Nu cu mult timp în urmă, fizicienii au arătat primele rezultate ale misiunii QUESS și satelitul Mozi lansat pe orbită în cadrul acesteia, oferind o separare înregistrată a fotonilor cuantivi încurcați la o distanță de peste 1200 km. În viitor, acest lucru poate duce la crearea unei linii de comunicare cuantică între Beijing și Europa.
Lumea din jur este mare și diversă - atât de diversă încât legile apar pe unele scări care sunt complet de neconceput pentru alții. Legile politicii și Beatlemania nu urmăresc în niciun fel din structura atomului - descrierea lor necesită propriile „formule” și propriile lor principii. Este dificil de imaginat că un măr - un obiect macroscopic al cărui comportament respectă de obicei legile mecanicii newtoniene - a luat și a dispărut, s-a contopit cu un alt măr, transformându-se într-o ananas. Și totuși, tocmai astfel de fenomene paradoxale se manifestă la nivelul particulelor elementare. După ce am aflat că acest măr este roșu, este puțin probabil să devenim verzi un altul, situat undeva pe orbită. Între timp, acesta este exact modul în care funcționează fenomenul de înțelegere cuantică și tocmai asta au demonstrat fizicienii chinezi, cu a căror activitate am început conversația. Să încercăm să ne dăm seamace este și cum poate ajuta umanitatea.
Bohr, Einstein și alții
Lumea din jur este locală - cu alte cuvinte, pentru ca un obiect îndepărtat să se schimbe, trebuie să interacționeze cu un alt obiect. Mai mult decât atât, nicio interacțiune nu se poate propaga mai repede decât lumina: acest lucru face ca realitatea fizică să fie locală. Un măr nu poate să-l bată pe Newton pe cap fără a-l atinge fizic. O flacără solară nu poate afecta instantaneu funcționarea sateliților: particulele încărcate vor trebui să acopere distanța până la Pământ și să interacționeze cu electronica și particulele atmosferice. Dar în lumea cuantică, localitatea este încălcată.
Cel mai cunoscut dintre paradoxurile lumii particulelor elementare este principiul incertitudinii lui Heisenberg, conform căruia este imposibil să se determine cu exactitate valoarea ambelor caracteristici „perechi” ale unui sistem cuantic. Poziția în spațiu (coordonată) sau viteza și direcția de mișcare (impuls), curent sau tensiune, mărimea componentei electrice sau magnetice a câmpului - toți aceștia sunt parametri „complementari” și cu cât măsurăm mai precis unul dintre ei, cu atât va deveni mai sigur al doilea.
A fost odată, principiul incertitudinii care a provocat neînțelegerea lui Einstein și faimoasa sa obiecție sceptică, „Dumnezeu nu joacă zaruri”. Cu toate acestea, se pare că se joacă: toate experimentele cunoscute, observațiile și calculele indirecte și directe indică faptul că principiul incertitudinii este o consecință a nedeterminării fundamentale a lumii noastre. Și din nou ajungem la o discrepanță între scalele și nivelurile realității: acolo unde existăm, totul este destul de sigur: dacă vă desfaceți degetele și eliberați mărul, acesta va cădea, atras de gravitatea Pământului. Dar la un nivel mai profund, pur și simplu nu există cauze și efecte, ci există doar un dans al probabilităților.
Video promotional:
Paradoxul stării cuantice de particule încurcate constă în faptul că „lovitura la cap” poate apărea exact simultan cu separarea mărului de ramură. Înțelegerea nu este locală și schimbarea unui obiect într-un loc instantaneu - și fără nicio interacțiune evidentă - schimbă un alt obiect în întregime în altul. Teoretic, putem transporta una dintre particulele încurcate cel puțin până la celălalt capăt al Universului, dar oricum, dacă „îl atingem” pe partenerul său, care a rămas pe Pământ, iar a doua particulă va răspunde instantaneu. Nu a fost ușor pentru Einstein să creadă acest lucru, iar argumentul său cu Niels Bohr și colegii din „tabăra” mecanicii cuantice a devenit unul dintre subiectele cele mai fascinante din istoria modernă a științei. „Realitatea este certă”, cum ar spune Einstein și susținătorii săi, „doar modelele, ecuațiile și instrumentele noastre sunt imperfecte”. „Modelele pot fi orice,dar realitatea însăși de la baza lumii noastre nu a fost niciodată complet determinată”, au obiectat adepții mecanicii cuantice.
