Nem olyan régen, a fizikusok megmutatták a QUESS küldetés első eredményeit, és a keretén belül elindított Mozi műholdat pályára bocsátották a kvantumba összefonódott fotonok rekordszétválasztását több mint 1200 km-re. A jövőben ez kvantum kommunikációs vonal létrehozásához vezethet Peking és Európa között.
A körülötte lévő világ nagy és változatos - olyan változatos, hogy egyes léptékeken megjelennek olyan törvények, amelyek mások számára teljesen elképzelhetetlenek. A politika és a Beatlemania törvényei semmiképpen nem következnek az atom szerkezetéből - leírásukhoz saját "képleteikre" és saját alapelveikre van szükség. Nehéz elképzelni, hogy egy alma - egy makroszkopikus tárgy, amelynek viselkedése általában a newtoni mechanika törvényeit követi - elvette és eltűnt, összeolvadt egy másik almával, ananássá alakulva. És mégis, pontosan az ilyen paradox jelenségek manifesztálódnak az elemi részecskék szintjén. Miután megtudta, hogy ez az alma piros, nem valószínű, hogy újra zöldre váltunk, valahol a pályán. Időközben pontosan így működik a kvantum-összefonódás jelensége, és ezt pontosan megmutatták a kínai fizikusok, akiknek a munkájával megkezdtük a beszélgetést. Próbáljuk kitalálnimi ez és hogyan segítheti az emberiséget.
Bohr, Einstein és mások
A körülvevő világ lokális - más szóval ahhoz, hogy valami távoli tárgy megváltozzon, kölcsönhatásba kell lépnie egy másik objektummal. Sőt, egyetlen interakció sem terjedhet gyorsabban, mint a fény: ez a fizikai valóságot lokálissá teszi. Egy alma nem tud Newtonot a fejére csapni anélkül, hogy fizikailag elérte volna. A napsugárzás nem képes azonnal befolyásolni a műholdak működését: a töltött részecskéknek meg kell felelniük a Föld távolságát, és kölcsönhatásba kell lépniük az elektronika és a légköri részecskékkel. De a kvantum világban megsértik a lokalitást.
Az elemi részecskék világának paradoxonjai közül a leghíresebb Heisenberg bizonytalanság elve, amely szerint lehetetlen pontosan meghatározni a kvantumrendszer mindkét "pár" jellemzőjét. Hely a térben (koordináta) vagy a mozgás sebessége és iránya (impulzus), áram vagy feszültség, a mező elektromos vagy mágneses összetevőjének nagysága - ezek mind "kiegészítő" paraméterek, és minél pontosabban mérjük meg az egyiket, annál kevésbé határozható meg a második.
Egyszer régen a bizonytalanság oka okozta Einstein félreértését és híres szkeptikus kifogása: "Isten nem játszik kocka". Úgy tűnik, hogy játszik: az összes ismert kísérlet, közvetett és közvetlen megfigyelés és számítás azt jelzi, hogy a bizonytalanság elve világunk alapvető meghatározatlanságának következménye. És ismét a valóság skálája és szintje közötti eltéréshez jutunk: ahol létezünk, minden teljesen biztos: ha kinyitja az ujjait, és elengedi az almát, akkor esni fog, és a Föld gravitációja vonzza. De mélyebb szinten egyszerűen nincsenek okok és következmények, hanem csak a valószínűségek tánca.
Promóciós videó:
A részecskék kvantumba összefonódott állapotának paradoxonja abban rejlik, hogy a „fejbe ütés” pontosan akkor fordulhat elő, amikor az alma elágazik az ágtól. Az összefonódás nem lokális, és egy objektum megváltoztatása egy helyen azonnal - és minden nyilvánvaló interakció nélkül - egy másik objektumot teljesen megváltoztat egy másikban. Elméletileg az egyik belegabalyodott részecskét legalább a világegyetem másik végébe tudjuk vinni, de egyébként, ha "megérintjük" partnerét, aki a Földön maradt, és a második részecske azonnal reagál. Einsteinnek nem volt könnyű ezt elhinni, és Niels Bohr és a kvantummechanika „táborának” kollégáival folytatott érve a modern tudománytörténet egyik legérdekesebb tárgyává vált. "A valóság biztos" - mondta Einstein és támogatói -, hogy csak modelleink, egyenleteink és eszközeink hiányosak. " „A modellek bármi lehetnek,de a világunk alapjául szolgáló valóságot soha nem határozták meg teljesen”- tiltakozott a kvantummechanika követői.
