Квантовая запутанность — королева парадоксов — Naked Science
29.11.2018
26 минут
Редакция
7
4535

Квантовая запутанность — королева парадоксов

Не так давно физики показали первые результаты работы миссии QUESS и запущенного в ее рамках на орбиту спутника Mozi, обеспечив рекордное разделение квантово запутанных фотонов расстоянием более 1200 км. В будущем это может привести к созданию квантовой линии связи между Пекином и Европой.

depositphotos_44564289_original

Мир вокруг велик и разнообразен – разнообразен настолько, что на одних масштабах проявляются законы, совершенно немыслимые для других. Законы политики и битломания никак не следуют из устройства атома – для их описания требуются свои «формулы» и свои принципы. Трудно представить, чтобы яблоко – макроскопический объект, поведение которого обычно следует законам ньютоновской механики, – взяло и исчезло, слилось с другим яблоком, превратившись в ананас. А между тем именно такие парадоксальные феномены проявляются на уровне элементарных частиц. Узнав, что это яблоко красное, вряд ли мы сделаем зеленым другое, находящееся где-нибудь на орбите. А между тем именно так действует явление квантовой запутанности, и именно это продемонстрировали китайские физики, с работы которых мы начали наш разговор. Попробуем разобраться, что же это такое и чем может помочь человечеству.

 

Бор, Эйнштейн и другие

 

Мир вокруг локален – иначе говоря, для того чтобы какой-то далекий объект изменился, он должен провзаимодействовать с другим объектом. При этом никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью быстрее световой: это и делает физическую реальность локальной. Яблоко не может шлепнуть Ньютона по голове, не добравшись до нее физически. Вспышка на Солнце не может мгновенно сказаться на работе спутников: заряженным частицам придется преодолеть расстояние до Земли и провзаимодействовать с электроникой и частицами атмосферы. Но вот в квантовом мире локальность нарушается. 

 

 

Самым знаменитым из парадоксов мира элементарных частиц можно назвать принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно точно определить величину обеих «парных» характеристик квантовой системы. Положение в пространстве (координата) или скорость и направление движения (импульс), ток или напряжение, величина электрической или магнитной компоненты поля – все это «взаимодополняющие» параметры, и чем точнее мы измерим один из них, тем менее определенным станет второй.

 

Когда-то именно принцип неопределенности вызвал непонимание Эйнштейна и его знаменитое скептическое возражение «Бог не играет в кости». Однако, похоже, играет: все известные эксперименты, косвенные и прямые наблюдения и расчеты указывают, что принцип неопределенности является следствием фундаментальной недетерменированности нашего мира. И снова мы приходим к несочетанию масштабов и уровней реальности: там, где существуем мы, все вполне определенно: если разжать пальцы и отпустить яблоко, оно упадет, притянутое гравитацией Земли. Но на уровне более глубинном причин и следствий попросту нет, а существует лишь пляска вероятностей.

 

 

Парадоксальность квантово запутанного состояния частиц в том и состоит, что «удар по голове» может произойти ровно одновременно с отрывом яблока от ветки. Запутанность нелокальна, и изменение объекта в одном месте мгновенно – и без всякого очевидного взаимодействия – меняет другой объект совершенно в другом. Теоретически мы можем отнести одну из запутанных частиц хоть на другой конец Вселенной, но все равно стоит нам «коснуться» ее партнера, оставшегося на Земле, и вторая частица откликнется моментально. Самому Эйнштейну поверить в это было непросто, и спор его с Нильсом Бором и коллегами из «лагеря» квантовой механики стал одним из самых увлекательных сюжетов в современной истории науки. «Реальность определенна, – как бы говорили Эйнштейн и его сторонники, – несовершенны лишь наши модели, уравнения и инструменты». «Модели могут быть какими угодно, но сама реальность в основе нашего мира никогда не определена до конца», – возражали адепты квантовой механики. 

 

 

Выступая против ее парадоксов, в 1935 г. Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал свой парадокс. «Ну хорошо, – рассуждали они, – допустим, узнать одновременно координату и импульс частицы невозможно. Но что, если у нас есть две частицы общего происхождения, состояния которых идентичны? Тогда мы можем измерить импульс одной, что даст нам косвенным образом сведения об импульсе другой, и координату другой, что даст знание координаты первой». Такие частицы были чисто умозрительной конструкцией, мысленным экспериментом – возможно, поэтому достойный ответ Нильсу Бору (а точнее, его последователям) удалось найти только 30 лет спустя.

