Au fost efectuate noi experimente pentru a testa mecanismul de încurcare cuantică. Lumea cuantică Transferul de informații închegarea cuantică

Entanglementul cuantic este un fenomen mecanic cuantic care a început să fie studiat în practică relativ recent - în anii 1970. Este după cum urmează. Să ne imaginăm că în urma unui eveniment s-au născut doi fotoni simultan. O pereche de fotoni cuantici încâlciți poate fi obținută, de exemplu, prin strălucirea unui laser cu anumite caracteristici pe un cristal neliniar. Fotonii generați într-o pereche pot avea frecvențe (și lungimi de undă) diferite, dar suma frecvențelor lor este egală cu frecvența excitației inițiale. De asemenea, au polarizări ortogonale la baza rețelei cristaline, ceea ce facilitează separarea lor spațială. Când se naște o pereche de particule, trebuie îndeplinite legile de conservare, ceea ce înseamnă că caracteristicile totale (polarizare, frecvență) ale celor două particule au o valoare precunoscută, strict definită. De aici rezultă că, cunoscând caracteristicile unui foton, putem cunoaște absolut exact caracteristicile altuia. Conform principiilor mecanicii cuantice, până în momentul măsurării, particula se află într-o suprapunere a mai multor stări posibile, iar în timpul măsurării, suprapunerea este îndepărtată și particula ajunge într-o singură stare. Dacă analizați multe particule, atunci în fiecare stare va exista un anumit procent de particule corespunzător probabilității acestei stări într-o suprapunere.

Dar ce se întâmplă cu suprapunerea stărilor de particule încurcate în momentul măsurării stării uneia dintre ele? Natura paradoxală și contraintuitivă a întanglementării cuantice constă în faptul că caracteristica celui de-al doilea foton este determinată exact în momentul în care am măsurat caracteristica primului. Nu, aceasta nu este o construcție teoretică, acesta este adevărul dur al lumii din jurul nostru, confirmat experimental. Da, implică prezența interacțiunii care are loc la o viteză infinit de mare, depășind chiar și viteza luminii. Cum să folosiți acest lucru în beneficiul umanității nu este încă foarte clar. Există idei pentru aplicații în calculul cuantic, criptografie și comunicații.

Oamenii de știință de la Viena au reușit să dezvolte o tehnică de imagistică complet nouă și extrem de contraintuitivă, bazată pe natura cuantică a luminii. În sistemul lor, imaginea este formată din lumină care nu a interacționat niciodată cu obiectul. Tehnologia se bazează pe principiul întanglementării cuantice. Un articol despre acest lucru a fost publicat în revista Nature. Studiul a implicat cercetători de la Institutul pentru Optică Cuantică și Informație Cuantică (IQOQI), Centrul de Știință și Tehnologie Cuantică din Viena (VCQ) și Universitatea din Viena.

În experimentul oamenilor de știință vienez, unul din perechea de fotoni încâlciți a avut o lungime de undă în partea infraroșie a spectrului și acesta a trecut prin eșantion. Fratele său avea o lungime de undă corespunzătoare luminii roșii și putea fi detectat de o cameră. Fasciculul de lumină generat de laser a fost împărțit în două jumătăți, iar jumătățile au fost direcționate către două cristale neliniare. Obiectul a fost plasat între două cristale. Era o silueta sculptată a unei pisici - în onoarea personajului experimentului speculativ al lui Erwin Schrödinger, care migrase deja în folclor. Un fascicul infraroșu de fotoni din primul cristal a fost îndreptat spre acesta. Apoi acești fotoni au trecut prin al doilea cristal, unde fotonii care au trecut prin imaginea pisicii au fost amestecați cu fotoni infraroșii proaspăt născuți, astfel încât a fost complet imposibil de înțeles în care dintre cele două cristale s-au născut. În plus, camera nu a detectat deloc fotonii infraroșii. Ambele fascicule de fotoni roșii au fost combinate și trimise către dispozitivul de recepție. S-a dovedit că, datorită efectului întanglementării cuantice, au stocat toate informațiile despre obiect necesare pentru a crea o imagine.

Rezultate similare au fost obținute printr-un experiment în care imaginea nu a fost o placă opacă cu un contur decupat, ci o imagine volumetrică din silicon care nu a absorbit lumina, ci a încetinit trecerea fotonului infraroșu și a creat o diferență de fază între fotoni. trecând prin diferite părți ale imaginii. S-a dovedit că o astfel de plasticitate a influențat și faza fotonilor roșii, care se aflau într-o stare de încurcare cuantică cu fotonii infraroșii, dar nu treceau niciodată prin imagine.

Lansat anul trecut, satelitul chinez Micius a finalizat cu succes testele orbitale și a stabilit un nou record pentru comunicațiile cuantice. A generat o pereche de fotoni încâlciți, i-a separat și i-a transmis simultan la două stații terestre situate la 1203 km una de cealaltă. Stațiile terestre au folosit apoi efectul de teleportare cuantică pentru a schimba mesaje criptate. Potenţial, lansarea unor astfel de sateliţi deschide posibilitatea creării unor sisteme de comunicaţii globale protejate de interceptări la nivelul principiilor fizice. Experimentul a fost deja numit „începutul internetului cuantic”.

