Forudsigelserne om kvantemekanik er undertiden vanskelige at forholde sig til ideer om den klassiske verden. Mens positionen og momentumet for en klassisk partikel kan måles samtidig, kan du kun i kvantetilfælde kende sandsynligheden for at finde en partikel i en eller anden tilstand. Kvanteteorien siger endvidere, at når to systemer er sammenfiltret, påvirker måling af staten for det ene øjeblikkeligt det andet. I 2015 gjorde tre grupper fysikere betydelige fremskridt med at forstå arten af kvanteforvikling og teleportering. Physics Today og Lenta.ru taler om forskernes resultater.
Albert Einstein var uenig i den sandsynlige fortolkning af kvantemekanikken. Det var i denne forbindelse, at han sagde, at "Gud spiller ikke terninger" (som den danske fysiker Niels Bohr senere svarede, at det ikke var for Einstein at beslutte, hvad han skulle gøre med Gud). Den tyske videnskabsmand accepterede ikke usikkerheden i mikroverdenen og anså klassisk determinisme for at være korrekt. Oprettelsen af den generelle relativitetsteori mente, at kvantemekanikken ikke beskriver nogle skjulte variabler, uden hvilke kvanteteorien i sig selv er ufuldstændig, når han beskriver mikroverdenen. Forskeren foreslog at kigge efter skjulte parametre ved måling af en kvantetilstand med en klassisk enhed: denne proces involverer en ændring i den første med den anden, og Einstein vurderede det som muligt at eksperimentere, hvor der ikke er nogen sådan ændring.
Siden da har forskere forsøgt at bestemme, om skjulte variabler findes i kvantemekanikken, eller om det var Einsteins opfindelse. Problemet med skjulte variabler blev formaliseret i 1964 af den britiske teoretiske fysiker John Bell. Han foreslog idéen om et eksperiment, hvor tilstedeværelsen af en hvilken som helst skjult parameter i systemet kan findes ved at udføre en statistisk analyse af en række specielle eksperimenter. Eksperimentet var sådan. Et atom blev anbragt i et eksternt felt, der samtidig udsendte et par fotoner, der spredte sig i modsatte retninger. Eksperimenterne har til opgave at udføre flere målinger af retningen af fotonsnurrene.
Dette ville gøre det muligt at indsamle den nødvendige statistik og ved hjælp af Bells uligheder, som er en matematisk beskrivelse af tilstedeværelsen af skjulte parametre i kvantemekanik, for at kontrollere Einsteins synspunkt. Den største vanskelighed lå i den praktiske gennemførelse af eksperimentet, som senere fysikere formåede at gengive. Forskerne har vist, at der sandsynligvis ikke er skjulte parametre inden for kvantemekanik. I mellemtiden var der to smuthuller i teorien (placering og detektion), der kunne bevise, at Einstein havde ret. Generelt er der flere smuthuller. Eksperimenterne fra 2015 lukkede dem ned og bekræftede, at der sandsynligvis ikke er nogen lokal realisme i mikrokosmos.
"Spooky action" mellem Bob og Alice
Billede: JPL-Caltech / NASA
Vi taler om eksperimenterne fra tre grupper fysikere: fra Delft tekniske universitet i Holland, National Institute of Standards and Technology i USA og University of Wien i Østrig. Forskernes eksperimenter bekræftede ikke kun fuldstændigheden af kvantemekanikken og fraværet af skjulte parametre i den, men åbnede også for nye muligheder for kvantekryptografi - en metode til at kryptere information (beskytte den) ved hjælp af kvanteindfiltrering ved hjælp af kvanteprotokoller - og førte til oprettelsen af uknuselige algoritmer til generering tilfældige tal.
Salgsfremmende video:
Kvanteforvikling er et fænomen, hvor kvantetilstanden for partikler (for eksempel spin af et elektron eller polarisering af en foton), adskilt med en afstand fra hinanden, ikke kan beskrives uafhængigt. Proceduren til måling af tilstanden for en partikel fører til en ændring i tilstanden af en anden. I et typisk eksperiment med kvanteforvikling er der mellem hinanden interagerende midler - Alice og Bob - i besiddelse af hver en partikel (fotoner eller elektroner) fra et par sammenfiltrede. Måling af en partikel med et af agenterne, for eksempel Alice, korrelerer med tilstanden for den anden, selvom Alice og Bob ikke på forhånd ved om hinandens manipulationer.
Dette betyder, at partiklerne på en eller anden måde gemmer information om hinanden og ikke udveksler dem, siger vi ved lyshastighed ved hjælp af en eller anden grundlæggende interaktion, som videnskaben kender. Albert Einstein kaldte det "uhyggelig handling på afstand." Forvirrede partikler bryder lokalitetsprincippet, hvorefter en objekts tilstand kun kan påvirkes af dets umiddelbare miljø. Denne modsigelse er forbundet med Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset (hvilket antyder ovennævnte ufuldstændighed i kvantemekanikken og tilstedeværelsen af skjulte parametre) og udgør en af de største konceptuelle vanskeligheder (som dog ikke længere betragtes som et paradoks) af kvantemekanikken (i det mindste i dens Københavns fortolkning).
Skema for eksperimentet fra de hollandske forskere
Foto: arXiv.org
Tilhængere af lokal realisme hævder, at kun lokale variabler kan påvirke partikler, og korrelationen mellem Alice og Bobs partikler udføres ved hjælp af en eller anden skjult metode, som forskere stadig ikke kender. Forskernes opgave var at tilbagevise denne mulighed eksperimentelt, især for at forhindre udbredelse af et skjult signal fra et middel til et andet (forudsat at det bevæger sig med lysets hastighed i et vakuum - det maksimale muligt i naturen), og således viser, at en ændring i kvantetilstanden for den anden partikel er sket før det latente signal fra den første partikel kunne nå den anden.
I praksis betyder det, at du placerer Bob og Alice i en betydelig afstand fra hinanden (mindst ti meter). Dette forhindrer udbredelse af ethvert signal om en ændring i tilstanden af den ene af partiklerne før måling af den anden tilstand (lokalitetsfælde). I mellemtiden efterlader ufuldkommenheden ved at detektere kvantetilstanden for enkeltpartikler (især fotoner) plads til en prøve (eller detektion) smuthul. For første gang lykkedes fysikere ved Delft teknologiske universitet at undgå to vanskeligheder på én gang.
I eksperimentet brugte vi et par diamantdetektorer med en signaludskiller mellem dem. Forskere tog et par ikke-sammenfiltrede fotoner og spredte dem i forskellige rum. Derefter var hver af elektronerne sammenfiltret med et par fotoner, som derefter blev flyttet til tredje plads. I løbet af eksperimenter var det muligt at observere, at en ændring i tilstanden (spin) for den ene af elektronerne påvirkede den anden. På bare 220 timer (over 18 dage) har fysikere testet Bells ulighed 245 gange. De observerede mængder af elektroner blev målt ved hjælp af laserstråler.
Eksperimentet var i stand til at måle kvantetilstanden for partikler adskilt med en afstand på ca. 1,3 kilometer og for at vise gyldigheden af Bells ulighed (det vil sige gyldigheden af kvanteteorien og den dårlige karakter af begrebet lokal realisme). Resultaterne af denne undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Nature. Dets forfattere forventes at have en Nobelpris i fysik.
Detektorernes placering i det hollandske eksperiment
Foto: arXiv.org
Hold fra USA og Østrig har eksperimenteret med fotoner. Så videnskabsmænd fra National Institute of Standards and Technology var i stand til at bryde rekorden for afstanden af kvanteteleportering (transmission af kvantetilstanden i et system over en afstand) over et fiberoptisk kabel og udføre det i en afstand af 102 kilometer. For at gøre dette brugte forskerne fire enkeltfoton-detektorer oprettet på det samme institut på grundlag af superledende nanotråde (afkølet til minus 272 grader Celsius) lavet af siliciumdioxid-molybdæn. Kun en procent af fotonerne kørte en afstand på 102 kilometer. Den forrige rekord for afstanden af kvanteteleportering over fiber var 25 kilometer (til sammenligning: rekorden for afstanden af kvanteteleportering over luften var 144 kilometer).
Østrigske forskere brugte mere effektive sensorer end amerikanske, men den tidsmæssige opløsning i eksperimenterne fra fysikere fra USA er meget højere. I modsætning til de hollandske fysikere, hvis opsætning registrerede ca. en begivenhed i timen, var forskere fra De Forenede Stater og Østrig i stand til at gennemføre mere end tusind prøver i sekundet, hvilket praktisk taget eliminerer enhver chanceforbindelse i de eksperimentelle resultater.
Forskere forsøger i øjeblikket at forbedre effektiviteten af eksperimenter - de bærer partikler til stadig større afstande og øger målefrekvensen. Desværre fører forlængelse af den optiske kanal til et tab i fraktionen af detekterede partikler og aktualiserer igen faren for en detekteringsmuthul. Forskere ved National Institute of Standards and Technology forsøger at bekæmpe dette ved hjælp af en kvantet tilfældig talgenerator i eksperimenter. I dette tilfælde er der ikke behov for at transportere fotoner over lange afstande, og den skabte teknologi vil være nyttig i kvantekryptografi.
Andrey Borisov