Byly provedeny nové experimenty k testování mechanismu kvantového provázání. Kvantový svět Přenos informací o kvantovém zapletení

Kvantové provázání je kvantově mechanický jev, který se v praxi začal zkoumat poměrně nedávno – v 70. letech minulého století. Je to následovně. Představme si, že v důsledku nějaké události se zrodily dva fotony současně. Dvojici kvantově provázaných fotonů lze získat například ozařováním laseru s určitými charakteristikami na nelineární krystal. Generované fotony v páru mohou mít různé frekvence (a vlnové délky), ale součet jejich frekvencí se rovná frekvenci původního buzení. Mají také ortogonální polarizace na bázi krystalové mřížky, což usnadňuje jejich prostorové oddělení. Když se zrodí pár částic, musí být splněny zákony zachování, což znamená, že celkové charakteristiky (polarizace, frekvence) dvou částic mají předem známou, přesně definovanou hodnotu. Z toho vyplývá, že když známe vlastnosti jednoho fotonu, můžeme naprosto přesně znát vlastnosti druhého. Podle principů kvantové mechaniky je částice až do okamžiku měření v superpozici více možných stavů a ​​při měření se superpozice odstraní a částice skončí v jednom stavu. Pokud analyzujete mnoho částic, pak v každém stavu bude určité procento částic odpovídající pravděpodobnosti tohoto stavu v superpozici.

Co se ale stane se superpozicí stavů provázaných částic v okamžiku měření stavu jedné z nich? Paradoxní a kontraintuitivní povaha kvantového provázání spočívá v tom, že charakteristika druhého fotonu je určena přesně v okamžiku, kdy jsme změřili charakteristiku prvního. Ne, to není teoretická konstrukce, to je krutá pravda světa kolem nás, potvrzená experimentálně. Ano, to znamená přítomnost interakce, ke které dochází nekonečně vysokou rychlostí, která dokonce překračuje rychlost světla. Jak toho využít ve prospěch lidstva, není zatím příliš jasné. Existují nápady pro aplikace v kvantových výpočtech, kryptografii a komunikacích.

Vědcům z Vídně se podařilo vyvinout zcela novou a extrémně kontraintuitivní zobrazovací techniku ​​založenou na kvantové povaze světla. V jejich systému je obraz tvořen světlem, které nikdy neinteragovalo s objektem. Technologie je založena na principu kvantového provázání. Článek o tom vyšel v časopise Nature. Na studii se podíleli vědci z Institutu pro kvantovou optiku a kvantové informace (IQOQI), Vídeňského centra pro kvantovou vědu a technologii (VCQ) a Vídeňské univerzity.

V experimentu vídeňských vědců měl jeden z dvojice provázaných fotonů vlnovou délku v infračervené části spektra a právě tento prošel vzorkem. Jeho bratr měl vlnovou délku odpovídající červenému světlu a mohl být detekován kamerou. Paprsek světla generovaný laserem byl rozdělen na dvě poloviny a poloviny byly směrovány na dva nelineární krystaly. Předmět byl umístěn mezi dva krystaly. Byla to vyřezávaná silueta kočky - na počest postavy spekulativního experimentu Erwina Schrödingera, který již přešel do folklóru. Směřoval na něj infračervený paprsek fotonů z prvního krystalu. Poté tyto fotony prošly druhým krystalem, kde byly fotony, které prošly obrazem kočky, smíchány s čerstvě narozenými infračervenými fotony, takže bylo zcela nemožné pochopit, ve kterém ze dvou krystalů se narodily. Kamera navíc vůbec nezaznamenala infračervené fotony. Oba paprsky červených fotonů byly spojeny a odeslány do přijímacího zařízení. Ukázalo se, že díky efektu kvantového provázání uložili všechny informace o objektu nutné k vytvoření obrazu.

Podobné výsledky přinesl experiment, kdy na obrázku nebyla neprůhledná deska s vyříznutým obrysem, ale objemový silikonový obrázek, který neabsorboval světlo, ale zpomaloval průchod infračerveného fotonu a vytvářel fázový rozdíl mezi fotony procházející různými částmi obrazu. Ukázalo se, že taková plasticita ovlivnila i fázi červených fotonů, které byly ve stavu kvantového zapletení s infračervenými fotony, ale nikdy neprošly obrazem.

Čínský satelit Micius, který byl vypuštěn v loňském roce, úspěšně dokončil orbitální testy a vytvořil nový rekord v kvantové komunikaci. Generoval pár propletených fotonů, oddělil je a současně je přenesl na dvě pozemní stanice vzdálené 1203 km od sebe. Pozemní stanice pak využívaly efekt kvantové teleportace k výměně zašifrovaných zpráv. Vypuštění takových družic potenciálně otevírá možnost vytvoření globálních komunikačních systémů chráněných před odposlechem na úrovni fyzikálních principů. Experiment již byl nazván „počátkem kvantového internetu“.

Zařízení v ceně asi 100 milionů dolarů vzniklo v rámci projektu QUESS (Quantum Science Satellite), společné iniciativy Čínské a Rakouské akademie věd. „Tento projekt má prokázat možnost zavedení kvantové komunikace v globálním měřítku,“ komentuje Anton Zeilinger, odborník na kvantovou fyziku z Vídeňské univerzity, který jako první na světě provedl kvantovou teleportaci stavů provázaných fotonů. .

Teleportace kvantová a fantastická

Termín „teleportace“ může být zavádějící. V kvantových systémech to znamená přenos informace mezi předem vygenerovanými páry spojených částic, to znamená, že se vyznačují společnou vlnovou funkcí. V tomto případě nedochází k přenosu hmoty ani energie a není narušena obecná teorie relativity. Podstatou kvantové teleportace je využití vzájemně propojených kvantových stavů provázaných částic ke kódování a okamžitému přenosu informací. Měřením (tedy změnou) vlastností jedné částice se okamžitě změní vlastnosti druhé, bez ohledu na to, v jaké vzdálenosti se nacházejí.

Družice o hmotnosti více než 600 kg byla vynesena na synchronní dráhu Slunce ve výšce 494,8–511,1 km pomocí nosné rakety Long March 2D (také známé jako Dlouhý pochod nebo „Dlouhý pochod“) vypuštěné z Jiuquan. Centrum startu satelitu 16. srpna 2016. Po mnoha měsících testování byl převeden do Čínské akademie věd.

Orbitální parametry byly zvoleny tak, aby se satelit objevoval každou noc na stejném místě. Pozemní stanice satelit sledovaly a navázaly s ním optické komunikační spojení pro příjem jednotlivých zapletených fotonů. Družice byla sledována třemi optickými dalekohledy v Deling, Lijiang a Nanshan. Družici se podařilo navázat spojení se všemi třemi pozemními stanicemi.

Podle plánu se Micius stane prvním zařízením v globální kvantové komunikační síti, kterou Čína hodlá vytvořit do roku 2030. Jedním z úkolů jeho vědecké mise je kvantový přenos informací prostřednictvím komunikačního kanálu chráněného před odposlechem mezi Pekingem a Vídní. K tomuto účelu je družice vybavena experimentálním zařízením: emitorem párů propletených fotonů a vysokorychlostním koherentním laserovým vysílačem.

Mimochodem, satelit Micius (v jiném přepisu - Mozi) je pojmenován po starověkém čínském filozofovi Mo Tzu. Podle předního specialisty na vývoj Micia, akademika Jian-Wei Pana z University of Science and Technology of China, jeho krajan Mo Tzu popsal povahu šíření světla ještě před naším letopočtem, což dalo podnět k rozvoji optické komunikace. Nechme národní nároky na prvenství v optice mimo rámec tohoto článku a podívejme se, čím je záznam tak zajímavý, a zároveň se pokusme porozumět základům kvantové komunikace.

Čínsko-rakouská dohoda

Účastníkem projektu nebylo náhodou Rakousko: právě skupině fyziků z rakouské univerzity v Innsbrucku se v roce 1997 jako první podařilo demonstrovat kvantovou teleportaci států ve dvojici provázaných fotonů.

Moderní Čína má také zajímavou historii rozvoje kvantové komunikace. V roce 2005 byli vědci z University of Science and Technology of China schopni přenést kvantový stav provázaných částic na vzdálenost 7 km pod širým nebem. Později, pomocí na zakázku vyrobeného optického vlákna, byla tato vzdálenost zvýšena na 400 km. Poprvé byl přenos provázaných fotonů atmosférou a na značnou vzdálenost uskutečněn také fyziky z University of Science and Technology of China a Beijing Tsinghua University. V květnu 2010 úspěšně přenesli pár provázaných fotonů na vzdálenost 16 km (viz Nature Photonics).

Komunikace pomocí optických vláken nebo přímé viditelnosti jsou potřebné pouze pro počáteční oddělení provázaných fotonů. Následně jsou informace o změnách jejich kvantového stavu přenášeny okamžitě a bez ohledu na vzdálenost. Zeilinger si proto vedle tradičně uváděných výhod kvantového přenosu dat (vysoká hustota kódování, rychlost a bezpečnost od odposlechu) všímá další důležité vlastnosti: kvantová teleportace je možná i v případě, kdy je přesná relativní poloha přijímače a vysílače neznámý. To je zvláště důležité pro satelitní komunikační systémy, protože relativní pozice síťových uzlů v nich se neustále mění.

V novém experimentu využívajícím Micius si laboratoře umístěné v hlavních městech Číny a Rakouska navzájem přenášely zprávu zašifrovanou Vernamovou šifrou přes otevřené pozemní kanály. Jako kryptografický klíč byly použity výsledky měření kvantových vlastností párů provázaných fotonů přijatých z družice.

Je zřejmé, že příjem miliard fotonů na Zemi i ze vzdáleného Slunce není problém. Každý to může udělat za slunečného dne tím, že jednoduše vystoupí ze stínu. Současně detekovat určitý pár provázaných fotonů z družice ve dvou různých laboratořích a měřit jejich kvantové vlastnosti je extrémně obtížný technický úkol. K vyřešení tohoto problému použil projekt QUESS adaptivní optiku. Neustále měří míru zkreslení způsobeného turbulencemi v zemské atmosféře a kompenzuje je. Navíc byly použity optické filtry k odříznutí měsíčního světla a městského osvětlení. Bez nich bylo v optické komunikační lince příliš mnoho šumu.

Každý průlet satelitu nad čínským územím trval pouhých 275 sekund. Během této doby bylo nutné z něj současně nainstalovat dva odchozí kanály. V první sérii experimentů - mezi Delingou a Nanshanem (vzdálenost 1120 km). Ve druhém - mezi Delinga a Lijian (1203 km). V obou experimentech byly z družice úspěšně přijaty dvojice propletených fotonů a zabezpečený komunikační kanál byl funkční.

To je považováno za průlom z několika důvodů. Za prvé, Micius byl prvním úspěšným experimentem v satelitní kvantové komunikaci. Až dosud byly všechny takové experimenty prováděny v pozemních laboratořích, kde byly přijímač a vysílač umístěny v mnohem kratších vzdálenostech od sebe. Za druhé, další experimenty vyžadovaly použití nějakého druhu izolovaného média k přenosu provázaných fotonů. Například komunikační linky z optických vláken. Za třetí, v kvantové komunikaci jsou jednotlivé fotony přenášeny a detekovány přes optické vlákno a satelit zvyšuje efektivní směnný kurz.

Kvantová komunikace v Rusku

Od roku 2014 je v Rusku spuštěn projekt v oblasti pozemských kvantových komunikací. Investice do něj přesahují 450 milionů rublů, ale praktický výstup je stále velmi skromný. Dne 31. května 2016 spustili zaměstnanci ruského kvantového centra první tuzemskou kvantovou komunikační linku. Byla vytvořena na základě stávající sítě optických vláken a propojila dvě pobočky Gazprombank v Moskvě – na Koroviy Val a v Novye Cheryomushki. Vzdálenost mezi těmito budovami je asi 30 km. Ruská kvantová komunikační linka zatím funguje jako experimentální.

Signál z Micius cestoval atmosférou a byl současně přijímán dvěma pozemními stanicemi. „Pokud bychom použili 1200 km optického vlákna k distribuci párů zapletených fotonů na Zemi, pak kvůli ztrátě výkonu signálu se vzdáleností bychom mohli přenášet pouze jeden pár za sekundu. Satelit pomáhá překonat tuto bariéru. Ve srovnání s předchozími technologiemi jsme již zlepšili rychlost distribuce o 12 řádů,“ říká Jian-Wei Pan.

Kvantový přenos dat přes satelit otevírá možnost budování globálních komunikačních systémů, které jsou maximálně chráněny před odposlechem na úrovni fyzikálních principů. „Toto je první krok k celosvětové zabezpečené kvantové komunikaci a možná i kvantovému internetu,“ říká Anton Zeilinger.

Paradoxem tohoto úspěchu je, že ani autoři projektu neznají všechny podrobnosti o fungování kvantového komunikačního systému. Existují pouze pracovní hypotézy, jejich experimentální testování a dlouhé debaty o správné interpretaci získaných výsledků. To se často stává: nejprve je fenomén objeven, pak je aktivně využíván a teprve po dlouhé době je někdo schopen pochopit jeho podstatu. Primitivní lidé uměli rozdělat oheň, ale nikdo z nich nerozuměl fyzikálním a chemickým procesům spalování. Museli jsme jim porozumět, abychom udělali kvalitní přechod z ohně na spalovací motor a raketový motor.

Kvantová teleportace je v každém smyslu naprosto matoucí věc. Zkusme abstrahovat od složitých vzorců a neviditelných pojmů a pochopit jeho základy. Pomohou nám s tím staří známí – spolubesedníci Alice, Bob a Malory, která je neustále odposlouchává.

Jak Alice a Bob objeli Malloryho

V konvenčním komunikačním systému je Malorymu přidělena role „muže uprostřed“. Nenápadně se vklíní do přenosové linky, zachytí zprávu od Alice, přečte ji, je-li to žádoucí, také změní a předá Bobovi. Naivní Bob nic netuší. Malory tedy vezme jeho odpověď, udělá si s ní, co chce, a pošle ji Alici. Takto je kompromitována veškerá korespondence, telefonické rozhovory a jakýkoli jiný klasický typ komunikace. S kvantovou komunikací je to v zásadě nemožné. Proč?

K vytvoření kryptografického klíče tam Alice a Bob nejprve použijí sérii měření na párech provázaných fotonů. Výsledky těchto měření se pak stávají klíčem k šifrování a dešifrování zpráv odesílaných přes jakýkoli otevřený kanál. Pokud Malory zachytí provázané fotony, zničí kvantový systém a oba partneři o tom budou okamžitě vědět. Malory by fyzicky nebyl schopen znovu vysílat stejné fotony, protože by to porušilo princip kvantové mechaniky známý jako „pravidlo žádného klonování“.

To se děje proto, že vlastnosti makro- a mikrosvěta jsou radikálně odlišné. Jakýkoli objekt makra vždy existuje ve velmi specifickém stavu. Tady je kus papíru, leží tam. Zde byl vložen do obálky a odeslán letecky. Jakýkoli parametr papírové zprávy můžeme kdykoli změřit a její podstatu to nijak neovlivní. Nezmění svůj obsah vlivem vážení nebo rentgenování a nepoletí rychleji v radarovém paprsku, kterým měříme rychlost letadla.

U elementárních částic tomu tak není. Jsou popisovány jako pravděpodobnostní stavy kvantového systému a jakékoli měření jej přenáší do přísně definovaného stavu, tedy mění. Samotný vliv měření na výsledek příliš nezapadá do běžného vidění světa. Z praktického hlediska je to však zajímavé, protože stav přenášeného kvantového systému nelze tajně poznat. Pokus zachytit a přečíst takovou zprávu ji jednoduše zničí. Proto se má za to, že kvantová komunikace zcela eliminuje možnost útoku MitM.

Pro přenos kvantových dat jsou teoreticky vhodné jakékoli elementární částice. Dříve se experimenty prováděly s elektrony, protony a dokonce ionty různých kovů. V praxi je zatím nejvýhodnější použít fotony. Snadno se vydávají a registrují. Pro tradiční přenos dat již existují hotová zařízení, protokoly a celé optické sítě. Rozdíl mezi kvantovými komunikačními systémy je v tom, že do nich musí být přeneseny dvojice dříve provázaných fotonů.

Jak se nesplést ve dvou fotonech

Propletení elementárních částic vede k vášnivým debatám o principu lokality – postulátu, že interakcí se účastní pouze objekty dostatečně blízko sebe. Na tomto principu jsou založeny všechny experimentální testy v klasické mechanice. Výsledek jakéhokoli experimentu v něm závisí pouze na přímo interagujících tělesech a lze jej předem přesně vypočítat. Počet pozorovatelů to také nijak neovlivní. V případě kvantové mechaniky taková jistota neexistuje. Nelze například dopředu říci, jaká bude polarizace jednoho z provázaných fotonů.

Einstein opatrně navrhl, že pravděpodobnostní povaha předpovědí kvantové mechaniky se vysvětluje přítomností některých skrytých parametrů, tedy banální neúplností popisu. O třicet let později Bell reagoval vytvořením řady nerovností, které by teoreticky mohly potvrdit přítomnost skrytých parametrů v experimentech s kvantovými částicemi analýzou rozdělení pravděpodobnosti v sérii experimentů. Alain Aspe a poté další experimentátoři prokázali porušení Bellových nerovností.

V roce 2003 teoretický fyzik z University of Illinois Tony Leggett shrnul nashromážděná data a navrhl zcela opustit princip lokality v jakýchkoli úvahách o kvantových systémech. Později skupina vědců z Curyšského institutu pro teoretickou fyziku a Ústavu aplikované fyziky na Technické univerzitě v Darmstadtu pod vedením Rogera Kohlbecka došla k závěru, že Heisenbergův princip je nesprávný i pro provázané elementární částice.

K tomuto neustálému přehodnocování kvantové mechaniky dochází, protože se snažíme myslet známými termíny v neznámém prostředí. Propletené stavy částic a zejména fotonů nejsou vůbec mystickou vlastností. Neporušuje, ale spíše doplňuje známé fyzikální zákony. Jen fyzici sami ještě nedokážou popsat pozorované efekty v konzistentní teorii.

Kvantové provázání bylo pozorováno v experimentech od 70. let 20. století. Páry předem propletených částic oddělené v jakékoli vzdálenosti okamžitě (tj. rychleji než rychlost světla) vzájemně mění své vlastnosti – odtud termín „teleportace“. Pokud například změníte polarizaci jednoho fotonu, jeho pár okamžitě změní svůj vlastní. Zázrak? Ano, pokud si nepamatujete, že zpočátku byly tyto fotony jediným celkem a po oddělení se ukázalo, že jejich polarizace a další vlastnosti jsou také propojeny.

Jistě si vzpomínáte na duplicitu fotonu: interaguje jako částice, ale šíří se jako vlna. Existují různé techniky pro vytvoření dvojice provázaných fotonů, z nichž jedna je založena na vlnových vlastnostech. Vygeneruje jeden foton s kratší vlnovou délkou (například 512 nm) a poté se rozdělí na dva fotony s delší vlnovou délkou (1024 nm). Vlnová délka (frekvence) takových fotonů je stejná a všechny kvantové vlastnosti páru jsou popsány pravděpodobnostním modelem. „Změna“ v mikrokosmu znamená „měřit“ a naopak.

Fotonová částice má kvantová čísla – například helicitu (kladnou nebo zápornou). Fotonová vlna má polarizaci - například horizontální nebo vertikální (nebo levou a pravou kruhovou - podle toho, kterou rovinu a směr pohybu uvažujeme).

Jaké tyto vlastnosti bude mít každý foton z páru, není předem známo (viz pravděpodobnostní principy kvantové mechaniky). Ale v případě provázaných fotonů můžeme říci, že tomu bude naopak. Pokud tedy změníte (změříte) charakteristiky jednoho fotonu z páru, okamžitě se stanou určenými pro druhý, i když se nachází 100 500 parseků daleko. Je důležité pochopit, že to není jen odstranění neznámého. Jde právě o změnu kvantových vlastností částic v důsledku přechodu z pravděpodobnostního stavu do deterministického.

Hlavním technickým problémem není vytváření propletených párů fotonů. Téměř každý zdroj světla je produkuje neustále. Dokonce i žárovka ve vašem pokoji vyzařuje miliony zapletených fotonů. Stěží jej však lze nazvat kvantovým zařízením, protože v takovém chaosu kvantové propletení zrozených párů rychle mizí a bezpočet interakcí brání účinnému přenosu informací.

Experimenty s kvantovým provázáním fotonů obvykle využívají vlastností nelineární optiky. Pokud například posvítíte laserem na kus niobátu lithného nebo jiného nelineárního krystalu vybroušeného určitým způsobem, objeví se dvojice fotonů se vzájemně ortogonální (tj. horizontální a vertikální) polarizací. Jeden (ultra)krátký laserový pulz je striktně jeden pár fotonů. V tom je to kouzlo!

Další bonus v podobě kvantového přenosu dat

Helicita a polarizace jsou všechny další způsoby kódování signálu, takže jedním fotonem lze přenášet více než jeden bit informace. Takto kvantové komunikační systémy zvyšují hustotu a rychlost přenosu dat.

Použití kvantové teleportace k přenosu informací je stále příliš obtížné, ale pokrok v této oblasti jde rychle dopředu. První úspěšná zkušenost byla zaznamenána v roce 2003. Zeilingerova skupina provedla přenos kvantových stavů provázaných částic vzdálených 600 m. V roce 2010 zvýšila skupina Jian-Wei Pana tuto vzdálenost na 13 km a poté v roce 2012 překonala svůj vlastní rekord, když zaznamenala úspěšnou kvantovou teleportaci na vzdálenost 97 km . Ve stejném roce 2012 se Zeilinger pomstil a zvýšil vzdálenost na 143 km. Nyní společným úsilím udělali skutečný průlom - dokončili přenos 1203 km.

Kvantové zapletení nebo „strašidelná akce na dálku“, jak to nazval Albert Einstein, je kvantově mechanický jev, ve kterém jsou kvantové stavy dvou nebo více objektů vzájemně závislé. Tato závislost přetrvává, i když jsou objekty od sebe vzdálené mnoho kilometrů. Můžete například zamotat pár fotonů, přenést jeden z nich do jiné galaxie a pak změřit spin druhého fotonu – a ten bude opačný než spin prvního fotonu a naopak. Snaží se přizpůsobit kvantové zapletení pro okamžitý přenos dat na obrovské vzdálenosti nebo dokonce pro teleportaci.

Moderní počítače poskytují poměrně mnoho příležitostí pro simulaci nejrůznějších situací. Jakékoli výpočty však budou do určité míry „lineární“, protože se řídí jasně definovanými algoritmy a nemohou se od nich odchýlit. A tento systém neumožňuje simulovat složité mechanismy, ve kterých je náhodnost téměř konstantním jevem. Jde o simulaci života. Jaké zařízení to dokáže? Kvantový počítač! Právě na jednom z těchto strojů byl spuštěn největší projekt simulace kvantového života.

Tým fyziků a matematiků učinil významný krok ke sjednocení obecné teorie relativity a kvantové mechaniky a vysvětlil, jak časoprostor přechází z kvantového zapletení do zásadnější teorie.

· Kvantová chromodynamika · Standardní model · Kvantová gravitace

Kvantové zapletení(viz část „“) - kvantově mechanický jev, ve kterém se kvantové stavy dvou nebo více objektů ukazují jako vzájemně závislé. Tato vzájemná závislost přetrvává, i když jsou tyto objekty odděleny v prostoru za hranicemi jakýchkoli známých interakcí, což je v logickém rozporu s principem lokality. Můžete například získat dvojici fotonů, které jsou ve spleteném stavu, a pokud se při měření spinu první částice ukáže, že helicita je kladná, pak se helicita druhé částice vždy ukáže jako záporná. a naopak.

Historie studia

Spor mezi Bohrem a Einsteinem, EPR-Paradox

V pokračující debatě zformulovali Einstein, Podolsky a Rosen v roce 1935 EPR paradox, který měl ukázat neúplnost navrhovaného modelu kvantové mechaniky. Jejich článek „Může být kvantově mechanický popis fyzické reality považován za úplný? byl publikován v čísle 47 časopisu Physical Review.

V EPR paradoxu byl mentálně porušen Heisenbergův princip neurčitosti: v přítomnosti dvou částic, které mají společný původ, je možné změřit stav jedné částice a z něj předpovědět stav druhé, na které měření nemá dosud vyrobeno. Při analýze takových teoreticky vzájemně závislých systémů ve stejném roce je Schrödinger nazval „propletenými“ (angl. zapletený). Později angličtina zapletený a angličtina zapletení se staly běžnými termíny v anglicky psaných publikacích. Je třeba poznamenat, že sám Schrödinger považoval částice za propletené pouze tak dlouho, dokud spolu fyzicky interagovaly. Při pohybu za hranice možných interakcí zapletení zmizelo. To znamená, že význam termínu v Schrödingerovi se liší od toho, co je v současnosti chápáno.

Einstein nepovažoval EPR paradox za popis nějakého skutečného fyzikálního jevu. Byl to přesně mentální konstrukt vytvořený k demonstraci rozporů principu neurčitosti. V roce 1947 v dopise Maxu Bornovi nazval toto spojení mezi propletenými částicemi „strašidelná akce na dálku“ (německy). spukhafte Fernwirkung, Angličtina strašidelná akce na dálku v Bornově překladu):

Proto tomu nemohu uvěřit, protože (tato) teorie je neslučitelná se zásadou, že fyzika by měla odrážet realitu v čase a prostoru, bez (nějakých) strašidelných efektů na dlouhé vzdálenosti.

Původní text(Němec)

Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.

- "Zapletené systémy: nové směry v kvantové fyzice"

Již v příštím čísle Fyzikálního přehledu Bohr publikoval svou odpověď v článku se stejným názvem, jaký mají autoři paradoxu. Bohrovi příznivci považovali jeho odpověď za uspokojivou a samotný EPR paradox byl způsoben nepochopením podstaty „pozorovatele“ v kvantové fyzice Einsteinem a jeho příznivci. Obecně platí, že většina fyziků jednoduše ustoupila od filozofických složitostí Kodaňské interpretace. Schrödingerova rovnice fungovala, předpovědi se shodovaly s výsledky a v rámci pozitivismu to stačilo. Gribbin o tom píše: „Aby se řidič dostal z bodu A do bodu B, nemusí vědět, co se děje pod kapotou jeho auta. Gribbin použil slova Feynmana jako epigraf své knihy:

Myslím, že mohu zodpovědně prohlásit, že kvantové mechanice nikdo nerozumí. Pokud je to možné, přestaňte se ptát sami sebe: „Jak je to možné?“ – protože budete vedeni do slepé uličky, ze které ještě nikdo neunikl.

Bellovy nerovnosti, experimentální testy nerovností

Tento stav se ukázal jako nepříliš úspěšný pro rozvoj fyzikální teorie a praxe. „Zapletení“ a „strašidelné efekty na dálku“ byly ignorovány téměř 30 let, dokud se o ně nezačal zajímat irský fyzik John Bell. Inspirován Bohmovými nápady (viz De Broglie-Bohm teorie), Bell pokračoval ve své analýze EPR paradoxu a v roce 1964 formuloval své nerovnosti. Zcela zjednodušeně matematické a fyzikální složky můžeme říci, že Bellova práce vyústila ve dvě jasně rozpoznatelné situace ve statistických měřeních stavů provázaných částic. Jsou-li určeny stavy dvou provázaných částic v okamžiku oddělení, pak musí platit jedna Bellova nerovnost. Pokud jsou stavy dvou provázaných částic před změřením stavu jedné z nich neurčité, pak musí platit další nerovnost.

Bellovy nerovnosti poskytly teoretický základ pro možné fyzikální experimenty, ale od roku 1964 technický základ ještě neumožňoval jejich provedení. První úspěšné experimenty k testování Bellových nerovností provedl Clauser (Angličtina) ruština a Friedman v roce 1972. Výsledky naznačovaly nejistotu stavu dvojice provázaných částic před měřením jedné z nich. A přesto až do 80. let 20. století byla kvantová provázanost považována většinou fyziků za „ne nový neklasický zdroj, který lze využít, ale spíše za zmatek čekající na konečné objasnění“.

Po experimentech Clauserovy skupiny však následovaly pokusy Aspe (Angličtina) ruština v roce 1981. V klasickém Aspeho experimentu (viz) jsou ze zdroje emitovány dva proudy fotonů s nulovým celkovým spinem S, byly zaslány Nicolasovým hranolům A A b. V nich byly kvůli dvojlomu polarizace každého fotonu rozděleny na elementární, načež byly paprsky nasměrovány na detektory D+ A D–. Signály z detektorů přes fotonásobiče vstupovaly do záznamového zařízení R, kde byla vypočtena Bellova nerovnost.

