Kvanttimekaniikan ennusteita on joskus vaikea yhdistää klassisen maailman ideoihin. Vaikka klassisen hiukkasen sijainti ja vauhti voidaan mitata samanaikaisesti, kvantitapauksessa voit tietää vain todennäköisyyden löytää hiukkanen yhdessä tai toisessa tilassa. Lisäksi kvanttiteoria väittää, että kun kaksi järjestelmää takertuu, toisen tilan mittaus vaikuttaa heti toiseen. Vuonna 2015 kolme fyysikkojen ryhmää edistyi merkittävästi kvantti-takertumisen ja teleportaation luonteen ymmärtämisessä. Fysiikka tänään ja Lenta.ru puhuvat tutkijoiden saavutuksista.
Albert Einstein oli eri mieltä kvanttimekaniikan todennäköisyyden tulkinnasta. Juuri tässä yhteydessä hän sanoi, että "Jumala ei pelaa noppaa" (johon tanskalainen fyysikko Niels Bohr vastasi myöhemmin, ettei Einsteinin tehtävä päättää mitä tehdä Jumalalle). Saksalainen tutkija ei hyväksynyt mikromaailmaan liittyvää epävarmuutta ja piti klassista determinismia oikeana. Yleisen suhteellisuusteorian luoja uskoi, että mikromaailmaa kuvaaessaan kvanttimekaniikka ei ota huomioon joitain piilotettuja muuttujia, joita ilman itse kvanttiteoria on epätäydellinen. Tutkija ehdotti, että etsitään piilotettuja parametreja mitattaessa kvanttitilaa klassisella laitteella: tämä prosessi sisältää muutoksen ensimmäisessä sekunnilla, ja Einstein piti mahdolliseksi kokeilla, missä tällaista muutosta ei ole.
Siitä lähtien tutkijat ovat yrittäneet selvittää, onko kvanttimekaniikassa piileviä muuttujia vai onko se Einsteinin keksintö. Piilotettujen muuttujien ongelma virallistettiin vuonna 1964 brittiläisen teoreettisen fyysikon John Bellin toimesta. Hän ehdotti ajatusta kokeilusta, jossa minkä tahansa piilotetun parametrin esiintyminen järjestelmässä voidaan selvittää suorittamalla tilastollinen analyysi sarjasta erikoiskokeita. Koe oli tällainen. Atomi sijoitettiin ulkoiseen kenttään emittoimalla samanaikaisesti fotoneja, jotka hajottivat vastakkaisiin suuntiin. Kokeilijoiden tehtävänä on suorittaa useita mittauksia fotonin pyörimien suunnasta.
Tämä mahdollistaisi tarvittavien tilastotietojen keräämisen ja tarkistaisi Einsteinin näkökulmasta käyttämällä Bellin epäyhtälöitä, jotka ovat matemaattinen kuvaus piilotettujen parametrien esiintymisestä kvanttimekaniikassa. Suurimmat vaikeudet olivat kokeen käytännöllisessä toteuttamisessa, jonka fyysikot myöhemmin onnistuivat lisääntymään. Tutkijat ovat osoittaneet, että kvanttimekaniikassa ei todennäköisesti ole piilotettuja parametreja. Sillä välin teoriassa oli kaksi porsaanreikää (sijainti ja havaitseminen), jotka voisivat osoittaa Einsteinin olevan oikeassa. Yleensä aukkoja on enemmän. Vuoden 2015 kokeilut sulkivat ne ja vahvistivat, että mikrokosmossa ei todennäköisesti ole paikallista realismia.
"Spooky action" Bob ja Alice
Kuva: JPL-Caltech / NASA
Puhumme kolmen fyysikkoryhmän kokeista: Alankomaissa sijaitsevasta Delftin teknillisestä yliopistosta, Yhdysvaltojen kansallisesta standardi- ja teknologiainstituutista ja Itävallan Wienin yliopistosta. Tutkijoiden kokeilut eivät vain vahvistaneet kvantimekaniikan täydellisyyttä ja piilotettujen parametrien puuttumista siinä, mutta myös avasivat uusia mahdollisuuksia kvantisalaus - menetelmä tietojen salaamiseksi (suojaamiseksi) käyttämällä kvanttipitoisuutta kvantiprotokollia käyttämällä - ja johti luomattomien algoritmien luomiseen satunnaislukuja.
Mainosvideo:
Kvanttien takertuminen on ilmiö, jossa hiukkasten kvantitilaa (esimerkiksi elektronin spin tai fotonin polarisaatio), erotettuna etäisyydellä toisistaan, ei voida kuvata itsenäisesti. Menetelmä yhden hiukkasen tilan mittaamiseksi johtaa muutokseen toisen hiukkasen tilassa. Tyypillisessä kvantti-takertumiskokeessa etäisyydellä toisistaan vaikuttavat aineet - Alice ja Bob - omaavat molemmat yhden hiukkasen (fotonit tai elektronit) takertuneiden parien joukosta. Yhden tekijän, esimerkiksi Alice, mittaaminen hiukkasesta korreloi toisen tilan kanssa, vaikka Alice ja Bob eivät tiedä etukäteen toistensa manipulaatioista.