Dispozitivul, care costă aproximativ 100 de milioane de dolari, a fost creat ca parte a proiectului QUESS (Quantum Science Satellite), o inițiativă comună a Academiei de Științe din China și Austria. „Acest proiect are scopul de a demonstra posibilitatea introducerii comunicațiilor cuantice la scară globală”, comentează Anton Zeilinger, expert în fizică cuantică la Universitatea din Viena, care a fost primul din lume care a efectuat teleportarea cuantică a stărilor fotonilor încurcați. .

Teleportarea cuantică și fantastică

Termenul „teleportare” poate induce în eroare. În sistemele cuantice, înseamnă transferul de informații între perechi pre-generate de particule legate, adică caracterizate printr-o funcție de undă comună. În acest caz, nu are loc niciun transfer de materie sau energie, iar relativitatea generală nu este încălcată. Esența teleportării cuantice este utilizarea stărilor cuantice interconectate ale particulelor încurcate pentru a codifica și transmite instantaneu informații. Măsurarea (adică modificarea) proprietăților unei particule va schimba instantaneu proprietățile celeilalte, indiferent de distanța lor.

Satelitul, care cântărește mai mult de 600 kg, a fost lansat pe o orbită sincronă cu soarele la o altitudine de 494,8–511,1 km folosind vehiculul de lansare Long March 2D (cunoscut și sub numele de Long March sau „Long March”) lansat de pe Jiuquan. Centrul de lansare a satelitului 16 august 2016. După multe luni de testare, a fost transferat la Academia Chineză de Științe.

Parametrii orbitali au fost aleși astfel încât satelitul să apară în același loc în fiecare noapte. Stațiile terestre au urmărit satelitul și au stabilit legături optice de comunicație cu acesta pentru a primi fotoni unici încâlciți. Satelitul a fost monitorizat de trei telescoape optice din Deling, Lijiang și Nanshan. Satelitul a reușit să stabilească comunicarea cu toate cele trei stații de la sol.

Conform planului, Micius va deveni primul dispozitiv din rețeaua globală de comunicații cuantice, pe care China intenționează să o creeze până în 2030. Una dintre sarcinile misiunii sale științifice este transmiterea cuantică a informațiilor printr-un canal de comunicații protejat de interceptări între Beijing și Viena. În acest scop, satelitul este echipat cu echipamente experimentale: un emițător de perechi de fotoni încâlciți și un emițător laser coerent de mare viteză.

Apropo, satelitul Micius (în altă transcriere - Mozi) poartă numele vechiului filozof chinez Mo Tzu. Potrivit specialistului principal în dezvoltarea lui Micius, academicianul Jian-Wei Pan de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China, compatriotul său Mo Tzu a descris natura propagării luminii chiar înainte de epoca noastră, care a dat naștere dezvoltării comunicatii optice. Să lăsăm pretențiile naționale de primație în optică în afara domeniului acestui articol și să ne uităm la ceea ce face înregistrarea atât de interesantă și, în același timp, să încercăm să înțelegem elementele de bază ale comunicațiilor cuantice.

Acordul chino-austriac

Nu a fost o coincidență faptul că Austria a devenit un participant la proiect: un grup de fizicieni de la Universitatea Austriacă din Innsbruck, în 1997, a reușit pentru prima dată să demonstreze teleportarea cuantică a stărilor într-o pereche de fotoni încâlciți.

China modernă are, de asemenea, o istorie interesantă în dezvoltarea comunicațiilor cuantice. În 2005, oamenii de știință de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China au reușit să transmită starea cuantică a particulelor încurcate pe 7 km în aer liber. Ulterior, folosind fibra optică personalizată, această distanță a fost mărită la 400 km. Pentru prima dată, transmiterea fotonilor încâlciți prin atmosferă și pe o distanță considerabilă a fost realizată și de către fizicienii de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China și de la Universitatea Tsinghua din Beijing. În mai 2010, au transmis cu succes o pereche de fotoni încâlciți pe o distanță de 16 km (vezi Fotonica naturii).

Fibră optică sau comunicațiile cu linie vizuală sunt necesare doar pentru separarea inițială a fotonilor încurcați. Ulterior, informațiile despre modificările stării lor cuantice sunt transmise instantaneu și indiferent de distanță. Prin urmare, pe lângă avantajele enumerate în mod tradițional ale transmisiei de date cuantice (densitate mare de codare, viteză și securitate de la interceptare), Zeilinger remarcă o altă proprietate importantă: teleportarea cuantică este posibilă și în cazul în care poziția relativă exactă a receptorului și emițătorului este necunoscut. Acest lucru este deosebit de important pentru sistemele de comunicații prin satelit, deoarece pozițiile relative ale nodurilor de rețea din acestea se schimbă constant.