A paradoxonokkal szemben 1935-ben Einstein, Boris Podolskyval és Nathan Rosen-nal megfogalmazta saját paradoxonját. „Rendben” - magyarázta ők - mondjuk, hogy lehetetlen egyszerre megtudni egy részecske koordinátáját és lendületét. De mi van, ha két közös eredetű részecskénk van, amelyek állapota azonos? Ezután megmérhetjük az egyik lendületét, amely közvetett információval szolgál a másik lendületéről, és a másik koordinátájáról, amely ismeri az első koordinátáját. Az ilyen részecskék tisztán spekulatív konstrukciók, gondolkodási kísérletek voltak - talán ezért Niels Bohr (vagy inkább követői) csak 30 évvel később talált meg megfelelő választ.
Talán az első kvantummechanikai paradoxonok kísértetét Heinrich Hertz figyelt meg, aki észrevette, hogy ha a szikraköz elektródákat ultraibolya fénnyel megvilágítják, a szikra áthaladása észrevehetően könnyebb volt. Sztoletov, Thomson és más nagy fizikusok kísérletei lehetővé tették annak megértését, hogy ez azért történik, mert a sugárzás hatására az anyag elektronokat bocsát ki. Ez azonban teljesen különbözik attól, amit a logika sugall; például a kibocsátott elektronok energiája nem lesz magasabb, ha növeljük a sugárzási intenzitást, de növekszik, ha csökkentjük annak frekvenciáját. E gyakoriság növelésével eljutunk a határhoz, amelyen túl az anyagnak nincs fényhatása - ez a szint különbözik az egyes anyagoktól.
Einstein meg tudta magyarázni ezeket a jelenségeket, amelyekért Nobel-díjat kapott. Ezek kapcsolódnak az energia kvantálásához - azzal a ténnyel, hogy csak bizonyos "mikrorészeken", kvantákon keresztül lehet továbbítani. A sugárzás minden fotonja hordoz egy bizonyos energiát, és ha elegendő, akkor az atom elektronja, amely abszorbeálta, szabadon repül. A fotonok energiája fordítottan arányos a hullámhosszúsággal, és amikor a fotoelektromos hatás határa eléri a szintet, már nem elegendő ahhoz, hogy az elektronhoz továbbítsuk a kibocsátáshoz szükséges minimális energiát. Manapság ez a jelenség mindenhol előfordul - napelemek formájában, amelyek fotoelemei pontosan ezen hatás alapján működnek.
Kísérletek, értelmezések, miszticizmus
Az 1960-as évek közepén John Bell érdeklődött a kvantummechanika nonlockalitásának problémája iránt. Matematikai alapot tudott nyújtani egy teljesen megvalósítható kísérlethez, amelynek az alternatív eredmények egyikével kell végződnie. Az első eredmény "működött", ha a lokalitás elvét valóban megsértették, a második - ha elvégre mindig működik, és valamilyen más elméletet kell keresnünk a részecskék világának leírására. Az 1970-es évek elején ezeket a kísérleteket Stuart Friedman és John Clauser, majd Alain Aspan végezte. Egyszerűen fogalmazva, a feladat az volt, hogy összefonódott fotonpárokat készítsenek, és spinjeiket egyenként megmérjék. A statisztikai megfigyelések kimutatták, hogy a pörgetések nem szabadok, hanem korrelálnak egymással. Az ilyen kísérleteket azóta szinte folyamatosan végezték,egyre pontosabb és tökéletes - és ugyanaz az eredmény.
Hozzá kell tenni, hogy a kvantum-összefonódást magyarázó mechanizmus továbbra sem tisztázott, csak egy jelenség van - és különféle értelmezések adják magyarázatot. Így a kvantummechanika sok világbeli értelmezésében az összegabalyodott részecskék csupán egy részecske lehetséges állapotának vetületei más párhuzamos univerzumokban. A tranzakciós értelmezés során ezeket a részecskéket álló időhullámok kötik össze. A "kvantum misztikusok" számára az összefonódás jelensége újabb ok arra, hogy a világ paradox helyzetét úgy tekintsük, hogy mindent megérthessen, érthetetlen, maguktól az elemi részecskéktől egészen az emberi tudatosságig. A misztikusok megérthetik: ha gondolkodsz rajta, szédülnek a következményei.
