Napovedi kvantne mehanike je včasih težko povezati z idejami o klasičnem svetu. Medtem ko lahko položaj in zagon klasičnega delca merimo hkrati, v kvantnem primeru lahko veste le verjetnost, da lahko delček najdemo v enem ali drugem stanju. Poleg tega kvantna teorija navaja, da ob zapletanju dveh sistemov merjenje stanja enega od njih takoj vpliva na drugega. Leta 2015 so tri skupine fizikov dosegle pomemben napredek pri razumevanju narave kvantnega zapletanja in teleportacije. Fizika danes in Lenta.ru govorita o dosežkih znanstvenikov.
Albert Einstein se ni strinjal s verjetnostno razlago kvantne mehanike. V zvezi s tem je dejal, da "Bog ne igra kock" (na kar je danski fizik Niels Bohr pozneje odgovoril, da Einstein ne bo odločal, kaj bo z Bogom). Nemški znanstvenik ni sprejel negotovosti, ki je lastna mikrovalovstvu, in je menil, da je klasični determinizem pravilen. Ustvarjalec splošne teorije relativnosti je menil, da kvantna mehanika pri opisu mikrosvetov ne upošteva nekaterih skritih spremenljivk, brez katerih je kvantna teorija sama po sebi nepopolna. Znanstvenik je predlagal, da bi pri merjenju kvantnega stanja s klasično napravo iskali skrite parametre: ta postopek vključuje spremembo prvega z drugo, Einstein pa je menil, da je mogoče eksperimentirati, če take spremembe ni.
Od takrat znanstveniki poskušajo ugotoviti, ali v kvantni mehaniki obstajajo skrite spremenljivke ali je šlo za Einsteinov izum. Problem skritih spremenljivk je leta 1964 formaliziral britanski teoretični fizik John Bell. Predlagal je idejo eksperimenta, v katerem je mogoče s statistično analizo niza posebnih eksperimentov ugotoviti prisotnost katerega koli skritega parametra v sistemu. Eksperiment je bil tak. Atom je bil postavljen v zunanje polje, hkrati pa je oddajal par fotonov, ki so se razpršili v nasprotnih smereh. Naloga eksperimentatorjev je, da izvedejo več meritev smeri vrtenja fotona.
To bi omogočilo zbiranje potrebnih statističnih podatkov in z uporabo Bellovih neenakosti, ki so matematični opis prisotnosti skritih parametrov v kvantni mehaniki, preveri Einsteinovo stališče. Glavna težava je bila v praktični izvedbi eksperimenta, ki so jo kasneje fiziki uspeli reproducirati. Raziskovalci so pokazali, da v kvantni mehaniki najverjetneje ni skritih parametrov. Vmes sta v teoriji obstajali dve luknji (lokacija in odkrivanje), ki sta lahko dokazali, da je Einstein imel prav. Na splošno je vrzeli več. Poskusi iz leta 2015 so jih zaprli in potrdili, da lokalnega realizma v mikrokozmosu najverjetneje ni.
"Spooky action" med Bobom in Alice
Slika: JPL-Caltech / NASA
Govorimo o poskusih treh skupin fizikov: z Tehniške univerze Delft na Nizozemskem, Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo v ZDA in Univerze na Dunaju v Avstriji. Znanstveni poskusi niso le potrdili popolnosti kvantne mehanike in odsotnosti skritih parametrov v njej, ampak so tudi odprli nove možnosti kvantne kriptografije - metode šifriranja informacij (zaščite) z uporabo kvantnega prepletanja s pomočjo kvantnih protokolov - in privedli do oblikovanja neprekosljivih algoritmov za ustvarjanje naključna števila.
Promocijski video:
Kvantno prepletanje je pojav, v katerem kvantna stanja delcev (na primer spiranje elektrona ali polarizacija fotona), ločena z oddaljenostjo drug od drugega, ni mogoče opisati neodvisno. Postopek merjenja stanja enega delca vodi v spremembo stanja drugega. V tipičnem poskusu kvantnega zapletanja, ki sta med seboj razdeljena medsebojno delujoča sredstva - Alice in Bob, imata vsak delček (fotone ali elektrone) od para zapletenih. Merjenje delca s strani enega od povzročiteljev, na primer Alice, je v korelaciji s stanjem drugega, čeprav Alice in Bob ne vesta vnaprej o manipulacijah drug drugega.