 

Пожалуй, первый призрак квантово-механических парадоксов наблюдал еще Генрих Герц, заметивший, что если электроды разрядника осветить ультрафиолетом, то прохождение искры заметно облегчается. Эксперименты Столетова, Томсона и других великих физиков позволили понять, что происходит это благодаря тому, что под действием излучения вещество испускает электроны. Однако происходит это совершенно не так, как подсказывает логика; например, энергия высвободившихся электронов не будет выше, если мы увеличим интенсивность излучения, зато возрастет, если мы уменьшим его частоту. Увеличивая же эту частоту, мы придем к границе, за которой никакого фотоэффекта вещество не проявляет – этот уровень у разных веществ разный. 

 

Объяснить эти феномены удалось Эйнштейну, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Связаны они с квантованием энергии – с тем, что она может передаваться лишь определенными «микропорциями», квантами. Каждый фотон излучения несет определенную энергию, и если ее достаточно, то электрон поглотившего его атома вылетит на свободу. Энергия фотонов обратно пропорциональна длине волны, и при достижении границы фотоэффекта ее уже недостаточно даже для сообщения электрону минимально нужной для выхода энергии. Сегодня это явление встречается нам повсеместно – в виде солнечных батарей, фотоэлементы которых работают именно на основе этого эффекта.

 

Эксперименты, интерпретации, мистика

 

В середине 1960-х Джон Белл заинтересовался проблемой нелокальности в квантовой механике. Ему удалось предложить математическую основу для вполне осуществимого эксперимента, который должен заканчиваться одним из альтернативных результатов. Первый итог «срабатывал», если принцип локальности действительно нарушается, второй – если все-таки он действует всегда и нам придется искать какую-то другую теорию для описания мира частиц. Уже в начале 1970-х такие эксперименты были поставлены Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером, а затем – Аленом Аспэном. Упрощенно говоря, задача состояла в создании пар спутанных фотонов и измерении их спинов, одного за другим. Статистические наблюдения показали, что спины оказываются не свободными, а скоррелированными друг с другом. Такие опыты проводятся с тех пор почти непрерывно, все более точные и совершенные – и результат один и тот же. 

 

 

Стоит добавить, что механизм, объясняющий квантовую запутанность, неясен до сих пор, существует лишь явление – и различные интерпретации дают свои объяснения. Так, в многомировой интерпретации квантовой механики запутанные частицы – это лишь проекции возможных состояний одной-единственной частицы в других параллельных вселенных. В транзакционной интерпретации эти частицы связывают стоячие волны времени. Для «квантовых мистиков» феномен запутанности – еще один повод рассматривать парадоксальный базис мира как способ объяснения всему непонятному, от самих элементарных частиц до человеческого сознания. Мистиков можно понять: если вдуматься, то от последствий кружится голова. 

 

Простой опыт Клаузера–Фридмана указывает на то, что локальность физического мира в масштабе элементарных частиц может нарушаться, и сама основа реальности оказывается – к ужасу Эйнштейна – расплывчатой и неопределенной. Это не значит, что взаимодействие или информация могут передаваться мгновенно, за счет запутанности. Разнесение запутанных частиц в пространстве идет с обычной скоростью, результаты измерения случайны, и пока мы не измерим одну частицу, вторая не будет содержать никакой информации о будущем результате. С точки зрения получателя второй частицы, результат совершенно случаен. Почему же все это нас интересует?

 

Как запутать частицы: возьмите кристалл с нелинейными оптическими свойствами – то есть такой, взаимодействие света с которым зависит от интенсивности этого света. Например, триборат лития, бета-борат бария, ниобат калия. Облучите его лазером подходящей длины волны – и высокоэнергетические фотоны лазерного излучения будут иногда распадаться на пары запутанных фотонов меньшей энергии (это явление называется «спонтанным параметрическим рассеянием») и поляризованных в перпендикулярных плоскостях. Остается удержать запутанные частицы в целости и разнести как можно дальше друг от друга.