Clauser-Friedman egyszerű kísérlete azt mutatja, hogy a fizikai világ helyzete az elemi részecskék skáláján megsérthető, és a valóság legfontosabb alapja - Einstein borzalmaként - bizonytalan és határozatlan. Ez nem azt jelenti, hogy az interakció vagy az információ azonnal átvihető az összefonódás rovására. Az űrben lévő összefonódott részecskék elválasztása normál sebességgel megy végbe, a mérési eredmények véletlenszerűek, és amíg az egyik részecskét nem mérjük, a második nem tartalmaz információt a jövőbeli eredményről. A második részecske befogadója szempontjából az eredmény teljesen véletlenszerű. Miért érdekli mindez minket?
Hogyan összefonódhat a részecskék: Vegyünk egy nemlineáris optikai tulajdonságokkal bíró kristályt - azaz olyan, amelynek a fény kölcsönhatása függ ezen fény intenzitásától. Például lítium-triborát, bárium-béta-borát, kálium-niobát. Sugározzuk meg egy megfelelő hullámhosszú lézerrel, és a nagy energiájú lézer sugárzás fotonjai néha alacsonyabb energiájú összefonódott fotonpárokra bomlanak (ezt a jelenséget "spontán paraméteres szórásnak" nevezzük), és merőleges síkokban polarizálódnak. Csak annyit kell hagyni, hogy az összegabalyodott részecskék maradjanak sértetlenek, és azokat a lehető legnagyobb távolságra terjesszék.
Úgy tűnik, hogy eldobtuk az almát, miközben a bizonytalanság elvéről beszéltünk? Emelje fel és dobja a falnak - természetesen el fog törni, mert a makrokoszmoszban egy másik kvantummechanikai paradoxon - az alagút - nem működik. Az alagút során a részecske képes meghaladni a saját energiájánál magasabb energiagátot. Az almával és a fallal való analógia természetesen nagyon megközelítő, de szemléltető: az alagúthatás lehetővé teszi a fotonok behatolását a fényvisszaverő közegbe, és az elektronok "figyelmen kívül hagyják" a huzalokat borító vékony alumínium-oxid-fóliát, amely valójában dielektrikum.
Mindennapi logikánk és a klasszikus fizika törvényei nem igazán alkalmazhatók a kvantumparadoxonokra, ám ezek továbbra is működnek és széles körben használják a technológiát. Úgy tűnik, hogy a fizikusok (átmenetileg) úgy döntöttek: még ha még nem is tudjuk teljes mértékben, hogyan működik, az előnyök ebből már ma származnak. Az alagúthatás alapját képezi néhány modern mikrochip működése - alagút-diódák és tranzisztorok, alagút-csomópontok stb. Formájában. És természetesen nem szabad elfelejtenünk az alagutazási mikroszkópok letapogatását, amelyekben a részecske-alagút az egyes molekulák és atomok megfigyelését biztosítja - és még a manipulációt is tőlük.
Kommunikáció, teleportálás és műholdas kommunikáció
Valóban képzeljük el, hogy két almát „kvantumba ragadtunk”: ha az első alma pirosnak bizonyul, akkor a második szükségszerűen zöld, és fordítva. Küldhetünk egyet Pétervárból Moszkvába, megtartva a zavaros állapotukat, de úgy tűnik, hogy ez minden. Csak akkor, amikor Szentpéterváron egy almát vörösnek mérnek, akkor a második zöld színűvé válik Moszkvában. A mérés pillanatáig nincs lehetőség az alma állapotának megjósolására, mert (ugyanazok a paradoxonok!) Nincs a legmeghatározóbb állapota. Mi a haszna ennek a befolyásnak?.. És az értelmet már a 2000-es években találták meg, amikor Andrew Jordan és Alekszandr Korotkov a szovjet fizikusok ötleteire támaszkodva megtalálta a módját, amellyel "nem a végig" mérik, és ezért rögzítik a részecskék állapotát.