To pomeni, da delci nekako shranjujejo informacije drug o drugem in jih ne uporabljajo, recimo, s svetlobno hitrostjo z uporabo neke temeljne interakcije, znane znanosti. Albert Einstein je to poimenoval "grozovita akcija na daljavo." Zapleteni delci kršijo načelo krajevnosti, po katerem na stanje predmeta lahko vpliva le njegovo neposredno okolje. To protislovje je povezano s paradoksom Einstein-Podolsky-Rosen (ob predpostavki, da je omenjena nepopolnost kvantne mehanike in prisotnost skritih parametrov) in predstavlja eno glavnih konceptualnih težav (ki pa ne velja več za paradoks) kvantne mehanike (vsaj v kopenhaški razlagi)).
Shema eksperimenta nizozemskih znanstvenikov
Foto: arXiv.org
Zagovorniki lokalnega realizma trdijo, da na delce lahko vplivajo le lokalne spremenljivke, povezava med delci Alice in Boba pa poteka po neki skriti metodi, ki je znanstveniki še vedno ne poznajo. Naloga znanstvenikov je bila, da to možnost eksperimentalno zavrnejo, zlasti preprečijo širjenje skritega signala iz enega sredstva na drugega (ob predpostavki, da se premika s hitrostjo svetlobe v vakuumu - največja možna v naravi) in tako pokažejo, da je prišlo do spremembe kvantnega stanja drugega delca preden bi latentni signal iz prvega delca lahko dosegel drugega.
V praksi to pomeni, da Bob in Alice postavite na precej oddaljenost drug od drugega (vsaj na deset metrov). S tem se prepreči širjenje kakršnega koli signala o spremembi stanja enega od delcev pred merjenjem stanja drugega (lokacijska loputa). Medtem nepopolnost zaznavanja kvantnega stanja posameznih delcev (zlasti fotonov) pušča prostor za vzorčenje (ali odkrivanje) vrzeli. Prvič so se fizikom na tehnološki univerzi Delft izognili dve težavi naenkrat.
V poskusu smo uporabili par diamantnih detektorjev z ločevalcem signalov med njimi. Znanstveniki so vzeli par neobpletenih fotonov in jih razpršili v različne prostore. Nato smo vsakega od elektronov zapletli s parom fotonov, ki so bili nato premaknjeni v tretji prostor. Med poskusi je bilo mogoče opaziti, da sprememba stanja (spina) enega izmed elektronov vpliva na drugega. V samo 220 urah (več kot 18 dni) so fiziki 245-krat preizkusili Bellovo neenakost. Opazovane količine elektronov smo merili z laserskimi žarki.
V eksperimentu je bilo mogoče izmeriti kvantna stanja delcev, ločenih z razdaljo približno 1,3 kilometra, in pokazati veljavnost Bellove neenakosti (to je veljavnost kvantne teorije in zmotnost koncepta lokalnega realizma). Rezultati te študije so objavljeni v reviji Nature. Njeni avtorji naj bi prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.
Položaj detektorjev v nizozemskem poskusu
Foto: arXiv.org
Ekipe iz ZDA in Avstrije so eksperimentirale s fotoni. Tako so znanstveniki z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo uspeli zrušiti rekord razdalje kvantne teleportacije (prenos kvantnega stanja sistema na daljavo) po kablu z optičnimi vlakni in ga izvajali na razdalji 102 kilometra. Za to so znanstveniki uporabili štiri enofotonske detektorje, ustvarjene na istem inštitutu na podlagi superprevodnih nanožičnikov (ohlajenih na minus 272 stopinj Celzija) iz silicijevega molibdena. Le en odstotek fotonov je prehodil razdaljo 102 kilometra. Prejšnji rekord za razdaljo kvantne teleportacije preko vlaken je bil 25 kilometrov (za primerjavo: rekord za razdaljo kvantne teleportacije po zraku je bil 144 kilometrov).
Avstrijski znanstveniki so sicer uporabljali učinkovitejše senzorje kot ameriški, vendar je časovna ločljivost v poskusih fizikov iz ZDA precej višja. Za razliko od nizozemskih fizikov, katerih nastavitev je zabeležila približno en dogodek na uro, so znanstveniki iz ZDA in Avstrije lahko izvedli več kot tisoč testov na sekundo, kar praktično odpravlja kakršno koli naključje v eksperimentalnih rezultatih.
Znanstveniki trenutno poskušajo izboljšati učinkovitost eksperimentov - prenašajo delce na vedno večje razdalje in povečujejo merilno frekvenco. Na žalost podaljševanje optičnega kanala povzroči izgubo deleža zaznanih delcev in spet sproži nevarnost odkrivanja vrzeli. Znanstveniki z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo se poskušajo zoperstaviti temu, tako da v poskusih uporabljajo generator kvantnih naključnih števil. V tem primeru ni treba prenašati fotonov na dolge razdalje, ustvarjena tehnologija pa bo uporabna pri kvantni kriptografiji.
Andrey Borisov