For ikke så længe siden viste fysikere de første resultater af QUESS-missionen, og Mozi-satellitten blev lanceret i kredsløb inden for dens rammer og tilvejebragte en rekordadskillelse af kvantefiltrede fotoner i en afstand af mere end 1200 km. I fremtiden kan dette føre til oprettelse af en kvantekommunikationslinje mellem Beijing og Europa.
Verden omkring er stor og forskelligartet - så forskelligartet, at love vises på nogle skalaer, der er helt tænkelige for andre. Politikene og Beatlemania-lovene følger ikke på atomens struktur på nogen måde - deres beskrivelse kræver deres egne "formler" og deres egne principper. Det er vanskeligt at forestille sig, at et æble - et makroskopisk objekt, hvis opførsel normalt følger lovgivningen i den newtonske mekanik - tog og forsvandt, fusionerede med et andet æble og blev til en ananas. Og alligevel er det netop sådanne paradoksale fænomener, der manifesterer sig på niveauet for elementære partikler. Efter at have lært, at dette æble er rødt, er det usandsynligt, at vi bliver grønne til et andet, placeret et sted i bane. I mellemtiden er det nøjagtigt, hvordan fænomenet med kvanteforviklinger fungerer, og det er netop det, de kinesiske fysikere, med hvis arbejde vi begyndte vores samtale, har vist. Lad os prøve at finde ud af dethvad er det, og hvordan kan det hjælpe menneskeheden.
Bohr, Einstein og andre
Verden omkring er lokal - med andre ord, for at et fjernt objekt kan ændre sig, skal det interagere med et andet objekt. Desuden kan ingen interaktion forplantes hurtigere end lys: dette gør den fysiske virkelighed lokal. Et æble kan ikke slå Newton på hovedet uden fysisk at nå det. En solflad kan ikke øjeblikkeligt påvirke driften af satellitter: ladede partikler bliver nødt til at dække afstanden til Jorden og interagere med elektronik og atmosfæriske partikler. Men i kvanteverdenen er lokalitet krænket.
Det mest berømte af paradokser i elementære partikler er Heisenbergs usikkerhedsprincip, hvorefter det er umuligt at nøjagtigt bestemme værdien af begge "par" -egenskaber i et kvantesystem. Placering i rummet (koordinat) eller hastighed og bevægelsesretning (impuls), strøm eller spænding, størrelsen på feltets elektriske eller magnetiske komponent - alt dette er "komplementære" parametre, og jo mere nøjagtigt vi måler en af dem, desto mindre sikker bliver den anden.
Det var engang usikkerhedsprincippet, der forårsagede Einsteins misforståelse og hans berømte skeptiske indsigelse, "Gud spiller ikke terninger." Det ser dog ud til at spille: alle kendte eksperimenter, indirekte og direkte observationer og beregninger indikerer, at usikkerhedsprincippet er en konsekvens af vores verdens grundlæggende ubestemmelighed. Og igen kommer vi til et uoverensstemmelse mellem virkelighedens skalaer og niveauer: hvor vi findes, er alt ganske sikkert: Hvis du løsner fingrene og frigiver æblet, falder det, tiltrukket af jordens tyngdekraft. Men på et dybere niveau er der simpelthen ingen årsager og virkninger, og der er kun en sandsynlighedsdans.
Salgsfremmende video:
Paradokset med den kvante sammenfiltrede partikeltilstand ligger i det faktum, at "slag mod hovedet" kan forekomme nøjagtigt samtidig med adskillelsen af æblet fra grenen. Forviklinger er ikke lokalt, og det at ændre et objekt på et sted med det samme - og uden nogen åbenbar interaktion - ændrer et andet objekt helt på et andet. Teoretisk set kan vi føre en af de sammenfiltrede partikler til mindst den anden ende af universet, men alligevel, så snart vi "berører" dets partner, der forblev på Jorden, og den anden partikel reagerer øjeblikkeligt. Det var ikke let for Einstein at tro på dette, og hans argument med Niels Bohr og kolleger fra kvantmekanikens "lejr" blev et af de mest fascinerende emner i den moderne videnskabshistorie. "Virkeligheden er sikker," som Einstein og hans tilhængere ville sige, "kun vores modeller, ligninger og værktøjer er ufuldkomne."”Modeller kan være hvad som helst,men selve virkeligheden ved basen af vores verden er aldrig blevet fuldstændigt bestemt,”indvendte kvantemekanikens tilhængere.
