signálu o změně stavu jedné z částic před změřením stavu druhé (lokalizační past). Mezitím nedokonalost detekce kvantového stavu jednotlivých částic (zejména fotonů) ponechává prostor pro vzorkovací (nebo detekční) mezeru. Fyzikům na Delft University of Technology se poprvé podařilo vyhnout dvěma obtížím najednou.
V experimentu jsme použili pár diamantových detektorů se separátorem signálu mezi nimi. Vědci vzali dvojici nespletených fotonů a rozptýlili je do různých prostor. Pak byl každý z elektronů zamotán párem fotonů, které byly poté přesunuty do třetího prostoru. V průběhu experimentů bylo možné pozorovat, že změna stavu (spinu) jednoho z elektronů ovlivnila druhý. Během pouhých 220 hodin (více než 18 dní) fyzikové testovali Bellovu nerovnost 245krát. Pozorovaná množství elektronů byla měřena pomocí laserových paprsků.
Experiment byl schopen měřit kvantové stavy částic oddělených vzdáleností asi 1,3 km a ukázat platnost Bellovy nerovnosti (tj. Platnost kvantové teorie a klam konceptu místního realismu). Výsledky této studie jsou publikovány v časopise Nature. Předpokládá se, že její autoři mají Nobelovu cenu za fyziku.
Pozice detektorů v holandském experimentu
Foto: arXiv.org
Týmy ze Spojených států a Rakouska experimentovaly s fotony. Vědci z Národního institutu pro standardy a technologie tak dokázali překonat rekord vzdálenosti kvantového teleportace (přenos kvantového stavu systému na dálku) přes kabel z optických vláken a provést jej ve vzdálenosti 102 kilometrů. K tomu vědci použili čtyři jednofotonové detektory vytvořené ve stejném ústavu na základě supravodivých nanočástic (ochlazených na minus 272 stupňů Celsia) vyrobených z křemičitého molybdenu. Pouze jedno procento fotonů ušlo vzdálenost 102 kilometrů. Předchozí záznam pro vzdálenost kvantové teleportace přes vlákno byl 25 kilometrů (pro srovnání: záznam pro vzdálenost kvantové teleportace přes vzduch byl 144 kilometrů).
Rakouské vědce používaly účinnější senzory než americké, ale časové rozlišení v experimentech fyziků z USA je mnohem vyšší. Na rozdíl od nizozemských fyziků, jejichž nastavení bylo zaznamenáno přibližně za jednu událost za hodinu, byli vědci ze Spojených států a Rakouska schopni provádět více než tisíc testů za sekundu, což prakticky vylučuje jakoukoli náhodnou korelaci experimentálních výsledků.
Vědci se v současné době snaží zlepšit účinnost experimentů - nesou částice na stále větší vzdálenosti a zvyšují frekvenci měření. Prodloužení optického kanálu bohužel vede ke ztrátě frakce detekovaných částic a opět aktualizuje nebezpečí detekce mezery. Vědci z Národního institutu pro standardy a technologie se proti tomu snaží bojovat pomocí kvantového generátoru náhodných čísel v experimentech. V tomto případě není třeba přenášet fotony na velké vzdálenosti a vytvořená technologie bude užitečná v kvantové kryptografii.
Andrey Borisov