Není to tak dávno, fyzikové ukázali první výsledky mise QUESS a moziský satelit vypuštěný na oběžné dráze v rámci svého rámce, poskytující záznamovou separaci kvantově zapletených fotonů ve vzdálenosti více než 1200 km. V budoucnu to může vést k vytvoření kvantové komunikační linky mezi Pekingem a Evropou.
Svět kolem je velký a různorodý - tak rozmanitý, že zákony se objevují na některých stupnicích, které jsou pro ostatní zcela nemyslitelné. Zákony politiky a Beatlemania nijak nevyplývají ze struktury atomu - jejich popis vyžaduje jejich vlastní „vzorce“a jejich vlastní principy. Je těžké si představit, že jablko - makroskopický objekt, jehož chování se obvykle řídí zákony newtonské mechaniky - vzalo a zmizelo, sloučilo se s jiným jablkem a proměnilo se v ananas. A přesto se právě takové paradoxní jevy projevují na úrovni elementárních částic. Když jsme se dozvěděli, že toto jablko je červené, je nepravděpodobné, že zase zezelíme další, které se nachází někde na oběžné dráze. Mezitím přesně funguje fenomén kvantového zapletení a přesně to ukázali čínští fyzici, s jejichž prací jsme zahájili rozhovor. Zkusme na to přijítco to je a jak může pomoci lidstvu.
Bohr, Einstein a další
Svět kolem je lokální - jinými slovy, aby se nějaký vzdálený objekt změnil, musí interagovat s jiným objektem. Kromě toho se žádná interakce nemůže šířit rychleji než světlo: díky tomu je fyzická realita lokální. Jablko nemůže Newtona plácnout Newtonovi do hlavy, aniž by ho fyzicky dosáhlo. Sluneční erupce nemůže okamžitě ovlivnit provoz satelitů: nabité částice budou muset překonat vzdálenost k Zemi a interagovat s elektronikou a atmosférickými částicemi. Ale v kvantovém světě je lokalita narušena.
Nejslavnější z paradoxů světa elementárních částic je Heisenbergův princip nejistoty, podle kterého je nemožné přesně určit hodnotu obou „párových“charakteristik kvantového systému. Pozice v prostoru (souřadnice) nebo rychlost a směr pohybu (impuls), proud nebo napětí, hodnota elektrické nebo magnetické složky pole - to vše jsou „komplementární“parametry, a čím přesněji měříme jeden z nich, tím méně se stane druhý.
Kdysi dávno to byl Einsteinův nedorozumění a jeho slavná skeptická námitka, „Bůh nehraje kostkami“, byl to princip nejistoty. Zdá se však, že hraje: všechny známé experimenty, nepřímé a přímé pozorování a výpočty naznačují, že princip nejistoty je důsledkem fundamentální neurčitosti našeho světa. A znovu se dostáváme k rozporu mezi měřítky a úrovněmi reality: tam, kde existujeme, je vše zcela jisté: pokud uvolníte prsty a uvolníte jablko, spadne, přitahuje ho gravitace Země. Ale na hlubší úrovni prostě neexistují žádné příčiny a následky a existuje pouze tanec pravděpodobností.
Propagační video:
Paradox kvantového zamotaného stavu částic spočívá v tom, že „úder do hlavy“může nastat přesně současně se separací jablka od větve. Zapletení není lokální a změna objektu na jednom místě okamžitě - a bez jakékoli zřejmé interakce - změní jiný objekt úplně na jiném. Teoreticky můžeme nést jednu ze zapletených částic alespoň na druhý konec vesmíru, ale stejně, jakmile se „dotkneme“svého partnera, který zůstal na Zemi, a druhá částice bude okamžitě reagovat. Pro Einsteina to nebylo snadné tomu uvěřit a jeho argument s Nielsem Bohrem a kolegy z „tábora“kvantové mechaniky se stal jedním z nejvíce fascinujících předmětů v moderní historii vědy. „Realita je jistá,“jak řekl Einstein a jeho stoupenci, „pouze naše modely, rovnice a nástroje jsou nedokonalé.“ Modely mohou být cokoli,ale realita sama o sobě na základně našeho světa nebyla nikdy zcela předurčena, “namítali přívrženci kvantové mechaniky.
Proti jeho paradoxům formuloval Einstein v roce 1935 spolu s Borisem Podolským a Nathanem Rosenem svůj vlastní paradox. "Dobře," uvažovali, "řekněme, že je nemožné zjistit souřadnici a hybnost částice současně." Ale co když máme dvě částice společného původu, jejichž stavy jsou identické? Pak můžeme změřit hybnost jednoho, což nám poskytne nepřímo informace o hybnosti druhého, a souřadnici druhého, která poskytne znalosti o souřadnici prvního. ““Takové částice byly čistě spekulativní konstrukcí, myšlenkovým experimentem - snad proto proto Niels Bohr (nebo spíše jeho následovníci) dokázal najít slušnou odpověď teprve o 30 let později.