A "gyenge kvantummérések" segítségével fél szemmel nézhet egy almát, pillantást vetve, megpróbálva kitalálni annak színét. Megteheti ezt újra és újra, valójában anélkül, hogy megfelelően megnézné az almát, de nagyon magabiztosan határozhatja meg, hogy az például piros, ami azt jelenti, hogy egy Moszkvában almásított alma zöld lesz. Ez lehetővé teszi az összegabalyodott részecskék újra és újra felhasználását, és a körülbelül tíz évvel ezelőtt javasolt módszerek lehetővé teszik, hogy meghatározhatatlan ideig hosszú körben futva tárolják őket. Fenn kell maradnia, hogy az egyik részecskét elviszi - és rendkívül hasznos rendszert kapjon.
Őszintén szólva úgy tűnik, hogy az összegabalyodott részecskék előnyei sokkal többet jelentenek, mint általában gondolják, csak a szűkös képzeletünk, amelyet a valóság ugyanazon makroszkopikus skálája korlátoz, nem teszi lehetővé, hogy valódi alkalmazásokat hozzunk létre rájuk. A már meglévő javaslatok azonban elég fantasztikusak. Így összefonódott részecskék alapján meg lehet szervezni egy csatornát a kvantum-teleportációhoz, az egyik objektum kvantumállapotának teljes „leolvasásához” és a másikba „rögzítéséhez”, mintha az elsőket egyszerűen átviszik a megfelelő távolságra. A kvantum-kriptográfia kilátásai realisztikusabbak, amelyek algoritmusai szinte "megszakíthatatlan" kommunikációs csatornákat ígérnek: munkájukba való bármilyen beavatkozás befolyásolja az összefonódott részecskék állapotát, és a tulajdonos azonnal észreveszi. Itt játszik szerepet a QESS (Quantum Experiments at Space Scale) kínai kísérlet.
Számítógépek és műholdak
A probléma az, hogy a Földön nehéz megbízható kapcsolatot létrehozni a távolba eső összefonódott részecskékkel. Még a legfejlettebb optikai szálban is, amelyen keresztül a fotonokat továbbítják, a jel fokozatosan elhalványul, és a rá vonatkozó követelmények itt különösen magasak. Kínai tudósok még azt is kiszámították, hogy ha összefonódott fotonokat hoz létre és két irányba küldi őket körülbelül 600 km hosszú válllal - a távolság a Dalinghe kvantumtudomány központjától a Sencsen és Lijiang központjaiig -, akkor számíthat arra, hogy kb. 30 Ezer év. A űr egy másik kérdés, amelynek mély vákuumában a fotonok olyan távolságra repülnek, hogy akadályokat ne találjanak meg. Aztán a kísérleti műholdas Mozi ("Mo-Tzu") lép be a jelenetre.
Az űrhajóra egy forrást (lézer- és nemlineáris kristályt) telepítettek, amely minden második másodpercben több millió pár összefonódott fotont hozott létre. 500-1700 km távolságból ezeknek a fotonoknak egy részét a tibeti Delingben található földi megfigyelőközpontba küldték, a második - Kína déli részén lévő Sencsenben és Lijiangban. Amint várható volt, a részecskék fő vesztesége a légkör alsó rétegeiben fordult elő, de ez csak mintegy 10 km-re van az egyes fotonnyalábok útjától. Ennek eredményeként az összefonódott részecskék csatornája lefedi a távolságot Tibettől az ország déli részétől - körülbelül 1200 km-t, és ez év novemberében új vonal nyílt, amely összeköti a keleti Anhui tartományt a Hubei központi tartományával. A csatorna eddig nem volt megbízható, de ez már a technológia kérdése.
A közeljövőben a kínaiak fejlettebb műholdak elindítását tervezik az ilyen csatornák szervezésére, és ígérik, hogy hamarosan működő kvantumkapcsolatot fogunk látni Peking és Brüsszel között, valójában a kontinens egyik végéről a másikra. A kvantummechanika újabb "lehetetlen" paradoxona újabb ugrást ígér a technológiában.
Szergej Vasziljev