 

Кажется, при разговоре о принципе неопределенности мы уронили яблоко? Поднимите его и бросьте об стену – разумеется, оно разобьется, ведь в макромире не работает еще один квантово-механический парадокс – туннелирование. При туннелировании частица способна преодолевать энергетический барьер более высокий, чем ее собственная энергия. Аналогия с яблоком и стеной, конечно, очень приблизительная, зато наглядная: туннельный эффект позволяет фотонам проникать внутрь отражающей среды, а электронам – «не замечать» тонкой пленки оксида алюминия, которая покрывает провода и вообще-то является диэлектриком.

 

Наша бытовая логика и законы классической физики к квантовым парадоксам не слишком-то приложимы, но они все равно работают и широко применяются в технике. Физики как будто (временно) решили: пусть мы пока не знаем до конца, как это работает, но пользу из этого можно извлечь уже сегодня. Туннельный эффект лежит в основе работы некоторых современных микрочипов – в виде туннельных диодов и транзисторов, туннельных переходов и т. д. И, конечно, нельзя забывать о сканирующих туннельных микроскопах, в которых туннелирование частиц обеспечивает наблюдение за отдельными молекулами и атомами – и даже манипуляцию ими.

 

Коммуникация, телепортация и спутник

 

В самом деле, давайте представим, что мы «квантово запутали» два яблока: если первое яблоко окажется красным, то второе обязательно зеленым, и наоборот. Мы можем отправить одно из Петербурга в Москву, сохранив их спутанное состояние, но это, казалось бы, все. Только когда в Петербурге яблоко будет измерено как красное, второе станет зеленым в Москве. До момента измерения возможности предсказать состояние яблока нет, потому что (все те же парадоксы!) самого определенного состояния они не имеют. Какой же в этом запутывании толк?.. А толк нашелся уже в 2000‑х, когда Эндрю Джордан и Александр Коротков, опираясь на идеи советских физиков, нашли способ как бы «не до конца» измерять, а значит, и фиксировать состояния частиц. 

 

 

Используя «слабые квантовые измерения», можно как бы взглянуть на яблоко вполглаза, мельком, стараясь угадать его цвет. Можно проделывать такое снова и снова, фактически не посмотрев на яблоко как следует, но вполне уверенно определиться с тем, что оно, например, красное, а значит, спутанное с ним яблоко в Москве будет зеленым. Это позволяет использовать спутанные частицы снова и снова, а предложенные около 10 лет назад методы позволяют хранить их, запустив бегать по кругу неопределенно долгое время. Остается унести одну из частиц подальше – и получить исключительно полезную систему. 

 

Откровенно говоря, создается ощущение, что пользы в запутанных частицах куда больше, чем принято думать, просто наша скудная фантазия, скованная все тем же макроскопическим масштабом реальности, не позволяет придумать им настоящие применения. Впрочем, и уже существующие предложения вполне фантастичны. Так, на основе спутанных частиц можно организовать канал для квантовой телепортации, полного «считывания» квантового состояния одного объекта и «записи» его в другой, как если бы первый просто перенесся на соответствующее расстояние. Более реалистичны перспективы квантовой криптографии, алгоритмы которой обещают почти «невзламываемые» каналы связи: любое вмешательство в их работу скажется на состоянии запутанных частиц и будет тут же замечено владельцем. Тут-то на сцену и выходит китайский эксперимент QESS (Quantum Experiments at Space Scale – «Квантовые эксперименты в космическом масштабе»).

 

Компьютеры и спутники

 

Проблема в том, что на Земле трудно создать надежную связь для разнесенных на большое расстояние запутанных частиц. Даже в самом совершенном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал постепенно затухает, а требования к нему здесь особенно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в две стороны с плечами длиной около 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно рассчитывать поймать по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Иное дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут на сцену выходит экспериментальный спутник Mozi («Мо-Цзы»). 

 

 

На космическом орбитальном аппарате установили источник (лазер и нелинейный кристалл), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны направлялись в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные потери частиц происходили в нижних слоях атмосферы, однако это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга страны – около 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая соединяет провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники. 

 

В ближайшее время китайцы планируют запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим действующую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «невозможный» парадокс квантовой механики обещает очередной скачок в технологиях. 

Вчера, 14:48
8 минут
Мария Азарова

Специалисты подтвердили, что очагом возникновения инфекции стал оптовый рынок в городе Ухань, где продавали не только морепродукты, но и животных, в том числе змей и летучих мышей. Именно они могли быть источниками опасного коронавируса.