I 1935 formulerede Einstein, sammen med Boris Podolsky og Nathan Rosen, sit eget paradoks.”Okay,” sagde de,”lad os sige, at det er umuligt at finde ud af koordinaten og momentumet for en partikel på samme tid. Men hvad nu hvis vi har to partikler af fælles oprindelse, hvis tilstande er identiske? Derefter kan vi måle det ene momentum, som indirekte vil give os information om det andet momentum, og det andet koordinat, som giver viden om den første koordinat. Sådanne partikler var en rent spekulativ konstruktion, et tankeeksperiment - måske var det derfor, Niels Bohr (eller rettere, hans tilhængere) formåede at finde et anstændigt svar først 30 år senere.
Det første spektrum af kvantemekaniske paradokser blev måske observeret af Heinrich Hertz, der bemærkede, at hvis gnistgapelektroderne blev oplyst med ultraviolet lys, var gnistens passage mærkbar lettere. Eksperimenterne fra Stoletov, Thomson og andre store fysikere gjorde det muligt at forstå, at dette sker på grund af det faktum, at materie udsender elektroner under påvirkning af stråling. Dette er dog helt anderledes end logikken antyder; for eksempel vil de frigjorte elektroners energi ikke være højere, hvis vi øger strålingsintensiteten, men den vil stige, hvis vi mindsker dens frekvens. Når vi øger denne frekvens, kommer vi til grænsen, ud over hvilken stoffet ikke udviser nogen fotoeffekt - dette niveau er forskelligt for forskellige stoffer.
Einstein var i stand til at forklare disse fænomener, som han blev tildelt Nobelprisen for. De er forbundet med kvantiseringen af energi - med det faktum, at det kun kan overføres med visse "mikroporte", quanta. Hver foton af stråling bærer en bestemt energi, og hvis det er nok, vil elektronet fra atomet, der absorberede det, flyve ud til friheden. Fotonenes energi er omvendt proportional med bølgelængden, og når grænsen for den fotoelektriske effekt er nået, er det ikke længere nok til selv at give elektronen den minimale energi, der kræves til frigivelsen. I dag findes dette fænomen overalt - i form af solcellepaneler, hvis fotoceller fungerer nøjagtigt på grundlag af denne effekt.
Eksperimenter, fortolkninger, mystik
I midten af 1960'erne blev John Bell interesseret i problemet med ikke-lokalitet i kvantemekanik. Han var i stand til at tilbyde et matematisk grundlag for et fuldt gennemførligt eksperiment, som skulle ende med et af de alternative resultater. Det første resultat "virkede", hvis lokalitetsprincippet virkelig overtrædes, det andet - hvis det trods alt altid fungerer, og vi er nødt til at kigge efter en anden teori for at beskrive partiklernes verden. Allerede i de tidlige 1970'ere blev sådanne eksperimenter udført af Stuart Friedman og John Clauser og derefter af Alain Aspan. Kort sagt, opgaven var at oprette par sammenfiltrede fotoner og måle deres spins, en efter en. Statistiske observationer har vist, at spinnene ikke er frie, men korrelerede med hinanden. Sådanne eksperimenter er blevet udført næsten kontinuerligt siden da,mere og mere præcis og perfekt - og resultatet er det samme.