Opus paradoxurilor sale, în 1935, Einstein, împreună cu Boris Podolsky și Nathan Rosen, și-au formulat propriul paradox. „Bine”, au argumentat ei, „să zicem că este imposibil să aflăm în același timp coordonata și impulsul unei particule. Dar dacă avem două particule de origine comună, ale căror stări sunt identice? Atunci putem măsura momentul unuia, ceea ce ne va oferi indirect informații despre momentul celuilalt și coordonata celuilalt, ceea ce va da cunoștință despre coordonata primei . Astfel de particule au fost o construcție pur speculativă, un experiment de gândire - poate de aceea Niels Bohr (sau mai bine zis, adepții săi) a reușit să găsească un răspuns decent abia 30 de ani mai târziu.
Poate că primul spectru al paradoxurilor mecanice cuantice a fost observat de Heinrich Hertz, care a observat că, dacă electrozii cu scânteie erau luminați cu lumină ultravioletă, trecerea scânteii era vizibil mai ușoară. Experimentele lui Stoletov, Thomson și alți mari fizicieni au făcut posibil să înțeleagă că acest lucru se întâmplă datorită faptului că, sub influența radiației, materia emite electroni. Cu toate acestea, acest lucru este complet diferit de ceea ce sugerează logica; de exemplu, energia electronilor eliberați nu va fi mai mare dacă creștem intensitatea radiației, dar va crește dacă îi micșorăm frecvența. Crescând această frecvență, ajungem la graniță, dincolo de care substanța nu prezintă niciun efect foto - acest nivel este diferit pentru diferite substanțe.
Einstein a fost capabil să explice aceste fenomene, pentru care a primit premiul Nobel. Ele sunt legate de cuantizarea energiei - cu faptul că ea poate fi transmisă numai de anumite „micro-porții”, quanta. Fiecare foton de radiație poartă o anumită energie și, dacă este suficientă, atunci electronul atomului care l-a absorbit va zbura în libertate. Energia fotonilor este invers proporțională cu lungimea de undă, iar atunci când se atinge limita efectului fotoelectric, nu mai este suficient chiar și pentru a oferi electronului energia minimă necesară pentru eliberare. Astăzi acest fenomen este întâlnit peste tot - sub forma panourilor solare, ale căror fotocelule funcționează exact pe baza acestui efect.
Experimente, interpretări, misticism
La mijlocul anilor 1960, John Bell s-a interesat de problema nonlocalității în mecanica cuantică. El a fost capabil să ofere o bază matematică pentru un experiment complet posibil, care ar trebui să se încheie cu unul dintre rezultatele alternative. Primul rezultat „a funcționat” dacă principiul localității este într-adevăr încălcat, al doilea - dacă, până la urmă, funcționează întotdeauna și trebuie să căutăm o altă teorie care să descrie lumea particulelor. Deja la începutul anilor ’70, astfel de experimente au fost efectuate de Stuart Friedman și John Clauser, apoi de Alain Aspan. Cu alte cuvinte, sarcina a fost de a crea perechi de fotoni încurcați și de a măsura rotirile lor, unul câte unul. Observațiile statistice au arătat că rotirile nu sunt gratuite, ci sunt corelate între ele. Astfel de experimente au fost realizate aproape continuu de atunci,din ce în ce mai precis și perfect - iar rezultatul este același.