Možná první přízrak kvantově-mechanických paradoxů pozoroval Heinrich Hertz, který si všiml, že pokud by byly elektrody jiskrové mezery osvětleny ultrafialovým světlem, průchod jiskry byl znatelně snazší. Experimenty Stoletova, Thomsona a dalších velkých fyziků umožnily pochopit, že k tomu dochází díky skutečnosti, že hmota emituje elektrony pod vlivem záření. To se však zcela liší od toho, co naznačuje logika; například energie uvolněných elektronů nebude vyšší, pokud zvýšíme intenzitu záření, ale zvýší se, pokud snížíme její frekvenci. Zvýšením této frekvence se dostáváme na hranici, za kterou látka nevykazuje žádný fotoefekt - tato úroveň se u různých látek liší.
Einstein dokázal vysvětlit tyto jevy, za které získal Nobelovu cenu. Jsou spojeny s kvantováním energie - se skutečností, že ji lze přenášet pouze určitými „mikročásticemi“, quanta. Každý foton záření nese určitou energii, a je-li to dostačující, pak elektron atomu, který jej absorboval, vyletí na svobodu. Energie fotonů je nepřímo úměrná vlnové délce, a když je dosaženo hranice fotoelektrického jevu, už nestačí ani propůjčit elektronu minimální energii potřebnou pro uvolnění. Dnes se s tímto jevem setkáváme všude - ve formě solárních panelů, jejichž fotobuňky fungují přesně na základě tohoto efektu.
Experimenty, interpretace, mystika
V polovině šedesátých let se John Bell začal zajímat o problém nlokality v kvantové mechanice. Dokázal nabídnout matematický základ pro zcela proveditelný experiment, který by měl skončit jedním z alternativních výsledků. První výsledek „fungoval“, pokud je princip lokality skutečně porušen, druhý - pokud však vždy funguje a musíme hledat nějakou jinou teorii, která popíše svět částic. Již na počátku 70. let tyto experimenty provedli Stuart Friedman a John Clauser a poté Alain Aspan. Jednoduše řečeno, úkolem bylo vytvořit dvojice zapletených fotonů a změřit jejich otočení, jeden po druhém. Statistická pozorování ukázala, že otočení nejsou volná, ale jsou ve vzájemném vztahu. Tyto experimenty se od té doby prováděly téměř nepřetržitě,přesnější a dokonalejší - a výsledek je stejný.
Je třeba dodat, že mechanismus vysvětlující kvantové zapletení je stále nejasný, existuje pouze jev - a různé interpretace poskytují jejich vysvětlení. V mnohočetné interpretaci kvantové mechaniky jsou tedy zamotané částice pouze projekcemi možných stavů jedné částice v jiných paralelních vesmírech. V transakční interpretaci jsou tyto částice spojeny stojatými vlnami času. Pro „kvantovou mystiku“je fenomén zapletení ještě jeden důvod, proč považovat paradoxní základ světa za způsob, jak vysvětlit vše nepochopitelné, od samotných elementárních částic po lidské vědomí. Mystici to pochopí: pokud o tom přemýšlíte, následky jsou závratě.
Jednoduchý experiment s Clauserem-Friedmanem naznačuje, že je možné narušit lokalitu fyzického světa na stupnici elementárních částic a že samotný základ reality se ukazuje - k Einsteinově hrůze - neurčitý a neurčitý. To neznamená, že interakce nebo informace mohou být přenášeny okamžitě na úkor zapletení. Oddělení spletených částic v prostoru probíhá normální rychlostí, výsledky měření jsou náhodné a dokud nezměříme jednu částici, druhá nebude obsahovat žádné informace o budoucím výsledku. Z pohledu příjemce druhé částice je výsledek zcela náhodný. Proč nás to všechno zajímá?
Jak zamotat částice: Vezměte krystal s nelineárními optickými vlastnostmi - to je ten, jehož interakce světla, se kterou závisí na intenzitě tohoto světla. Například triborát lithný, beta boritan barnatý, niobát draselný. Ozáření laserem o vhodné vlnové délce a vysokoenergetických fotonů laserového záření se někdy rozpadne na dvojice zapletených fotonů nižší energie (tento jev se nazývá „spontánní parametrický rozptyl“) a polarizuje se v kolmých rovinách. Zbývá pouze udržet nezměněné částice neporušené a rozprostřít je co nejdále od sebe.
Zdá se, že jsme upustili jablko, když jsme mluvili o principu nejistoty? Zvedněte ji a hodte ji na zeď - samozřejmě se to zlomí, protože v makrokosmu nefunguje další kvantový mechanický paradox - tunelování. Během tunelování je částice schopna překonat energetickou bariéru vyšší než vlastní energie. Analogie s jablkem a stěnou je samozřejmě velmi přibližná, ale ilustrativní: tunelovací efekt umožňuje fotonům proniknout do odrazového média a elektrony „ignorují“tenký film oxidu hlinitého, který zakrývá dráty a je ve skutečnosti dielektrikum.