Det skal tilføjes, at mekanismen, der forklarer kvanteforvikling, stadig er uklar, at der kun er et fænomen - og forskellige fortolkninger giver deres forklaringer. I fortolkningen af kvantemekanikken i mange verdener er således sammenfiltrede partikler kun fremspring af de mulige tilstande for en enkelt partikel i andre parallelle universer. Ved transaktionstolkning er disse partikler forbundet med stående bølger af tid. For "kvantemystik" er fænomenet med sammenfiltring endnu en grund til at betragte verdens paradoksale grundlag som en måde at forklare alt uforståeligt fra de elementære partikler til menneskelig bevidsthed. Mystikere kan forstå: hvis du tænker over det, så er konsekvenserne svimmel.
Det enkle eksperiment fra Clauser-Friedman indikerer, at lokaliteten af den fysiske verden på skalaen af elementære partikler kan krænkes, og selve virkelighedsgrundlaget viser sig - til Einsteins frygt - vagt og ubestemt. Dette betyder ikke, at interaktion eller information kan overføres øjeblikkeligt på bekostning af sammenfiltring. Adskillelsen af sammenfiltrede partikler i rummet fortsætter med normal hastighed, måleresultaterne er tilfældige, og indtil vi måler en partikel, vil den anden ikke indeholde nogen information om det fremtidige resultat. Fra synspunktet af modtageren af den anden partikel er resultatet helt tilfældigt. Hvorfor interesserer alt dette os?
Sådan opsvikles partikler: Tag en krystal med ikke-lineære optiske egenskaber - det vil sige en, hvis interaktion af lys, som afhænger af intensiteten af dette lys. For eksempel lithium-triborat, barium beta-borat, kalium-niobat. Bestråle den med en laser med en passende bølgelængde og højenergi-fotoner af laserstråling vil undertiden henfalde til par sammenfiltrede fotoner med lavere energi (dette fænomen kaldes "spontan parametrisk spredning") og polariseret i vinkelret plan. Det eneste, der er tilbage, er at holde de sammenfiltrede partikler intakte og sprede dem så langt fra hinanden som muligt.
Det ser ud til, at vi droppede æblet, mens vi talte om princippet om usikkerhed? Løft den op og kast den mod væggen - selvfølgelig vil den gå i stykker, for i makrokosmos fungerer et andet kvantemekanisk paradoks - tunneling - ikke. Under tunneling er en partikel i stand til at overvinde en energibarriere, der er højere end sin egen energi. Analogien med et æble og en væg er naturligvis meget omtrentlig, men illustrerende: tunneleringseffekten gør det muligt for fotoner at trænge ind i det reflekterende medium, og elektroner til at "ignorere" den tynde film af aluminiumoxid, der dækker ledningerne og faktisk er et dielektrikum.
Vores hverdagslogik og lovene i klassisk fysik er ikke meget anvendelige på kvanteparadokser, men de fungerer stadig og er vidt brugt i teknologi. Fysikere ser ud til at have (midlertidigt) besluttet: selvom vi endnu ikke helt ved, hvordan det fungerer, kan fordelene udledes af dette allerede i dag. Tunneleffekten ligger til grund for driften af nogle moderne mikrochips - i form af tunneldioder og transistorer, tunnelkryds osv. Og selvfølgelig må vi ikke glemme at scanne tunnelmikroskoper, hvor partikeltunneling giver observation af individuelle molekyler og atomer - og endda manipulation af dem.
Kommunikation, teleportation og satellit
Lad os forestille os, at vi har "kvanteforvrængt" to æbler: hvis det første æble viser sig at være rødt, er det andet nødvendigvis grønt, og omvendt. Vi kan sende en fra Petersborg til Moskva ved at bevare deres forvirrede tilstand, men det ser ud til at være alt. Først når et æble i Skt. Petersborg måles som rødt, bliver det andet grønt i Moskva. Indtil målingens øjeblik er der ingen mulighed for at forudsige æblets tilstand, fordi (alle de samme paradokser!) De har ikke den mest bestemte tilstand. Hvad er brugen af denne sammenfiltring?.. Og forstanden blev fundet allerede i 2000'erne, da Andrew Jordan og Alexander Korotkov, der var afhængige af de sovjetiske fysikers ideer, fandt en måde at måle, som det var, "ikke til slutningen", og derfor at fikse partikeltilstandene.
Ved hjælp af "svage kvantemålinger" kan du som sådan se på et æble med et halvt øje, få et glimt og prøve at gætte dets farve. Du kan gøre dette igen og igen, uden at kigge på æblet ordentligt, men helt fortroligt beslutte, at det for eksempel er rødt, hvilket betyder, at et æble i Moskva, der er forvirret med det, vil være grønt. Dette gør det muligt at bruge sammenfiltrede partikler igen og igen, og de metoder, der blev foreslået for ca. 10 år siden, gør det muligt for dem at blive opbevaret ved at køre i en cirkel i ubestemt lang tid. Det gjenstår at transportere en af partiklerne væk - og få et ekstremt nyttigt system.
Ærligt talt ser det ud til, at fordelene ved sammenfiltrede partikler er meget mere, end man normalt tror, bare vores magre fantasi, begrænset af den samme makroskopiske virkelighedsskala, tillader os ikke at komme med reelle anvendelser til dem. Imidlertid er de allerede eksisterende forslag ganske fantastiske. På grundlag af sammenfiltrede partikler er det således muligt at organisere en kanal til kvanteteleportering, komplet "læsning" af kvantetilstanden for et objekt og "optage" det til et andet, som om den første simpelthen blev transporteret til den passende afstand. Udsigterne til kvantekryptografi er mere realistiske, hvis algoritmer lover næsten "uknuselige" kommunikationskanaler: enhver interferens i deres arbejde vil påvirke tilstanden af sammenfiltrede partikler og vil straks blive bemærket af ejeren. Det er her det kinesiske eksperiment QESS (kvanteeksperimenter i rumskala) spiller ind.
Computere og satellitter
Problemet er, at det på Jorden er vanskeligt at skabe en pålidelig forbindelse til sammenfiltrede partikler, der er langt fra hinanden. Selv i den mest avancerede optiske fiber, gennem hvilken fotoner transmitteres, falmer signalet gradvist, og kravene til det er især høje her. Kinesiske videnskabsmænd beregner endda, at hvis du opretter sammenfiltrede fotoner og sender dem i to retninger med skuldre omkring 600 km lange - halve afstanden fra centrum for kvantevidenskab i Dalinghe til centre i Shenzhen og Lijiang - så kan du forvente at fange det sammenfiltrede par i cirka 30 tusind år. Rummet er en anden sag, i det dybe vakuum, som fotoner flyver en sådan afstand uden at støde på nogen hindringer. Og så kommer den eksperimentelle satellit Mozi ("Mo-Tzu") ind i scenen.
En kilde (laser og ikke-lineær krystal) blev installeret på rumfartøjet, som hvert sekund producerede flere millioner par sammenfiltrede fotoner. Fra en afstand af 500 til 1700 km blev nogle af disse fotoner sendt til det jordbaserede observatorium i Dalinghe i Tibet og det andet til Shenzhen og Lijiang i det sydlige Kina. Som man kunne forvente, forekom det største tab af partikler i de nedre lag i atmosfæren, men dette er kun ca. 10 km fra banen til hver fotonstråle. Som et resultat dækkede kanalen med sammenfiltrede partikler afstanden fra Tibet til det sydlige af landet - ca. 1200 km, og i november i år blev der åbnet en ny linje, der forbinder Anhui-provinsen i øst med den centrale provins Hubei. Indtil videre mangler kanalen pålidelighed, men dette er allerede et spørgsmål om teknologi.
I den nærmeste fremtid planlægger kineserne at lancere mere avancerede satellitter til organisering af sådanne kanaler og lover, at vi snart ser en fungerende kvanteforbindelse mellem Beijing og Bruxelles, faktisk fra den ene ende af kontinentet til den anden. Et andet "umuligt" paradoks for kvantemekanik lover et andet spring i teknologien.
Sergey Vasiliev