Позавчера, 11:41
7 минут
Мария Азарова

Ученые проследили эволюцию небольших придонных Hemiscyllium, которые любят прогуливаться по рифам и пескам и стали отдельным видом девять миллионов лет назад.

Вчера, 13:27
35 минут
Александр Березин

Новый коронавирус — «родственник» старой атипичной пневмонии — уже привел к смерти 26 человек. Считается, что им может быть заражено несколько тысяч. И точно известно, что эпидемия вышла за пределы Китая. Но это не повод впадать в панику. Мы собрали всю известную информацию и попробовали ответить на главные вопросы о новой болезни.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

19 января
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

21 января
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

7 Комментариев

kryshkinalexander
11.11.2019
-
0
+
Как бы есть один нюанс. Как будет осуществляться передача информации если мы не можем "назначить" одной из запутанных частиц параметр?
Светлана Смолиевская
17.02.2019
-
0
+
Спасибо, статья очень образная и информативная, на наночастицу больше понимания))
Eduard Magaram
17.12.2018
-
0
+
"Фундаментальная недетерминированность нашего мира"-это только для человека. Совершенно справедливо в цитате указано:"нашего мира"-парадигма которого описывается сформулированными человечеством законами и теориями,действующими только в соответствующих постулированных им "пространствах". Постулируя "пространство" действия какого-либо закона,мы виртуально вырезаем это "пространство" из бесконечного пространства Вселенной,отрезая бесконечное количество связей.И это "пространство" уже не является пространством реальной Вселенной. Вселенная-бесконечно другая,и она строго детерминирована. Но количество и разнообразие причинно-следственных связей при взаимопревращениях энергий в пространстве (обуславливающих возникновение и существование событий) настолько велико (для человечества--бесконечно),что Вселенная всегда была и будет иррациональной для него.И именно иррациональность Вселенной для человека всегда вынуждает его только с определенной вероятностью предполагать возникновение и существование любых событий. То же- с "квантовой запутанностью".Во Вселенной нет никакой "запутанности" и никаких "парадоксов"- в ней все строго детерминировано--рационально и однозначно."Запутанности" и "парадоксы"-только у человечества,как следствие непознанности для него состояний Вселенной.И,по мере познавания человечеством Вселенной,эти запутанности будут постепенно "распутываться" и,вместе с парадоксами, корректировать существующие и создавать новые законы и теории.
Marina Belikovs
03.12.2018
-
0
+
Яша Умрихин прав. Все наоборот. Как можно браться писать статью о серьезных вещах будучи профаном и дилетантом?
Яша Умрихин
30.11.2018
-
0
+
В статье есть ошибки, касаемо теории фотоэффекта: "...энергия высвободившихся электронов не будет выше, если мы увеличим интенсивность излучения, зато возрастет, если мы уменьшим его частоту." - согласно второму закону фотоэффекта, энергия вылетевших электронов прямо пропорциональна частоте света, но в статье, однако, всё с точностью наоборот, хотя про интенсивность всё верно. "Увеличивая же эту частоту, мы придем к границе, за которой никакого фотоэффекта вещество не проявляет – этот уровень у разных веществ разный." - да, эта граница называется красной грацией фотоэффекта (согласно третьему закону фотоэффекта), но фотоэффект не будет наблюдаться, если частота света будет ниже красной границы, а не выше, как написано в статье.
ulogin_vkontakte_5184780
29.11.2018
-
0
+
Надо учёным квантовой физики выделить ещё несколько миллиардов с бюджета! Вот это потряс) Кстати, а закон сохранения энергии существует? Или частицы имеют подобие разума? Каким образом частицы находят именно свою запутанную? Или в природе нет одинакового? Апории Зенона Элейского и ответ "=". Я вот с женой запутался... и наша глюоновая связь поражает. На расстоянии притягивает к ней сильней, а вблизи связь притягивать прекращает. А вот её интересы так запутанно влияют на меня.... но и мне приходится меняться... Кстати, как частицы, мужчина и женщина. "Наука как женщина, когда при муже - приветствуется, когда публична - подвергается призрению." Чьи слова???
ulogin_facebook_1451802834890079
29.11.2018
-
0
+
>>изменение объекта в одном месте мгновенно – и без всякого очевидного взаимодействия – меняет другой объект совершенно в другом Автор статьи очень смутно понимает суть КМ "запутанных" состояний.

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: