Nedolgo nazaj so fiziki pokazali prve rezultate misije QUESS in satelit Mozi je izstopil v orbito v njegovem okviru in tako zagotovil rekordno ločitev kvantno zapletenih fotonov na razdalji več kot 1200 km. V prihodnosti bo to lahko pripeljalo do vzpostavitve kvantne komunikacijske linije med Pekingom in Evropo.
Svet okoli je velik in raznolik - tako raznolik, da se zakoni pojavljajo na nekaterih lestvicah, ki so za druge povsem nepredstavljive. Zakoni politike in beatlemanije nikakor ne izhajajo iz strukture atoma - njihov opis zahteva lastne "formule" in lastna načela. Težko si je predstavljati, da se je jabolko - makroskopski predmet, katerega vedenje običajno sledi zakonom newtonske mehanike - vzel in izginil, združil z drugim jabolkom in se spremenil v ananas. In vendar se ravno takšni paradoksalni pojavi manifestirajo na ravni elementarnih delcev. Ko smo izvedeli, da je to jabolko rdeče, je malo verjetno, da bomo obarvali drugo, ki se nahaja nekje v orbiti. Medtem prav to deluje pojav kvantnega zapletanja in prav to so dokazali kitajski fiziki, s čijim delom smo začeli pogovor. Poskusimo to ugotovitikaj je to in kako lahko pomaga človeštvu.
Bohr, Einstein in drugi
Svet okoli je lokalni - z drugimi besedami, da se lahko nek oddaljeni predmet spremeni, mora vzajemno delovati z drugim objektom. Poleg tega nobena interakcija ne more širiti hitreje kot svetloba: zaradi tega je fizična resničnost lokalna. Jabolko ne more udariti Newtona po glavi, ne da bi ga fizično poseglo. Sončni žarki ne morejo takoj vplivati na delovanje satelitov: nabiti delci bodo morali premostiti razdaljo do Zemlje in vplivati na elektroniko in atmosferske delce. Toda v kvantnem svetu je lokalnost kršena.
Najbolj znano med paradoksi sveta elementarnih delcev je Heisenbergovo načelo negotovosti, po katerem je nemogoče natančno določiti vrednost obeh "parnih" značilnosti kvantnega sistema. Položaj v prostoru (koordinata) ali hitrost in smer gibanja (impulz), tok ali napetost, velikost električne ali magnetne komponente polja - vse to so "komplementarni" parametri in bolj natančno bomo merili enega od njih, manj določen bo postal drugi.
Nekoč je načelo negotovosti povzročilo Einsteinovo nerazumevanje in njegov znameniti skeptični ugovor: "Bog ne igra kock." Vendar se zdi, da se igra: vsi znani poskusi, posredna in neposredna opazovanja in izračuni kažejo, da je načelo negotovosti posledica temeljne nedoločljivosti našega sveta. In spet smo prišli do neskladja med lestvicami in ravnmi resničnosti: tam, kjer obstajamo, je vse povsem gotovo: če boste odklenili prste in izpustili jabolko, bo padlo, pritegnila ga bo gravitacija Zemlje. Toda na globlji ravni preprosto ni vzrokov in posledic, obstaja samo ples verjetnosti.
Promocijski video:
Paradoks kvantno zapletenega stanja delcev je v tem, da se "udarec v glavo" lahko zgodi točno istočasno z ločitvijo jabolka od veje. Zapletanje ni lokalno in s spreminjanjem predmeta na enem mestu v trenutku - in brez očitne interakcije - drug predmet popolnoma spremeni v drugega. Teoretično lahko enega od zapletenih delcev prenesemo vsaj na drug konec vesolja, a vseeno, če se "dotaknemo" njegovega partnerja, ki je ostal na Zemlji, in drugi delček se bo takoj odzval. Einsteinu v to ni bilo enostavno verjeti, zato je njegov prepir z Nielsom Bohrom in sodelavci iz "tabora" kvantne mehanike postal eden najbolj fascinantnih predmetov v sodobni zgodovini znanosti. "Resničnost je gotova," kot bi rekli Einstein in njegovi podporniki, "samo naši modeli, enačbe in orodja so nepopolni." "Modeli so lahko karkoli,toda resničnost na dnu našega sveta ni bila nikoli popolnoma določena, «so nasprotovali privrženci kvantne mehanike.
Nasprotujoč se svojim paradoksom je Einstein leta 1935 skupaj z Borisom Podolskim in Nathanom Rosenom formuliral svoj paradoks. "V redu," so sklenili, "recimo, da je nemogoče hkrati ugotoviti koordinato in zagon delca. Kaj pa, če imamo dva delca skupnega izvora, katerih sta sta identična? Potem lahko izmerimo zagon enega, ki nam bo posredno dal informacije o zagonu drugega, in koordinato drugega, kar bo dalo znanje o koordinati prvega. " Takšni delci so bili zgolj špekulativna konstrukcija, miselni eksperiment - morda je zato Niels Bohr (ali bolje rečeno njegovi privrženci) uspel najti dostojen odgovor šele 30 let pozneje.
Morda je prvi spekter kvantnih mehanskih paradoksov opazil Heinrich Hertz, ki je opazil, da če so elektrode iskrih osvetljene z ultravijolično svetlobo, je prehod iskrice opazno lažji. Poskusi Stoletov, Thomson in drugih velikih fizikov so omogočili razumevanje, da se to zgodi zaradi dejstva, da pod vplivom sevanja snov oddaja elektrone. Vendar pa je to povsem drugače, kot predlaga logika; na primer, energija sproščenih elektronov ne bo večja, če povečamo intenzivnost sevanja, ampak se bo povečala, če zmanjšamo njeno frekvenco. Z večanjem te pogostosti pridemo do meje, čez katero snov ne kaže nobenega fotoefekta - ta raven je pri različnih snoveh različna.
Einstein je znal razložiti te pojave, za katere je prejel Nobelovo nagrado. Povezani so s kvantizacijo energije - s tem, da jo lahko prenašajo le določeni "mikro deli", kvante. Vsak foton sevanja nosi določeno energijo in če ga je dovolj, bo elektron atoma, ki ga je absorbiral, odletel v svobodo. Energija fotonov je obratno sorazmerna z valovno dolžino, in ko dosežemo mejo fotoelektričnega učinka, ni več dovolj, da elektronu dodelimo minimalno energijo, potrebno za sproščanje. Danes se ta pojav srečuje povsod - v obliki sončnih panelov, katerih fotocelice delujejo natančno na podlagi tega učinka.
Eksperimenti, interpretacije, mistika
Sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja se je John Bell začel zanimati za problem nekolokalnosti v kvantni mehaniki. Lahko je ponudil matematično osnovo za povsem izvedljiv eksperiment, ki bi se moral končati z enim od alternativnih rezultatov. Prvi rezultat je "deloval", če je načelo lokalnosti resnično kršen, drugi - če navsezadnje vedno deluje in moramo iskati neko drugo teorijo za opis sveta delcev. Že v začetku sedemdesetih let so takšne poskuse izvajali Stuart Friedman in John Clauser, nato pa še Alain Aspan. Preprosteje povedano, naloga je bila ustvariti pare zapletenih fotonov in izmeriti enega izmed drugega. Statistična opazovanja so pokazala, da vrtljaji niso brezplačni, ampak so med seboj povezani. Takšni poskusi se od takrat izvajajo skoraj neprekinjeno,bolj natančna in popolna - in rezultat je enak.
Dodati je treba, da mehanizem, ki razlaga kvantno zapletanje, še vedno ni jasen, obstaja le pojav - in različne interpretacije dajejo svoje razlage. Tako so v razlagi kvantne mehanike v več svetovih zapleteni delci le projekcije možnih stanj enega samega delca v drugih vzporednih vesoljih. V transakcijski interpretaciji so ti delci povezani s stoječimi valovi časa. Za "kvantne mistike" je pojav zaplete še en razlog, da paradoksalno osnovo sveta obravnavajo kot način razlage vsega nerazumljivega, od samih elementarnih delcev do človekove zavesti. Mistiki lahko razumejo: če pomisliš na to, potem so posledice omotične.
Preprost eksperiment Clauser-Friedmana kaže, da je mogoče lokacijo fizičnega sveta na lestvici elementarnih delcev kršiti, sama osnova resničnosti pa se izkaže - na grozo Einsteina - nejasna in nedoločena. To ne pomeni, da se interakcija ali informacije lahko posredujejo takoj, na račun zapletanja. Ločevanje zapletenih delcev v vesolju poteka z normalno hitrostjo, rezultati meritev so naključni, in dokler ne izmerimo enega delca, drugi ne bo vseboval nobenih informacij o prihodnjem rezultatu. Rezultat je s stališča prejemnika drugega delca popolnoma naključen. Zakaj nas vse to zanima?
Kako zaplesti delce: Vzemite kristal z nelinearnimi optičnimi lastnostmi - to je tisti, katerega interakcija svetlobe je odvisna od jakosti te svetlobe. Na primer litijev triborat, barijev beta borat, kalijev niobat. Obsevamo ga z laserjem primerne valovne dolžine in visokoenergetskimi fotoni laserskega sevanja, ki se včasih razkrojijo v pare zapletenih fotonov nižje energije (temu pojavu rečemo "spontano parametrično sipanje") in polariziramo v pravokotne ravnine. Vse, kar ostane, je, da se vpleteni delci ohranijo nedotaknjeni in jih razširijo čim bolj narazen.
Zdi se, da smo jabolko spustili med pogovorom o načelu negotovosti? Dvignite ga in vrzite ob zid - seveda se bo zlomil, saj v makrokozmosu še en kvantni mehanski paradoks - tuneliranje - ne deluje. Delci lahko med tuneliranjem premagajo energetsko oviro, ki je višja od lastne energije. Analogija z jabolkom in steno je seveda zelo približna, vendar ilustrativna: učinek tuneliranja omogoča, da fotoni prodrejo v odsevni medij, elektroni pa "ignorirajo" tanek film aluminijastega oksida, ki prekriva žice in je pravzaprav dielektrik.
Naša vsakdanja logika in zakoni klasične fizike za kvantne paradokse niso zelo uporabni, vendar še vedno delujejo in se v tehnologiji pogosto uporabljajo. Zdi se, da so se fiziki (začasno) odločili: četudi še ne vemo v celoti, kako to deluje, lahko koristi iz tega izpeljemo že danes. Učinek tuneliranja temelji na delovanju nekaterih sodobnih mikročipov - v obliki tunelirnih diod in tranzistorjev, tunelskih stičišč itd. In seveda ne smemo pozabiti na skeniranje tunelirnih mikroskopov, v katerih tuneliranje delcev omogoča opazovanje posameznih molekul in atomov - in celo manipulacijo mimo njih.
Komunikacija, teleportacija in satelit
Dejansko si predstavljajmo, da imamo dve jabolki "kvantno zapleteno": če se prvo jabolko izkaže za rdeče, je drugo nujno zeleno in obratno. Lahko ga pošljemo iz Peterburga v Moskvo, pri čemer ohrani njihovo zmedeno stanje, vendar bi bilo to vse. Šele ko bo v Sankt Peterburgu jabolko odmerjeno kot rdeče, bo drugo v Moskvi postalo zeleno. Do trenutka merjenja ni mogoče napovedati stanja jabolka, ker (vsi enaki paradoksi!) Nimajo najbolj dokončnega stanja. Kakšna je uporaba tega zaplete?.. In smisel je bil najden že v 2000-ih, ko sta se Andrew Jordan in Aleksander Korotkov, opirajoč se na ideje sovjetskih fizikov, našla način, kako naj se izmeri, "do konca", in s tem popraviti stanje delcev.