Naše každodenní logika a zákony klasické fyziky nejsou příliš aplikovatelné na kvantové paradoxy, ale stále fungují a jsou široce využívány v technologii. Zdá se, že se fyzici (dočasně) rozhodli: i když ještě plně nevíme, jak to funguje, výhody z toho mohou být odvozeny již dnes. Tunelovací efekt podporuje fungování některých moderních mikročipů - ve formě tunelových diod a tranzistorů, tunelových uzlů atd. A samozřejmě nesmíme zapomenout na skenovací tunelové mikroskopy, ve kterých tunelování částic poskytuje pozorování jednotlivých molekul a atomů - a dokonce i manipulaci od nich.
Komunikace, teleportace a satelit
Opravdu si představme, že jsme „kvantově zapletli“dvě jablka: pokud se ukáže, že první jablko je červené, pak je druhé nevyhnutelně zelené a naopak. Můžeme poslat jeden z Petrohradu do Moskvy, udržet jejich zmatený stav, ale zdálo by se to všechno. Pouze v Petrohradě se jablko změří na červené, druhé se v Moskvě změní na zelené. Až do okamžiku měření není možné předpovědět stav jablka, protože (všechny stejné paradoxy!) Nemají nejpřesnější stav. Jaké je použití tohoto zapletení?.. A smysl byl nalezen již ve dvacátých letech, kdy Andrew Jordan a Alexander Korotkov, spoléhající se na myšlenky sovětských fyziků, našli způsob, jak měřit, jak to bylo, „ne do konce“, a proto opravit stavy částic.
Pomocí „slabých kvantových měření“můžete, jak to bylo, podívat se na jablko s půlkem oka, zachytit letmý pohled a pokusit se uhádnout jeho barvu. Můžete to dělat znovu a znovu, aniž byste se na jablko skutečně podívali správně, ale s jistotou rozhodněte, že je to například červené, což znamená, že jablko v Moskvě, které je s ním zaměněno, bude zelené. To umožňuje, aby se zamotané částice používaly znovu a znovu a metody navržené asi před 10 lety umožňují jejich skladování v kruhu po neomezenou dlouhou dobu. Zbývá nést jednu z částic pryč - a získat velmi užitečný systém.
Upřímně řečeno, zdá se, že výhody zapletených částic jsou mnohem více, než se běžně předpokládá, pouze naše skromná představivost, omezená stejnou makroskopickou škálou reality, nám neumožňuje přijít s nimi skutečné aplikace. Již existující návrhy jsou však celkem fantastické. Tedy na základě zapletených částic je možné uspořádat kanál pro kvantovou teleportaci, úplné „čtení“kvantového stavu jednoho objektu a „zaznamenání“do jiného, jako by ten první byl jednoduše přenesen do vhodné vzdálenosti. Vyhlídky na kvantovou kryptografii jsou realističtější, jejichž algoritmy slibují téměř „nerozbitné“komunikační kanály: jakékoli rušení v jejich práci ovlivní stav zapletených částic a majitel je okamžitě zaznamená. Zde přichází do hry čínský experiment QESS (kvantové experimenty ve vesmírné stupnici).
Počítače a satelity
Problém je v tom, že na Zemi je obtížné vytvořit spolehlivé spojení pro zapletené částice, které jsou daleko od sebe. I v nejmodernějších optických vláknech, kterými se fotony přenášejí, se signál postupně rozkládá a požadavky na něj jsou zde zvláště vysoké. Čínští vědci dokonce vypočítali, že pokud vytvoříte zapletené fotony a pošlete je ve dvou směrech s rameny asi 600 km tisíc let. Vesmír je další záležitost, v jejímž hlubokém vakuu fotony létají v takové vzdálenosti, aniž by narazily na překážky. A pak experimentální satelit Mozi ("Mo-Tzu") vstoupí na scénu.
Na kosmickou loď byl nainstalován zdroj (laser a nelineární krystal), přičemž každá sekunda produkovala několik milionů párů zapletených fotonů. Ze vzdálenosti 500 až 1700 km byly některé z těchto fotonů poslány na pozemní observatoř v Dalinghe v Tibetu a druhé do Shenzhenu a Lijiang v jižní Číně. Jak se dalo očekávat, k hlavní ztrátě částic došlo ve spodních vrstvách atmosféry, ale to je jen asi 10 km cesty každého fotonového paprsku. V důsledku toho kanál spletených částic pokrýval vzdálenost od Tibetu na jih země - asi 1200 km, av listopadu letošního roku byla otevřena nová linie, která spojuje provincii Anhui na východě s centrální provincií Hubei. Kanálu zatím chybí spolehlivost, ale to už je věcí technologie.
V blízké budoucnosti Číňané plánují vypustit pokročilejší satelity pro organizování takových kanálů a slibují, že brzy uvidíme fungující kvantové spojení mezi Pekingem a Bruselem, ve skutečnosti z jednoho konce kontinentu na druhý. Další „nemožný“paradox kvantové mechaniky slibuje další skok v technologii.
Sergey Vasiliev