Ei niin kauan sitten fyysikot näyttivät QUESS-operaation ensimmäiset tulokset ja sen puitteissa kiertoradalle avattu Mozi-satelliitti tarjosi ennätyseron kvantti-takertuneista fotoneista yli 1200 km: n etäisyydellä. Jatkossa tämä voi johtaa kvanttiviestintälinjan luomiseen Pekingin ja Euroopan välille.
Ympäröivä maailma on suuri ja monimuotoinen - niin monimuotoinen, että joillakin asteikkoilla ilmenee lakeja, joita toiset eivät voi täysin ajatella. Politiikan ja Beatlemanian lait eivät millään tavoin johdu atomin rakenteesta - niiden kuvaus vaatii omat "kaavansa" ja omat periaatteensa. On vaikea kuvitella, että omena - makroskooppinen esine, jonka käyttäytyminen yleensä noudattaa Newtonin mekaniikan lakeja - otti ja katosi, sulautui toiseen omenaan ja muuttui ananaksi. Ja silti juuri sellaiset paradoksaaliset ilmiöt ilmenevät alkuainehiukkasten tasolla. Saatuaan tietää, että tämä omena on punainen, on epätodennäköistä, että muutumme vihreäksi toiselle, joka sijaitsee jossain kiertoradalla. Sillä välin juuri näin tapahtuu kvantti-takertumisen ilmiö, ja juuri nämä kiinalaiset fyysikot, joiden kanssa aloitimme keskustelun, ovat osoittaneet. Yritetään selvittää semikä se on ja kuinka se voi auttaa ihmiskuntaa.
Bohr, Einstein ja muut
Ympäröivä maailma on paikallista - toisin sanoen, jotta jokin kaukainen esine muuttuisi, sen on oltava vuorovaikutuksessa toisen kohteen kanssa. Lisäksi mikään vuorovaikutus ei voi levitä valoa nopeammin: tämä tekee fyysisestä todellisuudesta paikallisen. Omena ei voi lyödä Newtonia päähän fyysisesti päästämättä siihen. Auringon soihdutus ei voi heti vaikuttaa satelliittien toimintaan: varautuneiden hiukkasten on katettava etäisyys maapallosta ja oltava vuorovaikutuksessa elektroniikan ja ilmakehän hiukkasten kanssa. Mutta kvantimaailmassa paikallisuutta rikotaan.
Alkuainehiukkasten maailman paradokseista tunnetuin on Heisenbergin epävarmuusperiaate, jonka mukaan kvanttijärjestelmän molempien "pari" -ominaisuuksien arvoa on mahdoton määrittää tarkasti. Sijainti avaruudessa (koordinaatti) tai nopeus ja liikesuunta (impulssi), virta tai jännite, sähkö- tai magneettikenttäkomponentin suuruus - kaikki nämä ovat "toisiaan täydentäviä" parametreja, ja mitä tarkemmin mitataan yksi niistä, sitä vähemmän selväksi toinen tulee.
Erään kerran epävarmuuden periaate aiheutti Einsteinin väärinkäsityksen ja hänen kuuluisan skeptisen vastalauseensa: "Jumala ei pelaa noppaa". Se näyttää kuitenkin pelaavan: kaikki tunnetut kokeet, epäsuorat ja suorat havainnot ja laskelmat osoittavat, että epävarmuuden periaate on seurausta maailman perusteettomasta määrittelemättömyydestä. Ja jälleen kerran olemme ristiriidassa todellisuuden asteikkojen ja tasojen välillä: siellä missä olemme, kaikki on melko varmaa: jos irrotat sormesi ja vapautat omenan, se putoaa, Maan painovoiman vetämänä. Mutta syvemmälle tasolle ei yksinkertaisesti ole syitä ja vaikutuksia, vaan on vain todennäköisyyden tanssi.
Mainosvideo:
Hiukkasten kvantti-takertuneen tilan paradoksi on siinä, että "isku päähän" voi tapahtua täsmälleen samanaikaisesti omenan erotuksen kanssa haarasta. Sitoutuminen ei ole paikallinen, ja kohteen muuttaminen yhdessä paikassa heti - ja ilman mitään ilmeistä vuorovaikutusta - muuttaa toisen kohteen kokonaan toisessa. Teoreettisesti voimme kuljettaa yhden takertuneista hiukkasista ainakin maailmankaikkeuden toiseen päähän, mutta joka tapauksessa, jos "kosketamme" sen kumppania, joka jäi maan päälle, ja toinen hiukkanen reagoi välittömästi. Einsteinille ei ollut helppoa uskoa tätä, ja hänen väitteistään Niels Bohrin ja kollegoiden kanssa kvantimekaniikan "leiristä" tuli yksi kiehtovimmista aiheista nykyajan tiedehistoriassa. "Todellisuus on varma", kuten Einstein ja hänen tukijansa sanoisivat, "vain mallimme, yhtälöt ja työkalut ovat epätäydellisiä".”Mallit voivat olla mitä tahansa,mutta todellisuutta itse maailman pohjassa ei ole koskaan määritetty täysin”, kvantimekaniikan kannattajat vastustivat.
Vastoin paradoksejaan, Einstein muotoili vuonna 1935 yhdessä Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa oman paradoksinsa. "Okei", he perustelivat, "sanotaan, että on mahdotonta selvittää hiukkasen koordinaattia ja vauhtia samanaikaisesti. Mutta entä jos meillä on kaksi yhteistä alkuperää olevaa hiukkasta, joiden tilat ovat identtiset? Sitten voimme mitata yhden vauhtia, joka antaa meille epäsuorasti tietoja toisen vauhdista, ja toisen koordinaatin, joka antaa tietoa ensimmäisen koordinaatista. " Tällaiset hiukkaset olivat puhtaasti spekulatiivista rakennetta, ajatuskokeilua - ehkä siksi Niels Bohr (tai pikemminkin hänen seuraajansa) onnistui löytämään kunnollisen vastauksen vasta 30 vuotta myöhemmin.
Ehkä ensimmäisen kvantti-mekaanisten paradoksien haamu havaitsi Heinrich Hertz, joka huomasi, että jos kipinärakoelektrodit valaistaisiin ultraviolettivalolla, kipinän kulku oli huomattavasti helpompaa. Stoletovin, Thomsonin ja muiden suurten fyysikkojen kokeilut antoivat mahdollisuuden ymmärtää, että tämä tapahtuu johtuen siitä, että säteilyn vaikutuksesta aine emittoi elektroneja. Tämä on kuitenkin täysin erilainen kuin mitä logiikka viittaa; esimerkiksi vapautuneiden elektronien energia ei ole suurempi, jos lisäämme säteilyintensiteettiä, mutta se kasvaa, jos vähentämme sen taajuutta. Lisäämällä tätä taajuutta tulemme rajalle, jonka ylittyessä aineella ei ole valotehosteita - tämä taso on erilainen eri aineille.
Einstein pystyi selittämään nämä ilmiöt, joista hän sai Nobel-palkinnon. Ne ovat yhteydessä energian kvantisointiin - tosiasiaan, että sitä voidaan siirtää vain tietyillä "mikrosuunnilla", kvantteilla. Jokaisella säteilyn fotonilla on tietty energia, ja jos se riittää, niin sen absorboituneen atomin elektroni lentää vapauteen. Fotonien energia on käänteisesti verrannollinen aallonpituuteen, ja kun fotoelektrisen vaikutuksen raja saavutetaan, se ei enää riitä edes antamaan elektronille vapautumisen edellyttämää vähimmäisenergiaa. Nykyään tätä ilmiötä kohdataan kaikkialla - aurinkopaneelien muodossa, joiden valokennot toimivat tarkalleen tämän vaikutuksen perusteella.
Kokeet, tulkinnat, mystiikka
1960-luvun puolivälissä John Bell kiinnostui kvanttimekaniikan nonlocality-ongelmasta. Hän pystyi tarjoamaan matemaattisen perustan täysin toteutettavissa olevalle kokeelle, jonka pitäisi loppua yhdellä vaihtoehtoisista tuloksista. Ensimmäinen tulos "toimi", jos paikallisuuden periaatetta todella loukataan, toinen - jos se kuitenkin toimii, ja meidän on etsittävä jotakin muuta teoriaa hiukkasten maailman kuvaamiseksi. Stuart Friedman ja John Clauser ja sitten Alain Aspan tekivät tällaisia kokeita jo 1970-luvun alkupuolella. Yksinkertaisesti sanottuna, tehtävä oli luoda takertuvien fotonien pareja ja mitata niiden pyöritys yksitellen. Tilastolliset havainnot ovat osoittaneet, että pyöritykset eivät ole vapaita, vaan korreloivat keskenään. Tällaisia kokeita on tehty siitä lähtien melkein jatkuvasti,entistä tarkempi ja täydellinen - ja tulos on sama.