Výsledky získané v experimentech Friedmann-Klauser a Aspe jasně hovořily ve prospěch absence einsteinovského lokálního realismu. „Strašidelná akce na dlouhé vzdálenosti“ z myšlenkového experimentu se konečně stala fyzickou realitou. Poslední rána pro lokalitu přišla v roce 1989 s vícenásobně propojenými státy Greenberger-Horn-Zeilinger. (Angličtina) ruština který položil základ pro kvantovou teleportaci. V roce 2010 John Clauser (Angličtina) ruština , Alain Aspe (Angličtina) ruština a Anton Zeilinger byli oceněni Wolfovou cenou za fyziku „za zásadní koncepční a experimentální příspěvky k základům kvantové fyziky, zejména za sérii stále složitějších testů Bellových nerovností (nebo rozšířených verzí těchto nerovností) pomocí provázaných kvantových stavů“.

Moderní jeviště

V roce 2008 se skupině švýcarských vědců z univerzity v Ženevě podařilo rozšířit dva proudy provázaných fotonů na vzdálenost 18 kilometrů. To mimo jiné umožnilo provádět měření času s dříve nedosažitelnou přesností. Díky tomu bylo zjištěno, že pokud dojde k nějakému druhu skryté interakce, pak rychlost jejího šíření musí být minimálně 100 000krát vyšší než rychlost světla ve vakuu. Při nižších rychlostech by bylo patrné časové zpoždění.

V létě téhož roku další skupina badatelů z rakouských (Angličtina) ruština , včetně Zeilingera, se podařilo zinscenovat ještě větší experiment a rozšířit proudy provázaných fotonů na vzdálenost 144 kilometrů mezi laboratořemi na ostrovech La Palma a Tenerife. Zpracování a analýza takto rozsáhlého experimentu pokračuje, poslední verze zprávy byla zveřejněna v roce 2010. V tomto experimentu se podařilo vyloučit možný vliv nedostatečné vzdálenosti mezi objekty v době měření a nedostatečnou volnost volby nastavení měření. V důsledku toho se opět potvrdila kvantová provázanost a tím i nelokální povaha reality. Pravda, zbývá ještě třetí možný vliv – celý vzorek nestačí. Experiment, při kterém jsou všechny tři potenciální vlivy eliminovány současně, je od září 2011 záležitostí budoucnosti.

Většina experimentů se zapletenými částicemi využívá fotony. To je vysvětleno relativní snadností získávání provázaných fotonů a jejich přenosu do detektorů a také binární povahou měřeného stavu (kladná nebo záporná helicita). Fenomén kvantového provázání však existuje i pro jiné částice a jejich stavy. V roce 2010 mezinárodní tým vědců z Francie, Německa a Španělska získal a studoval propletené kvantové stavy elektronů, tedy částic s hmotností, v pevném supravodiči z uhlíkových nanotrubic. V roce 2011 se vědcům podařilo vytvořit stav kvantového propletení mezi jedním atomem rubidia a Bose-Einsteinovým kondenzátem, které jsou od sebe vzdáleny 30 metrů.

Název jevu v ruskojazyčných zdrojích

Se stabilním anglickým termínem Kvantové zapletení, používané poměrně konzistentně v anglicky psaných publikacích, ruskojazyčná díla demonstrují širokou škálu použití. Mezi termíny nalezenými ve zdrojích k tématu můžeme jmenovat (v abecedním pořadí):

Tuto rozmanitost lze vysvětlit několika důvody, včetně objektivní přítomnosti dvou určených objektů: a) samotného státu (angl. Kvantové zapletení) a b) pozorované účinky v tomto stavu (angl. strašidelná akce na dálku ), které se v mnoha ruskojazyčných dílech liší spíše kontextem než terminologií.

Matematická formulace

Získání provázaných kvantových stavů

V nejjednodušším případě zdroj S Proudy provázaných fotonů jsou obsluhovány určitým nelineárním materiálem, na který je směrován laserový proud určité frekvence a intenzity (obvod s jedním emitorem). V důsledku spontánního parametrického rozptylu (SPR) jsou na výstupu získány dva kužely polarizace H A PROTI, nesoucí páry fotonů ve spleteném kvantovém stavu (bifotony).

• Překlad

Kvantové provázání je jedním z nejsložitějších konceptů ve vědě, ale jeho základní principy jsou jednoduché. A jakmile to pochopíme, zapletení otevírá cestu k lepšímu pochopení pojmů, jako je mnoho světů v kvantové teorii.

Okouzlující aura tajemství obklopuje koncept kvantového zapletení, stejně jako (nějak) související požadavek kvantové teorie, že musí existovat „mnoho světů“. A přesto jsou to ve svém jádru vědecké myšlenky s praktickým významem a konkrétními aplikacemi. Rád bych vysvětlil pojmy zapletení a mnoho světů tak jednoduše a jasně, jak je znám.

já

Zapletení nastává v situacích, kdy máme dílčí informace o stavu dvou systémů. Například dva objekty se mohou stát našimi systémy – říkejme jim kaony. "K" bude znamenat "klasické" objekty. Pokud si ale opravdu chcete představit něco konkrétního a příjemného, ​​představte si, že jde o dorty.

Naše kaony budou mít dva tvary, čtvercový nebo kulatý, a tyto tvary budou označovat jejich možné stavy. Pak čtyři možné společné stavy dvou kaonů budou: (čtverec, čtverec), (čtverec, kruh), (kruh, čtverec), (kruh, kruh). Tabulka ukazuje pravděpodobnost, že se systém nachází v jednom ze čtyř uvedených stavů.

Řekneme, že kaony jsou „nezávislé“, pokud znalosti o stavu jednoho z nich neposkytují informaci o stavu druhého. A tento stůl má takovou vlastnost. Pokud je první kaon (koláč) čtvercový, tvar druhého ještě neznáme. Naopak forma druhého nám nic neříká o podobě prvního.

Na druhou stranu řekneme, že dva kaony jsou propletené, pokud informace o jednom z nich zlepší naše znalosti o druhém. Druhá tableta nám ukáže silný zmatek. V tomto případě, pokud je první kaon kulatý, budeme vědět, že druhý je také kulatý. A pokud je první kaon čtvercový, pak druhý bude stejný. Když známe tvar jednoho, můžeme jednoznačně určit tvar druhého.

Kvantová verze zapletení vypadá v podstatě stejně – jde o nedostatek nezávislosti. V kvantové teorii jsou stavy popsány matematickými objekty nazývanými vlnové funkce. Pravidla, která kombinují vlnové funkce s fyzikálními možnostmi, vedou k velmi zajímavým komplikacím, o kterých budeme diskutovat později, ale základní koncept propletených znalostí, který jsme demonstrovali pro klasický případ, zůstává stejný.

Ačkoli brownies nelze považovat za kvantové systémy, k zapletení v kvantových systémech dochází přirozeně, například po srážkách částic. V praxi mohou být nezapletené (nezávislé) stavy považovány za vzácné výjimky, protože při interakci systémů mezi nimi vznikají korelace.

Vezměme si například molekuly. Skládají se ze subsystémů – konkrétně z elektronů a jader. Minimální energetický stav molekuly, ve kterém obvykle existuje, je vysoce provázaný stav elektronů a jádra, protože uspořádání těchto základních částic nebude žádným způsobem nezávislé. Když se jádro pohybuje, elektron se pohybuje s ním.

Vraťme se k našemu příkladu. Pokud napíšeme Φ■, Φ● jako vlnové funkce popisující systém 1 v jeho čtvercových nebo kulatých stavech a ψ■, ψ● pro vlnové funkce popisující systém 2 v jeho čtvercových nebo kulatých stavech, pak v našem pracovním příkladu lze popsat všechny stavy , Jak:

Nezávislé: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Zapletené: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Nezávislá verze může být také zapsána jako:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Všimněte si, jak v druhém případě závorky jasně oddělují první a druhý systém na nezávislé části.

Existuje mnoho způsobů, jak vytvořit zapletené stavy. Jedním z nich je měření kompozitního systému, který vám poskytne dílčí informace. Lze se například dozvědět, že se dva systémy dohodly na stejné formě, aniž by věděly, jakou formu si zvolily. Tento koncept se stane důležitým o něco později.

Běžnější efekty kvantového provázání, jako je Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) a Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) efekty, vycházejí z jeho interakce s další vlastností kvantové teorie zvanou princip komplementarity. Chcete-li diskutovat o EPR a GHZ, dovolte mi nejprve vám představit tento princip.

Až do tohoto bodu jsme si představovali, že kaony mají dva tvary (čtvercový a kulatý). Nyní si představme, že jsou také ve dvou barvách – červené a modré. S ohledem na klasické systémy, jako jsou koláče, by tato další vlastnost znamenala, že kaon by mohl existovat v jednom ze čtyř možných stavů: červený čtverec, červený kruh, modrý čtverec a modrý kruh.

Ale kvantové koláče jsou kvantony... Nebo kvantony... Chovají se úplně jinak. Skutečnost, že kvanton může mít v některých situacích různé tvary a barvy, nemusí nutně znamenat, že má současně tvar i barvu. Ve skutečnosti zdravý rozum, který Einstein požadoval od fyzické reality, neodpovídá experimentálním faktům, jak brzy uvidíme.

Můžeme změřit tvar kvantonu, ale ztratíme tím veškeré informace o jeho barvě. Nebo můžeme změřit barvu, ale ztratíme informaci o jejím tvaru. Podle kvantové teorie nemůžeme měřit tvar i barvu zároveň. Nikoho pohled na kvantovou realitu není úplný; musíme vzít v úvahu mnoho různých a vzájemně se vylučujících obrázků, z nichž každý má svůj vlastní neúplný obraz toho, co se děje. To je podstata principu komplementarity, jak jej formuloval Niels Bohr.

V důsledku toho nás kvantová teorie nutí být opatrní při připisování vlastností fyzikální realitě. Abychom se vyhnuli rozporům, musíme přiznat, že:

Vlastnost neexistuje, pokud není měřena.
Měření je aktivní proces, který mění měřený systém

II

Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen (EPR) popsali překvapivý efekt, ke kterému dochází, když se zapletou dva kvantové systémy. EPR efekt kombinuje speciální, experimentálně dosažitelnou formu kvantového zapletení s principem komplementarity.

Pár EPR se skládá ze dvou kvantonů, z nichž každý může být měřen ve tvaru nebo barvě (ale ne obojí najednou). Předpokládejme, že máme mnoho takových párů, všechny stejné, a můžeme si vybrat, jaká měření provedeme na jejich součástech. Pokud změříme tvar jednoho člena dvojice EPR, dostaneme stejně pravděpodobně čtverec nebo kruh. Pokud změříme barvu, je stejně pravděpodobné, že dostaneme červenou nebo modrou.

Zajímavé efekty, které se EPR zdály paradoxní, vznikají, když změříme oba členy páru. Když změříme barvu obou členů, případně jejich tvar, zjistíme, že výsledky jsou vždy stejné. To znamená, že když zjistíme, že jeden z nich je červený, a pak změříme barvu druhého, zjistíme také, že je červený – a tak dále. Na druhou stranu, pokud změříme tvar jednoho a barvu druhého, nepozorujeme žádnou korelaci. To znamená, že pokud první byl čtverec, pak druhý mohl být se stejnou pravděpodobností modrý nebo červený.

Podle kvantové teorie takové výsledky získáme i v případě, že oba systémy od sebe dělí obrovská vzdálenost a měření se provádějí téměř současně. Zdá se, že výběr typu měření na jednom místě ovlivňuje stav systému na jiném místě. Tato „děsivá akce na dálku“, jak ji nazval Einstein, zjevně vyžaduje přenos informace – v našem případě informace o prováděném měření – rychlejší než rychlost světla.

Ale je to tak? Dokud nebudu vědět, jaké jsi měl výsledky, nevím, co čekat. Užitečné informace získám, když znám váš výsledek, ne když provedete měření. A každá zpráva obsahující výsledek, který obdržíte, musí být přenášena nějakým fyzickým způsobem, pomalejším než je rychlost světla.

S dalším studiem se paradox hroutí ještě víc. Uvažujme stav druhého systému, pokud měření prvního poskytlo červenou barvu. Pokud se rozhodneme změřit barvu druhého kvantonu, dostaneme červenou. Ale podle principu komplementarity, pokud se rozhodneme změřit jeho tvar, když je v "červeném" stavu, máme stejnou šanci získat čtverec nebo kruh. Proto je výsledek EPR logicky předem daný. Toto je pouze přeformulování principu komplementarity.

Není žádný paradox ve skutečnosti, že vzdálené události spolu korelují. Když totiž jednu ze dvou rukavic z páru vložíme do krabic a pošleme je na různé konce planety, není divu, že pohledem do jedné krabice dokážu určit, pro kterou ruku je ta druhá rukavice určena. Stejně tak na nich ve všech případech musí být zaznamenána korelace párů EPR, když jsou poblíž, aby vydržely následné oddělení, jako by měly paměť. Podivnost EPR paradoxu není v možnosti samotné korelace, ale v možnosti jejího zachování ve formě sčítání.

III

Každý jednotlivý experimentátor získává náhodné výsledky. Měřením tvaru kvantonu získá se stejnou pravděpodobností čtverec nebo kruh; při měření barvy kvantonu je stejně pravděpodobné, že bude červená nebo modrá. Zatím je vše obyčejné.

Když se ale experimentátoři sejdou a porovnají výsledky, analýza ukáže překvapivý výsledek. Řekněme, že čtvercový tvar a červenou barvu nazýváme „dobré“ a kruhy a modrou barvu „zlé“. Experimentátoři zjistili, že pokud se dva z nich rozhodnou změřit tvar a třetí se rozhodne změřit barvu, pak buď 0 nebo 2 měření jsou „zlá“ (tj. kulaté nebo modré). Ale pokud se všichni tři rozhodnou změřit barvu, pak buď 1 nebo 3 rozměry jsou zlo. To předpovídá kvantová mechanika a přesně to se stane.

Otázka: Je množství zla sudé nebo liché? Obě možnosti jsou realizovány v různých dimenzích. Tento problém musíme opustit. Nemá smysl mluvit o množství zla v systému, aniž bychom to spojovali s tím, jak se měří. A to vede k rozporům.

Efekt GHZ, jak jej popisuje fyzik Sidney Coleman, je „plácnutím do tváře od kvantové mechaniky“. Rozbíjí konvenční, zkušenostní očekávání, že fyzikální systémy mají předem určené vlastnosti nezávislé na jejich měření. Pokud by tomu tak bylo, pak by rovnováha dobra a zla nezávisela na volbě typů měření. Jakmile přijmete existenci GHZ efektu, nezapomenete na něj a vaše obzory se rozšíří.

IV

Hovoříme o „provázaných historií“, když je nemožné, aby byl systému v každém okamžiku přiřazen určitý stav. Stejně jako v tradičním zapletení vylučujeme možnosti, můžeme vytvářet zapletené historie měřením, které shromažďuje dílčí informace o minulých událostech. V těch nejjednodušších zamotaných příbězích máme jeden kvanton, který studujeme ve dvou různých okamžicích. Můžeme si představit situaci, kdy určíme, že tvar našeho kvantonu byl v obou případech čtvercový nebo kulatý, ale obě situace zůstávají možné. Toto je dočasná kvantová analogie k nejjednodušším verzím zapletení popsaným dříve.

Pomocí složitějšího protokolu můžeme do tohoto systému přidat trochu dalších detailů a popsat situace, které spouštějí vlastnost kvantové teorie „mnoho světů“. Náš kvanton lze připravit v červeném stavu a poté jej změřit a získat v modré barvě. A stejně jako v předchozích příkladech nemůžeme kvantonu trvale přiřadit vlastnost barvy v intervalu mezi dvěma dimenzemi; Nemá konkrétní podobu. Takové příběhy realizují omezeným, ale zcela kontrolovaným a přesným způsobem intuici, která je vlastní obrazu kvantové mechaniky mnoha světů. Určitý stav lze rozdělit na dvě protichůdné historické trajektorie, které se pak opět spojí.

Erwin Schrödinger, zakladatel kvantové teorie, který byl skeptický ohledně její správnosti, zdůraznil, že evoluce kvantových systémů přirozeně vede ke stavům, jejichž měření může dávat extrémně odlišné výsledky. Jeho myšlenkový experiment se „Schrodingerovou kočkou“ postuluje, jak víme, kvantovou nejistotu, převzatou do úrovně vlivu na úmrtnost koček. Před měřením není možné přiřadit kočce vlastnost života (nebo smrti). Obojí, nebo ani jedno, existují společně v nadpozemském světě možností.

Každodenní jazyk se k vysvětlení kvantové komplementarity nehodí, částečně proto, že každodenní zkušenost ji nezahrnuje. Praktické kočky interagují s okolními molekulami vzduchu a dalšími předměty zcela odlišným způsobem, podle toho, zda jsou živé nebo mrtvé, takže v praxi měření probíhá automaticky a kočka dále žije (nebo nežije). Ale příběhy popisují kvantony, což jsou Schrödingerova koťata, se zmatkem. Jejich úplný popis vyžaduje, abychom uvažovali dvě vzájemně se vylučující trajektorie vlastností.

Řízená experimentální implementace provázaných příběhů je choulostivá věc, protože vyžaduje sběr dílčích informací o kvantonech. Konvenční kvantová měření obvykle shromažďují všechny informace najednou – například určují přesný tvar nebo přesnou barvu – namísto získání dílčích informací několikrát. Dá se to ale zvládnout, i když s extrémními technickými obtížemi. Tímto způsobem můžeme přiřadit určitý matematický a experimentální význam rozšíření pojmu „mnoho světů“ v kvantové teorii a demonstrovat jeho realitu.