Previziunile mecanicii cuantice sunt uneori greu de raportat la ideile despre lumea clasică. În timp ce poziția și impulsul unei particule clasice pot fi măsurate simultan, în cazul cuantic, puteți ști doar probabilitatea de a găsi o particulă într-o stare sau alta. Mai mult decât atât, teoria cuantică afirmă că atunci când două sisteme sunt încurcate, măsurarea stării unuia dintre ele afectează instantaneu celălalt. În 2015, trei grupuri de fizicieni au înregistrat progrese semnificative în înțelegerea naturii înțelegerii cuantice și a teleportării. Physics Today și Lenta.ru vorbesc despre realizările oamenilor de știință.
Albert Einstein nu a fost de acord cu interpretarea probabilistică a mecanicii cuantice. În această legătură, el a spus că „Dumnezeu nu joacă zaruri” (la care fizicianul danez Niels Bohr a răspuns ulterior că nu este de dat lui Einstein să decidă ce să facă cu Dumnezeu). Omul de știință german nu a acceptat incertitudinea inerentă microtondei și a considerat corect determinismul clasic. Creatorul teoriei generale a relativității a crezut că, atunci când descrie microworld, mecanica cuantică nu ia în considerare unele variabile ascunse, fără de care teoria cuantică în sine este incompletă. Omul de știință a sugerat să caute parametri ascunși atunci când măsurați o stare cuantă cu un dispozitiv clasic: acest proces implică o schimbare în primul cu cel de-al doilea, iar Einstein a considerat posibil să experimenteze acolo unde nu există o astfel de schimbare.
De atunci, oamenii de știință au încercat să stabilească dacă există variabile ascunse în mecanica cuantică sau dacă a fost invenția lui Einstein. Problema variabilelor ascunse a fost oficializată în 1964 de către fizicianul teoretic britanic John Bell. El a propus ideea unui experiment în care poate fi descoperită prezența oricărui parametru ascuns în sistem prin efectuarea unei analize statistice a unei serii de experimente speciale. Experimentul a fost așa. Un atom a fost plasat într-un câmp extern, emițând simultan o pereche de fotoni, care s-au împrăștiat în direcții opuse. Sarcina experimentatorilor este de a efectua mai multe măsurători ale direcției rotirilor fotonului.
Acest lucru ar face posibilă colectarea statisticilor necesare și, folosind inegalitățile lui Bell, care sunt o descriere matematică a prezenței parametrilor ascunși în mecanica cuantică, verificați punctul de vedere al lui Einstein. Principala dificultate constă în implementarea practică a experimentului, pe care ulterior fizicienii au reușit să o reproducă. Cercetătorii au arătat că nu există parametri ascunși în mecanica cuantică. Între timp, în teorie au existat două lacune (localizare și detectare) care ar putea dovedi că Einstein are dreptate. În general, există mai multe lacune. Experimentele din 2015 le-au închis și au confirmat că nu există realism local în microcosmos.
„Acțiune înspăimântătoare” între Bob și Alice
Imagine: JPL-Caltech / NASA
Vorbim despre experimentele a trei grupuri de fizicieni: de la Universitatea Tehnică Delft din Olanda, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA și Universitatea din Viena din Austria. Experimentele oamenilor de știință nu numai că au confirmat completitudinea mecanicii cuantice și absența parametrilor ascunși în ea, dar au deschis, de asemenea, noi posibilități de criptografie cuantică - o metodă de criptare a informațiilor (protejarea acesteia) folosind o înțelegere cuantică folosind protocoale cuantice - și au dus la crearea de algoritmi încă neîntrerupți pentru generarea numere aleatorii.
Video promotional:
Încordarea cuantică este un fenomen în care stările cuantice ale particulelor (de exemplu, rotirea unui electron sau polarizarea unui foton), separate la o distanță una de cealaltă, nu pot fi descrise independent. Procedura de măsurare a stării unei particule duce la schimbarea stării alteia. Într-un experiment tipic de legătură cuantică, agenții care interacționează distanțați - Alice și Bob - fiecare posedă câte o particulă (fotoni sau electroni) dintr-o pereche de cele încurcate. Măsurarea unei particule de către unul dintre agenți, de exemplu, Alice, se corelează cu starea celuilalt, deși Alice și Bob nu știu dinainte despre manipulările celuilalt.
Aceasta înseamnă că particulele stochează cumva informații unele despre altele și nu o schimbă, să zicem, la viteza luminii folosind o interacțiune fundamentală cunoscută științei. Albert Einstein a numit-o „acțiune înspăimântătoare la distanță”. Particulele încurcate încalcă principiul localității, potrivit căruia starea unui obiect nu poate fi influențată decât de mediul său imediat. Această contradicție este asociată cu paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen (presupunând incompletitudinea menționată mai sus a mecanicii cuantice și prezența parametrilor ascunși) și constituie una dintre principalele dificultăți conceptuale (care, cu toate acestea, nu mai este considerată un paradox) a mecanicii cuantice (cel puțin în interpretarea sa de la Copenhaga).
Schema experimentului oamenilor de știință olandezi
Foto: arXiv.org
Proponenții realismului local susțin că numai variabilele locale pot afecta particulele, iar corelația dintre particulele lui Alice și Bob este realizată folosind o metodă ascunsă pe care oamenii de știință încă nu o cunosc. Sarcina oamenilor de știință a fost să respingă această posibilitate experimental, în special, pentru a preveni propagarea unui semnal ascuns de la un agent la altul (presupunând că se mișcă cu viteza luminii în vid - maximul posibil în natură) și, astfel, să arate că a avut loc o schimbare a stării cuantice a celei de-a doua particule. înainte ca semnalul latent din prima particulă să poată ajunge la a doua.
În practică, aceasta înseamnă a-i plasa pe Bob și Alice la o distanță considerabilă unul de celălalt (cel puțin zeci de metri). Acest lucru împiedică propagarea oricărui semnal despre o schimbare a stării uneia dintre particule înainte de a măsura starea celuilalt (capcana de localizare). Între timp, imperfecțiunea detectării stării cuantice a particulelor individuale (în special fotoni) lasă loc unei lacune de prelevare (sau de detectare). Pentru prima dată, fizicienii de la Universitatea de Tehnologie Delft au reușit să evite două dificultăți simultan.
În experiment, am folosit o pereche de detectoare de diamante cu un separator de semnal între ele. Oamenii de știință au luat o pereche de fotoni neîncurcați și i-au împrăștiat în diferite spații. Apoi, fiecare dintre electroni a fost încurcat cu o pereche de fotoni, care au fost apoi mutați în al treilea spațiu. Pe parcursul experimentelor, s-a putut observa că o schimbare a stării (spinului) unuia dintre electroni l-a afectat pe celălalt. În doar 220 de ore (peste 18 zile), fizicienii au testat inegalitatea lui Bell de 245 de ori. Cantitățile observate de electroni au fost măsurate folosind raze laser.
În experiment, a fost posibilă măsurarea stărilor cuantice a particulelor separate de o distanță de aproximativ 1,3 kilometri și să se arate validitatea inegalității lui Bell (adică validitatea teoriei cuantice și falimentul conceptului de realism local). Rezultatele acestui studiu sunt publicate în revista Nature. Se prevede că autorii săi vor avea un premiu Nobel în fizică.
Poziția detectoarelor în experimentul olandez
Foto: arXiv.org
Echipele din Statele Unite și Austria au experimentat fotoni. Astfel, oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie au reușit să bată recordul pentru distanța teleportării cuantice (transmiterea stării cuantice a unui sistem pe distanță) pe un cablu cu fibră optică, realizându-l la o distanță de 102 kilometri. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au folosit patru detectoare monofonice create în același institut pe baza nanoanelor superconductoare (răcite până la minus 272 grade Celsius), fabricate din molibden silicios. Doar un procent din fotoni au parcurs o distanță de 102 kilometri. Înregistrarea anterioară pentru distanța teleportării cuantice peste fibră a fost de 25 de kilometri (pentru comparație: recordul pentru distanța teleportării cuantice în aer a fost de 144 de kilometri).
Oamenii de știință austrieci au folosit senzori mai eficienți decât cei americani, dar rezoluția temporală în experimentele fizicienilor din SUA este mult mai mare. Spre deosebire de fizicienii olandezi, a căror instalare a înregistrat aproximativ un eveniment pe oră, oamenii de știință din Statele Unite și Austria au fost capabili să efectueze mai mult de o mie de teste pe secundă, ceea ce elimină practic orice corelație a șanselor în rezultatele experimentale.
Oamenii de știință încearcă în prezent să îmbunătățească eficiența experimentelor - transportă particule la distanțe tot mai mari și cresc frecvența de măsurare. Din păcate, prelungirea canalului optic duce la pierderea fracției de particule detectate și actualizează din nou pericolul unei lacune de detectare. Oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie încearcă să combată acest lucru folosind un generator cuantic de numere aleatoare în experimente. În acest caz, nu este nevoie să transportați fotoni pe distanțe lungi, iar tehnologia creată va fi utilă în criptografia cuantică.
Andrey Borisov