On lisättävä, että kvantti-takertumisen mekanismi on edelleen epäselvä, on vain ilmiö - ja erilaiset tulkinnat antavat selityksen. Siten kvanttimekaniikan monen maailman tulkinnassa takertuneet hiukkaset ovat vain projektiot yhden hiukkasen mahdollisista tiloista muissa rinnakkaisissa universumeissa. Transaktionaalisessa tulkinnassa näitä hiukkasia yhdistävät seisovat ajan aallot. "Kvanttimistikoille" takertumisen ilmiö on vielä yksi syy harkita maailman paradoksaalista perustaa tapana selittää kaikkea käsittämätöntä, alkeispartikkeleista itseään ihmisen tietoisuuteen. Mystiikot voivat ymmärtää: jos ajattelet sitä, seuraukset ovat huimaus.
Clauser-Friedmanin yksinkertainen kokeilu osoittaa, että fyysisen maailman sijainti elementtihiukkasten mittakaavassa voidaan loukata, ja todellisuuden perusta osoittautuu - Einsteinin kauhuksi - epämääräiseksi ja määrittelemättömäksi. Tämä ei tarkoita, että vuorovaikutus tai tieto voidaan välittää välittömästi, takertumisen kustannuksella. Avaruuteen takertuneiden hiukkasten erottelu etenee normaalilla nopeudella, mittaustulokset ovat satunnaisia, ja kunnes mittaamme yhden hiukkasen, toinen ei sisällä mitään tietoja tulevaisuuden tuloksesta. Toisen hiukkasen vastaanottajan kannalta tulos on täysin satunnainen. Miksi kaikki tämä kiinnostaa meitä?
Hiukkasten takertuminen: Ota kide, jolla on epälineaariset optiset ominaisuudet - ts. Sellainen, jonka valon vuorovaikutus riippuu tämän valon voimakkuudesta. Esimerkiksi litiumtriboraatti, bariumbeetaboraatti, kaliumniobaatti. Säteilyttämällä sitä sopivan aallonpituuden laserilla, ja lasersäteilyn korkeaenergiset fotonit hajoavat toisinaan pienemmän energian takertuneiksi fotoneiksi (tätä ilmiötä kutsutaan "spontaaniksi parametriseksi sirontaan") ja polarisoituvat kohtisuorassa tasossa. Ainoa jäljellä on pitää takertuneet hiukkaset ehjinä ja levittää ne mahdollisimman kauas toisistaan.
Näyttää siltä, että pudotimme omenan puhuttaessa epävarmuuden periaatteesta? Nosta se ylös ja heitä seinää vasten - tietysti se rikkoutuu, koska makroskosmassa toinen kvanttimekaaninen paradoksi - tunnelointi - ei toimi. Tunneloinnin aikana hiukkanen pystyy ylittämään oman energiansa korkeamman energiaesteen. Analogia omenan ja seinän kanssa on tietysti erittäin likimääräinen, mutta selkeä: tunnelointitehoste antaa fotonien tunkeutua heijastavaan väliaineeseen ja elektronit - "ei huomaa" ohutta alumiinioksidikalvoa, joka peittää johdot ja on oikeastaan dielektrinen.
Päivittäinen logiikkamme ja klassisen fysiikan lait eivät ole kovin sovellettavissa kvanttiparadokseihin, mutta ne toimivat silti ja ovat laajalti käytössä tekniikassa. Fyysikot näyttävät olleen (väliaikaisesti) päättäneet: vaikka emme vielä tiedä täysin sen toimivuutta, siitä voidaan hyötyä jo tänään. Tunnelointitehoste on joidenkin nykyaikaisten mikrosirujen toiminnan taustalla - tunnelodiodien ja transistorien, tunneliliitosten jne. Muodossa. Ja tietenkin, emme saa unohtaa skannaavia tunnelimikroskoopeja, joissa hiukkasten tunnelointi tarjoaa tarkkailun yksittäisille molekyyleille ja atomille - ja jopa manipulointia. heiltä.
Viestintä, teleportaatio ja satelliitti
Itse ajatelkaamme, että meillä on “kvantti takertunut” kaksi omenaa: jos ensimmäinen omena osoittautuu punaiseksi, toinen on välttämättä vihreä ja päinvastoin. Voimme lähettää yhden Pietarista Moskovaan pitäen heidän hämmentyneen tilansa, mutta se näyttää kaikki. Vasta kun Pietarissa omena mitataan punaisena, toinen muuttuu vihreäksi Moskovassa. Mittaushetkeen asti omenan tilaa ei ole mahdollista ennustaa, koska (kaikki samat paradoksidit!) Niillä ei ole tarkempaa tilaa. Mitä hyötyä tästä takertumisesta on?.. Ja järki löydettiin jo 2000-luvulla, kun Andrew Jordan ja Alexander Korotkov, tukeutuen Neuvostoliiton fyysikkojen ideoihin, löysivät tavan mitata, sellaisena kuin se oli, "ei loppuun asti", ja siksi korjata hiukkasten tilat.
Käyttämällä "heikkoja kvanttimittauksia", voit ikään kuin katsoa omenaa puolisilmäisyydellä, tarttua välähdykseen ja yrittää arvata sen väriä. Voit tehdä tämän uudestaan ja uudestaan, itse asiassa, katsomatta omenaa kunnolla, mutta aivan varmasti määrittää, että se on esimerkiksi punainen, mikä tarkoittaa, että Moskovassa sekoitettu omena on vihreä. Tämä sallii takertuneiden hiukkasten käytön uudestaan ja uudestaan, ja noin 10 vuotta sitten ehdotetut menetelmät sallivat niiden varastoinnin ajamalla ympyrässä toistaiseksi pitkään. Jää vielä kantaa yksi hiukkasista pois - ja saada erittäin hyödyllinen järjestelmä.
Suoraan sanottuna näyttää siltä, että takertuneet hiukkaset ovat paljon hyödyllisempiä kuin yleisesti ajatellaan. Pelkkä mielikuvituksemme, jota rajoittaa sama todellisuuden makroskooppinen mittakaava, ei anna meille mahdollisuutta keksiä heille todellisia sovelluksia. Jo olemassa olevat ehdotukset ovat kuitenkin melko fantastisia. Siksi takertuneiden hiukkasten perusteella on mahdollista järjestää kanava kvantti-teleportaatiolle, täydellinen”lukeminen” yhden esineen kvantitilasta ja “tallentaa” se toiseen, ikään kuin ensimmäiset siirrettäisiin yksinkertaisesti sopivalle etäisyydelle. Kvanttien salausnäkymät ovat realistisempia, joiden algoritmit lupaavat melkein "särkymättömiä" viestintäkanavia: mahdollinen häiriö heidän työhönsä vaikuttaa takertuneiden hiukkasten tilaan ja omistaja havaitsee heti. Tässä tulee Kiinan kokeilu QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Tietokoneet ja satelliitit
Ongelmana on, että maapallolla on vaikea luoda luotettava yhteys kaukana toisiinsa kiinnittyneisiin hiukkasiin. Jopa edistyneimmässä optisessa kuidussa, jonka kautta fotoneja välitetään, signaali häviää vähitellen ja sille asetetut vaatimukset ovat erityisen korkeat. Kiinalaiset tutkijat jopa laskivat, että jos luot takertuneita fotoneja ja lähetät ne kahteen suuntaan olkapäillä noin 600 km: n päässä - puolet etäisyydestä Dalinghen kvantitieteen keskustasta Shenzhenin ja Lijiangin keskuksiin -, voit odottaa saavansa takertuvan parin noin Tuhat vuotta. Avaruus on toinen asia, jonka syvässä tyhjiössä fotonit lentävät niin kaukana ilman esteitä. Ja sitten kokeellinen satelliitti Mozi ("Mo-Tzu") saapuu näyttämölle.
Lähde (laser- ja epälineaarinen kide) asennettiin avaruusalukseen, joka tuotti joka toinen useita miljoonia pareja takertuneita fotoneja. Jotkut näistä fotoneista lähetettiin 500-1700 km: n etäisyydelle Tiibetin Delingin maan seurantakeskukseen ja toinen - Shenzheniin ja Lijiangiin Etelä-Kiinassa. Kuten voidaan odottaa, hiukkasten päähäviöt tapahtuivat ilmakehän alemmissa kerroksissa, mutta tämä on vain noin 10 km kunkin fotonisäteen polusta. Seurauksena takertuneiden hiukkasten kanava kattoi etäisyyden Tiibetistä maan eteläpuolelle - noin 1200 km, ja tämän vuoden marraskuussa avattiin uusi linja, joka yhdistää idässä Anhuin maakunnan Hubein keskus provinssiin. Toistaiseksi kanavalta puuttuu luotettavuus, mutta tämä on jo tekniikan kysymys.
Lähitulevaisuudessa kiinalaiset suunnittelevat käynnistävänsä edistyneempiä satelliitteja tällaisten kanavien järjestämiseen ja lupaavat, että pian näemme toimivan kvanttiyhteyden Pekingin ja Brysselin välillä, itse asiassa maanosan yhdestä päästä toiseen. Toinen "mahdoton" kvanttimekaniikan paradoksi lupaa uuden harppauksen tekniikkaan.
Sergei Vasiliev