Tämä tarkoittaa, että hiukkaset jotenkin tallentavat tietoa toisistaan eivätkä vaihda sitä esimerkiksi kevyellä nopeudella käyttämällä jotakin tieteen tuntemaa perustavanlaatuista vuorovaikutusta. Albert Einstein kutsui sitä "kauhistuttavaksi toiminnaksi etäältä". Takertuneet hiukkaset rikkovat paikallisuusperiaatetta, jonka mukaan esineen tilaan voi vaikuttaa vain sen välitön ympäristö. Tämä ristiriita liittyy Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksiin (mikä viittaa edellä mainittuun kvantimekaniikan epätäydellisyyteen ja piilotettujen parametrien esiintymiseen) ja muodostaa yhden kvanttimekaniikan tärkeimmistä käsitteellisistä vaikeuksista (joita ei kuitenkaan enää pidetä paradoksina) (ainakin sen Kööpenhaminan tulkinnassa)).
Kaavio hollantilaisten tutkijoiden kokeesta
Kuva: arXiv.org
Paikallisen realismin puolustajat väittävät, että vain paikalliset muuttujat voivat vaikuttaa hiukkasiin, ja Allicen ja Bobin hiukkasten välinen korrelaatio suoritetaan jollain piilotetulla menetelmällä, jota tutkijat eivät vieläkään tiedä. Tutkijoiden tehtävänä oli kumota tämä mahdollisuus kokeellisesti, erityisesti estääkseen piilotetun signaalin leviäminen aineesta toiseen (olettaen, että se liikkuu valon nopeudella tyhjiössä - suurin mahdollinen luonteeltaan), ja siten osoittaa, että toisen hiukkasen kvanttilassa on tapahtunut muutos. ennen kuin ensimmäisen hiukkasen piilevä signaali voisi saavuttaa toisen.
Käytännössä tämä tarkoittaa Bob ja Alice sijoittamista huomattavalle etäisyydelle toisistaan (ainakin kymmeniä metrejä). Tämä estää minkä tahansa hiukkasen tilan muutosta koskevan signaalin etenemisen ennen toisen hiukkasen tilan mittaamista (sijaintiloukku). Samaan aikaan yksittäisten hiukkasten (etenkin fotonien) kvanttilan havaitsemisen epätäydellisyys jättää tilaa näytteenotto- (tai havaitsemis-) porsaanreikiä varten. Delftin teknillisen yliopiston fyysikot onnistuivat ensimmäistä kertaa välttämään kaksi vaikeutta kerralla.
Kokeessa käytimme timanttiantureita, joiden välissä oli signaalierotin. Tutkijat ottivat parin takertumattomia fotoneja ja hajottivat ne eri tiloihin. Sitten kukin elektronista takertui fotoniparilla, joka siirrettiin sitten kolmanteen avaruuteen. Kokeilujen aikana oli mahdollista havaita, että yhden elektronin tilan (spin) muutos vaikutti toiseen. Vain 220 tunnissa (yli 18 päivässä) fyysikot ovat testanneet Bellin epätasa-arvoa 245 kertaa. Havaitut elektronimäärät mitattiin lasersäteillä.
Kokeessa oli mahdollista mitata noin 1,3 km: n etäisyydellä toisistaan olevien hiukkasten kvantitilat ja osoittaa Bellin epätasa-arvon pätevyys (eli kvantiteorian paikkansapitävyys ja paikallisen realismin käsitteen virheellisyys). Tämän tutkimuksen tulokset julkaistaan Nature-lehdessä. Sen kirjoittajien ennustetaan saaneen fysiikan Nobel-palkinnon.
Ilmaisinten sijainti Hollannin kokeessa
Kuva: arXiv.org
Joukkueet Yhdysvalloista ja Itävallasta ovat kokeilleet fotoneja. Joten kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin tutkijat pystyivät murtamaan ennätyskvanttiteleportaation etäisyydestä (järjestelmän kvanttitilan siirtäminen etäisyydellä) kuituoptisella kaapelilla suorittamalla se 102 kilometrin etäisyydellä. Tätä varten tutkijat käyttivät neljää yksifotoni-ilmaisinta, jotka on luotu samassa instituutissa suprajohtavien nanojohtojen perusteella (jäähdytetty miinus 272 asteeseen) piipitoisesta molybdeenista. Vain prosentti fotoneista matkusti 102 kilometrin matka. Aikaisempi ennätys kvanttiteleportaation etäisyydestä kuidun yli oli 25 kilometriä (vertailun vuoksi: ennätys kvanttiteleportaation etäisyydestä ilmassa oli 144 km).
Itävaltalaiset tutkijat käyttivät tehokkaampia antureita kuin amerikkalaiset, mutta ajallinen resoluutio Yhdysvaltojen fyysikkojen kokeissa on paljon suurempi. Toisin kuin hollantilaiset fyysikot, joiden asetukset tallensivat noin yhden tapahtuman tunnissa, Yhdysvaltojen ja Itävallan tutkijat pystyivät suorittamaan yli tuhat testiä sekunnissa, mikä käytännössä sulkee pois mahdollisen satunnaisen korrelaation kokeellisissa tuloksissa.
Tutkijat yrittävät parhaillaan parantaa kokeiden tehokkuutta - ne kuljettavat hiukkasia yhä suuremmalle etäisyydelle ja lisäävät mittaustaajuutta. Valitettavasti optisen kanavan pidentäminen johtaa häviämiseen havaittujen hiukkasten osuudessa ja toteuttaa jälleen havaitsemisreiän vaaran. Kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin tutkijat yrittävät torjua tätä käyttämällä kokeissa kvanttihaittojen lukumäärää. Tässä tapauksessa fotoneja ei tarvitse kuljettaa pitkiä matkoja, ja luotu tekniikka on hyödyllinen kvanttien kryptografiassa.
Andrey Borisov