Trebuie adăugat că mecanismul care explică înțelegerea cuantică este încă neclar, există doar un fenomen - și interpretări diferite își dau explicațiile. Astfel, în interpretarea în multe lumi a mecanicii cuantice, particulele încurcate sunt doar proiecții ale stărilor posibile ale unei singure particule în alte universuri paralele. În interpretarea tranzacțională, aceste particule sunt legate de valuri de timp în picioare. Pentru „misticii cuantici” fenomenul de înțelegere este un motiv în plus pentru a considera baza paradoxală a lumii ca o modalitate de a explica totul de neînțeles, de la particulele elementare în sine la conștiința umană. Misticile pot înțelege: dacă te gândești la asta, atunci consecințele sunt amețitoare.
Simplul experiment al lui Clauser-Friedman indică faptul că localitatea lumii fizice pe scara particulelor elementare poate fi încălcată, iar baza realității se dovedește - spre groaza lui Einstein - vagă și nedeterminată. Aceasta nu înseamnă că interacțiunea sau informațiile pot fi transmise instantaneu, în detrimentul înțelegerii. Separarea particulelor înglobate în spațiu se desfășoară cu viteză normală, rezultatele măsurării sunt aleatorii și până nu măsurăm o particulă, a doua nu va conține nicio informație despre rezultatul viitor. Din punctul de vedere al receptorului celei de-a doua particule, rezultatul este complet aleatoriu. De ce ne interesează toate acestea?
Cum să împrăștiați particulele: luați un cristal cu proprietăți optice neliniare - adică unul a cărui interacțiune de lumină cu care depinde de intensitatea acestei lumini. De exemplu, triborat de litiu, borat beta de bariu, niobat de potasiu. Iradierea acestuia cu un laser cu o lungime de undă adecvată și fotoni cu energie mare cu radiații laser se va descompune uneori în perechi de fotoni încurcați cu energie mai mică (acest fenomen se numește „împrăștiere parametrică spontană”) și polarizat în planuri perpendiculare. Tot ce mai rămâne este să păstrezi intacte particulele încurcate și să le răspândești cât mai departe.
Se pare că am aruncat mărul în timp ce vorbim despre principiul incertitudinii? Ridicați-l și aruncați-l pe perete - desigur, se va rupe, deoarece în macrocosmos nu funcționează un alt paradox mecanic cuantic - tunelarea -. În timpul tunelului, o particulă este capabilă să depășească o barieră energetică mai mare decât energia proprie. Analogia cu un măr și un perete este, desigur, foarte aproximativă, dar ilustrativă: efectul de tunel permite fotonilor să pătrundă în mediul reflector, iar electronii să „ignore” peliculă subțire de oxid de aluminiu care acoperă firele și este de fapt un dielectric.
Logica noastră de zi cu zi și legile fizicii clasice nu sunt foarte aplicabile paradoxurilor cuantice, dar funcționează și sunt utilizate pe scară largă în tehnologie. Fizicienii par să fi decis (temporar): chiar dacă nu știm încă pe deplin cum funcționează, beneficiile pot fi derivate din acest lucru deja astăzi. Efectul de tunelare stă la baza funcționării unor microcipuri moderne - sub formă de diode și tranzistoare tunel, joncțiuni de tunel, etc. Și, bineînțeles, nu trebuie să uităm de scanarea microscopelor de tunel, în care tunelarea de particule asigură observarea moleculelor și atomilor individuali - și chiar manipularea de ei.
Comunicare, teleportare și satelit
Într-adevăr, să ne imaginăm că am „împletit cuantic” două mere: dacă primul măr se dovedește a fi roșu, atunci al doilea este neapărat verde, și invers. Putem trimite unul de la Petersburg la Moscova, păstrând starea lor confuză, dar asta ar părea să fie totul. Numai când la Sankt Petersburg un măr este măsurat ca roșu, al doilea va deveni verde la Moscova. Până la momentul măsurării, nu există posibilitatea de a prezice starea mărului, deoarece (toate aceleași paradoxuri!) Nu au o stare foarte specifică. La ce folosește această înțelegere?.. Și sensul a fost găsit deja în anii 2000, când Andrew Jordan și Alexander Korotkov, bazându-se pe ideile fizicienilor sovietici, au găsit o modalitate de a măsura, așa cum s-a spus, „nu până la sfârșit”, și, prin urmare, să stabilească stările particulelor.
Folosind „măsurători cuantice slabe”, puteți, cum s-a spus, să priviți un măr cu o jumătate de ochi, surprinzând, încercând să-i ghiciți culoarea. Puteți face acest lucru de mai multe ori, de fapt, fără a privi mărul în mod corespunzător, dar destul de încrezător determinați că este, de exemplu, roșu, ceea ce înseamnă că un măr din Moscova care este confundat cu acesta va fi verde. Aceasta permite folosirea repetată a particulelor înfăptuite, iar metodele propuse acum aproximativ 10 ani le permit să fie stocate rulând într-un cerc pentru o perioadă nedeterminată de timp. Rămâne să transportați una dintre particule departe - și să obțineți un sistem extrem de util.
Sincer vorbind, se pare că beneficiile particulelor încurcate sunt mult mai mult decât se crede în mod obișnuit, doar imaginația noastră slabă, constrânsă de aceeași scară macroscopică a realității, nu ne permite să oferim aplicații reale pentru ele. Cu toate acestea, propunerile deja existente sunt destul de fantastice. Astfel, pe baza particulelor încurcate, este posibilă organizarea unui canal pentru teleportarea cuantică, „citirea” completă a stării cuantice a unui obiect și „înregistrarea” în altul, ca și cum primul ar fi fost pur și simplu transportat la distanța corespunzătoare. Perspectivele criptografiei cuantice sunt mai realiste, al căror algoritmi promit canale de comunicare aproape „de nerefuzibil”: orice interferență în activitatea lor va afecta starea particulelor încurcate și va fi observată imediat de către proprietar. Aici intră în joc experimentul chinez QESS (Experimentele cuantice la scară spațială).
Calculatoare și sateliți
Problema este că, pe Pământ, este dificil să se creeze o conexiune fiabilă pentru particulele încurcate care sunt departe. Chiar și în cea mai avansată fibră optică, prin care se transmit fotoni, semnalul se estompează treptat, iar cerințele pentru acesta sunt deosebit de mari aici. Oamenii de știință chinezi chiar au calculat că dacă creați fotoni încurcați și trimiteți-le în două direcții cu umeri de aproximativ 600 km lungime - jumătate din distanța de la centrul științei cuantice din Dalinghe până la centrele din Shenzhen și Lijiang - atunci puteți aștepta să prindeți perechea încurcată în aproximativ 30 o mie de ani. Spațiul este o altă chestiune, în vidul adânc în care fotonii zboară la o asemenea distanță, fără a întâmpina obstacole. Și apoi satelitul experimental Mozi („Mo-Tzu”) intră în scenă.
Pe nava spațială a fost instalată o sursă (laser și cristal neliniar), fiecare secundă producând câteva milioane de perechi de fotoni încurcați. De la o distanță de 500 până la 1700 km, unii dintre acești fotoni au fost trimiși la observatorul terestru din Deling în Tibet, iar al doilea - la Shenzhen și Lijiang, în sudul Chinei. După cum s-ar putea aștepta, pierderea principală de particule s-a produs în straturile inferioare ale atmosferei, dar aceasta este doar la aproximativ 10 km de calea fiecărui fascicul de fotoni. Ca urmare, canalul de particule încurcate a acoperit distanța de la Tibet până la sudul țării - aproximativ 1200 km, iar în noiembrie a acestui an a fost deschisă o nouă linie care face legătura între provincia Anhui din est și provincia centrală Hubei. Până acum, canalul nu are fiabilitate, dar aceasta este deja o problemă de tehnologie.
În viitorul apropiat, chinezii intenționează să lanseze sateliți mai avansați pentru organizarea unor astfel de canale și promit că în curând vom vedea o conexiune cuantică funcțională între Beijing și Bruxelles, de fapt, de la un capăt al continentului la celălalt. Un alt paradox „imposibil” al mecanicii cuantice promite un alt salt în tehnologie.
Serghei Vasiliev