S "šibkimi kvantnimi meritvami" lahko s pol očesa pogledate v jabolko in skušate uganiti njegovo barvo. To lahko storite znova in znova, ne da bi dejansko pogledali na jabolko, vendar se povsem samozavestno odločite, da je na primer rdeče, kar pomeni, da bo jabolko v Moskvi, ki je zmedeno z njim, zeleno. To omogoča, da se zapleteni delci uporabljajo znova in znova, metode, predlagane pred približno 10 leti, pa omogočajo njihovo shranjevanje, tako da tečejo v krogu za nedoločen čas. Ostane nam, da enega od delcev odnesemo - in pridobimo izjemno uporaben sistem.
Iskreno povedano, zdi se, da so zapleteni delci veliko bolj uporabni, kot je običajno, samo naša majhna domišljija, omejena z enakim makroskopskim obsegom resničnosti, nam ne omogoča, da bi našli resnične aplikacije zanje. Vendar so že obstoječi predlogi precej fantastični. Tako je na podlagi zapletenih delcev mogoče organizirati kanal za kvantno teleportacijo, popolno »branje« kvantnega stanja enega predmeta in »snemanje« v drugega, kot da bi bili prvi preprosto preneseni na primerno razdaljo. Možnosti kvantne kriptografije so bolj realistične, katerih algoritmi obljubljajo skoraj "nepremagljive" komunikacijske kanale: kakršen koli poseg v njihovo delo bo vplival na stanje zapletenih delcev in ga bo lastnik takoj opazil. Tu nastopi kitajski eksperiment QESS (Kvantni eksperimenti v vesoljski lestvici).
Računalniki in sateliti
Težava je v tem, da je na Zemlji težko vzpostaviti zanesljivo povezavo zapletenih delcev, ki so daleč narazen. Tudi v najbolj naprednem optičnem vlaknu, skozi katerega se prenašajo fotoni, signal postopoma bledi, zahteve po njem pa so tu še posebej visoke. Kitajski znanstveniki so celo izračunali, da če ustvarite zapletene fotone in jih pošljete v dve smeri z rameni približno 600 km Tisoč let. Vesolje je še ena stvar, v globokem vakuumu katerega fotoni preletijo takšno razdaljo, ne da bi pri tem naleteli na ovire. In potem na sceno stopi eksperimentalni satelit Mozi ("Mo-Tzu").
Na vesoljskem plovilu je bil nameščen vir (laserski in nelinearni kristal), ki je vsako sekundo proizvedel več milijonov parov zapletenih fotonov. Z razdalje od 500 do 1700 km so bili nekateri od teh fotonov poslani v zemeljski observatorij v Dalingheju v Tibetu, drugi pa v Shenzhen in Lijiang na jugu Kitajske. Kot bi lahko pričakovali, se je glavna izguba delcev zgodila v spodnjih plasteh atmosfere, vendar je to le približno 10 km poti vsakega fotonskega žarka. Kot rezultat, je kanal zapletenih delcev zajel razdaljo od Tibeta do juga države - približno 1200 km, novembra letos pa je bila odprta nova proga, ki povezuje provinco Anhui na vzhodu z osrednjo provinco Hubei. Zaenkrat kanalu primanjkuje zanesljivosti, vendar je to stvar tehnologije.
Kitajci v bližnji prihodnosti načrtujejo izstrelitev naprednejših satelitov za organiziranje takšnih kanalov in obljubljajo, da bomo kmalu videli delujočo kvantno povezavo med Pekingom in Brusljem, pravzaprav z enega konca celine na drugega. Še en "nemogoč" paradoks kvantne mehanike obljublja še en preskok tehnologije.
Sergej Vasilijev