A kvantummechanika előrejelzéseit néha nehéz összekapcsolni a klasszikus világról alkotott elképzelésekkel. Míg a klasszikus részecske helyzetét és lendületét egyszerre lehet mérni, kvantum esetén csak akkor lehet tudni, hogy valószínű-e a részecske az egyik vagy másik állapotban. Sőt, a kvantumelmélet azt állítja, hogy ha két rendszer összefonódik, egyikük állapotának mérése azonnal a másikra hat. 2015-ben a fizikusok három csoportja jelentős előrelépést tett a kvantumbeillesztés és a teleportálás természetének megértésében. A Physics Today és a Lenta.ru a tudósok eredményeiről beszélnek.
Albert Einstein nem értett egyet a kvantummechanika valószínű értelmezésével. Ezzel összefüggésben azt mondta, hogy „Isten nem játszik kocka” (erre később Niels Bohr dán fizikus azt válaszolta, hogy Einsteinnek nem a feladata, hogy eldöntse, mit kezdjen Istennel). A német tudós nem fogadta el a mikrovilágban rejlő bizonytalanságot, és helyesnek tartotta a klasszikus determinizmust. Az általános relativitáselmélet alkotója úgy gondolta, hogy a mikrovilág leírásakor a kvantummechanika nem veszi figyelembe néhány rejtett változót, amelyek nélkül maga a kvantumelmélet nem teljes. A tudós azt javasolta, hogy rejtett paramétereket keressenek egy kvantumállapotnak egy klasszikus eszközzel történő mérésekor: ez a folyamat magában foglalja az elsőnek a másodpercenkénti megváltoztatását, és Einstein úgy véli, hogy lehetséges kísérletezni, ahol ilyen változás nincs.
Azóta a tudósok megkísérelték meghatározni, léteznek-e rejtett változók a kvantummechanikában, vagy Einstein találmánya volt-e. A rejtett változók problémáját 1964-ben formalizálta John Bell brit elméleti fizikus. Javasolta egy kísérlet ötletét, amelyben a rejtett paraméterek jelenléte a rendszerben egy speciális kísérlet sorozatának statisztikai elemzésével végezhető el. A kísérlet így volt. Egy atomot egy külső mezőbe helyeztünk, egyidejűleg egy fotont bocsátva ki, amelyek ellenkező irányba szétszóródtak. A kísérlet feladata a fotonpörgetés irányának többszörös mérése.
Ez lehetővé tenné a szükséges statisztikák összegyűjtését, és Bell azon egyenlőtlenségeinek felhasználásával, amelyek a kvantummechanikában rejtett paraméterek jelenlétének matematikai leírását tartalmazzák, ellenőrizze Einstein szempontját. A legnagyobb nehézség a kísérlet gyakorlati megvalósításában rejlett, amelyet később a fizikusoknak sikerült reprodukálniuk. A kutatók kimutatták, hogy a kvantummechanikában valószínűleg nincsenek rejtett paraméterek. Időközben két kiskapu volt az elméletben (helymeghatározás és észlelés), amelyek bizonyíthatják, hogy Einsteinnek igaza volt. Általában több kiskapu van. A 2015-ös kísérletek lezárták őket és megerősítették, hogy a mikrokozmoszban valószínűleg nincs helyi realizmus.
"Kísérteties akció" Bob és Alice között
Kép: JPL-Caltech / NASA
A fizikusok három csoportjának kísérleteiről beszélünk: a hollandiai Delfti Műszaki Egyetemen, az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetén és az osztrák Bécsi Egyetemen. A tudósok kísérletei nemcsak megerősítették a kvantummechanika teljességét és a rejtett paraméterek hiányát benne, hanem új lehetőségeket nyitottak meg a kvantum-kriptográfia számára is - az információ titkosításának (védelmének) módszerét kvantumbetapadással kvantumprotokollok segítségével -, és még megbonthatatlan algoritmusok létrehozásához vezettek a generáláshoz. véletlen számok.
Promóciós videó:
A kvantum összefonódás olyan jelenség, amelyben a részecskék kvantum állapota (például egy elektron spinje vagy egy foton polarizációja), egymástól távolságban elválasztva, önmagában nem írható le. Az egyik részecske állapotának mérésére szolgáló eljárás a másik állapotának megváltozásához vezet. Egy tipikus kvantumbeillesztési kísérletben egymástól kölcsönhatásba lépő ágensek - Alice és Bob - egy részecskével (fotonokkal vagy elektronokkal) rendelkeznek egy összefonódott párból. Az egyik ágens egyik részecskéje általi mérése, például Alice, korrelál a másik állapotával, bár Alice és Bob nem tudják előre a másik manipulációját.
Ez azt jelenti, hogy a részecskék valamilyen módon tárolnak információt egymásról, és mondjuk, nem cserélik azokat könnyű sebességgel, a tudomány által ismert alapvető kölcsönhatások felhasználásával. Albert Einstein "kísérteties cselekedetnek" nevezte. Az összegabalyodott részecskék megsértik a lokalitás elvét, miszerint egy tárgy állapotát csak közvetlen környezete befolyásolhatja. Ez az ellentmondás kapcsolódik az Einstein-Podolsky-Rosen paradoxonhoz (amely a kvantummechanika fent említett hiányosságára és a rejtett paraméterek jelenlétére utal), és a kvantummechanika egyik fő fogalmi nehézsége (amelyet azonban már nem tekintünk paradoxonnak) (legalábbis koppenhágai értelmezésében)).
A holland tudósok kísérlete
Fotó: arXiv.org
A lokális realizmus támogatói azt állítják, hogy csak a lokális változók befolyásolhatják a részecskéket, és Alice és Bob részecskék közötti korrelációt valamilyen rejtett módszerrel hajtják végre, amelyet a tudósok még nem tudnak. A tudósok feladata ennek a lehetőségnek a kísérleti megcáfolása volt, különös tekintettel annak elkerülésére, hogy a rejtett jel az egyik ágenstől a másikig terjedjen (feltételezve, hogy a fénysebességgel vákuumban mozog - a természetben a lehető legnagyobb), és így megmutatja, hogy megváltozott a második részecske kvantum állapota. mielőtt az első részecskéből származó látens jel elérte a másodikt.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy Bob és Alice jelentős távolságra vannak egymástól (legalább tíz méter). Ez megakadályozza, hogy az egyik részecske állapotának megváltozásáról szóló jel továbbadódjon, mielőtt megmérné a másik részecske állapotát (helyzetcsapda). Eközben az egyes részecskék (különösen a fotonok) kvantumállapotának kimutatásának hiányossága hagy helyet a mintavételi (vagy detektálási) kiskapu számára. A Delfti Műszaki Egyetem fizikusai először sikerült elkerülni két nehézséget egyszerre.
A kísérletben pár gyémántdetektorot használtunk, közöttük jel-elválasztóval. A tudósok egy pár nem összefonódott fotont vettek, és szétszórták őket különböző terekbe. Ezután mindegyik elektronot összefontak egy fotonpárral, amelyet azután a harmadik térbe helyeztek el. A kísérletek során megfigyeltük, hogy az egyik elektron állapotának változása (spin) befolyásolja a másik elektronját. Mindössze 220 óra alatt (18 nap alatt) a fizikusok 245 alkalommal tesztelték Bell egyenlőtlenségét. A megfigyelt elektronmennyiségeket lézernyalábokkal mértük.
A kísérlet képes volt megmérni a részecskék kvantumállapotait körülbelül 1,3 kilométer távolságra, és megmutatni Bell egyenlőtlenségének érvényességét (vagyis a kvantumelmélet érvényességét és a lokális realizmus fogalmának tévedését). A tanulmány eredményeit a Nature folyóiratban teszik közzé. A szerzők várhatóan Nobel-díjat kapnak a fizikában.
Az detektorok helyzete a holland kísérletben
Fotó: arXiv.org
Az Egyesült Államok és Ausztria csapata kísérletezett a fotonokkal. Tehát a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet tudósai meg tudták törni a kvantum-teleportáció (a rendszer kvantumállapota távolságon át történő távolságának) távolságát egy száloptikai kábelen keresztül, 102 kilométer távolságban haladva. Ehhez a tudósok négy egy foton detektorot használtak, amelyeket ugyanabban az intézetben készítettek szilika molibdénből készült szupravezető nanoszálakkal (mínusz 272 Celsius fokra hűtve). A fotonoknak csak egy százaléka haladt meg 102 kilométer távolságot. A rost feletti kvantum-teleportálás távolságának korábbi rekordja 25 kilométer volt (összehasonlításként: a kvantum teleportálás távolságának rekordja 144 kilométer volt).
Az osztrák tudósok hatékonyabb érzékelőket használtak, mint az amerikaié, de az USA fizikusai által végzett kísérletek időbeli felbontása sokkal nagyobb. A holland fizikusokkal ellentétben, akiknek a felállítása óránként körülbelül egy eseményt rögzített, az Egyesült Államok és Ausztria tudósai másodpercenként több mint ezer tesztet tudtak végrehajtani, ami gyakorlatilag kiküszöböli a kísérleti eredmények esetleges korrelációját.
A tudósok jelenleg a kísérletek hatékonyságát próbálják javítani - egyre nagyobb távolságokra szállítják a részecskéket és növelik a mérési gyakoriságot. Sajnos az optikai csatorna meghosszabbítása az észlelt részecskék hányadának veszteségéhez vezet, és ismét aktualizálja a detektálási kiskapuk veszélyét. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet tudósai kvantum-véletlenszám-generátor használatával próbálják leküzdeni ezt a kísérletet. Ebben az esetben nem szükséges fotonokat nagy távolságokon átvinni, és a létrehozott technológia hasznos lehet a kvantum-kriptográfia során.
Andrey Borisov