Într-un nou experiment folosind Micius, laboratoarele situate în capitalele Chinei și Austriei și-au transmis un mesaj criptat cu cifrul Vernam unul altuia prin canale terestre deschise. Rezultatele măsurării proprietăților cuantice ale perechilor de fotoni încâlciți primiți de la satelit au fost folosite ca cheie criptografică.

Evident, primirea de miliarde de fotoni pe Pământ chiar și de la Soarele îndepărtat nu este o problemă. Oricine poate face acest lucru într-o zi însorită, pur și simplu ieșind din umbră. Detectarea simultană a unei anumite perechi de fotoni încâlciți dintr-un satelit în două laboratoare diferite și măsurarea proprietăților lor cuantice este o sarcină tehnică extrem de dificilă. Pentru a rezolva această problemă, proiectul QUESS a folosit optică adaptivă. Măsoară în mod constant gradul de distorsiune cauzat de turbulențele din atmosfera Pământului și îl compensează. În plus, filtrele optice au fost folosite pentru a opri lumina lunii și iluminarea urbană. Fără ele, era prea mult zgomot în linia de comunicație optică.

Fiecare trecere prin satelit peste teritoriul chinez a durat doar 275 de secunde. În acest timp, a fost necesar să se instaleze simultan două canale de ieșire din acesta. În prima serie de experimente - între Delinga și Nanshan (distanță 1120 km). În al doilea - între Delinga și Lijian (1203 km). În ambele experimente, perechi de fotoni încâlciți au fost recepționați cu succes de la satelit și canalul de comunicație securizat a fost operațional.

Acest lucru este considerat un progres din mai multe motive. În primul rând, Micius a fost primul experiment de succes în comunicațiile cuantice prin satelit. Până acum, toate astfel de experimente au fost efectuate în laboratoare de la sol, unde receptorul și emițătorul erau amplasate la distanțe mult mai mici unul de celălalt. În al doilea rând, alte experimente au necesitat utilizarea unui fel de mediu izolat pentru a transmite fotoni încâlciți. De exemplu, linii de comunicație cu fibră optică. În al treilea rând, în comunicațiile cuantice, fotonii unici sunt transmisi și înregistrați printr-o fibră optică, iar satelitul crește cursul de schimb efectiv.

Comunicațiile cuantice în Rusia

Din 2014, în Rusia a fost lansat un proiect în domeniul comunicațiilor cuantice terestre. Investițiile în acesta depășesc 450 de milioane de ruble, dar producția practică este încă foarte modestă. La 31 mai 2016, angajații Centrului cuantic din Rusia au lansat prima linie de comunicare cuantică internă. Creat pe baza rețelei de fibră optică existentă, a conectat două sucursale Gazprombank din Moscova - pe Koroviy Val și în Novye Cheryomushki. Distanța dintre aceste clădiri este de aproximativ 30 km. Deocamdată, linia de comunicare cuantică rusă funcționează ca una experimentală.

Semnalul de la Micius a călătorit prin atmosferă și a fost recepționat simultan de două stații terestre. „Dacă am folosi 1.200 km de fibră optică pentru a distribui perechi de fotoni încâlciți pe Pământ, atunci din cauza pierderii puterii semnalului cu distanța, am putea transmite doar o pereche pe secundă. Satelitul ajută la depășirea acestei bariere. Am îmbunătățit deja viteza de distribuție cu 12 ordine de mărime în comparație cu tehnologiile anterioare”, spune Jian-Wei Pan.

Transmiterea de date cuantice prin satelit deschide posibilitatea construirii unor sisteme de comunicații globale care sunt protejate maxim de interceptări la nivelul principiilor fizice. „Acesta este primul pas către o comunicare cuantică sigură la nivel mondial și poate chiar un internet cuantic”, spune Anton Zeilinger.

Paradoxul acestei realizări este că nici măcar autorii proiectului nu cunosc toate detaliile despre funcționarea sistemului de comunicare cuantică. Există doar ipoteze de lucru, testarea lor experimentală și lungi dezbateri despre interpretarea corectă a rezultatelor obținute. Acest lucru se întâmplă adesea: mai întâi se descoperă un fenomen, apoi este utilizat în mod activ și abia după mult timp se găsește cineva capabil să-i înțeleagă esența. Oamenii primitivi știau să facă foc, dar niciunul dintre ei nu înțelegea procesele fizice și chimice ale arderii. A trebuit să le înțelegem pentru a face o tranziție de calitate de la un motor de incendiu la un motor cu ardere internă și un motor rachetă.

Teleportarea cuantică este un lucru complet confuz în toate sensurile. Să încercăm să facem abstracție de la formule complexe și concepte invizibile și să înțelegem elementele de bază. Vechii cunoștințe ne vor ajuta în acest sens - interlocutorii Alice, Bob și Malory, care îi ascultă mereu cu urechea.

Cum Alice și Bob au înconjurat Mallory

Într-un sistem de comunicare convențional, lui Malory i se atribuie rolul de „om la mijloc”. Se prinde imperceptibil în linia de transmisie, interceptează mesajul de la Alice, îl citește, dacă dorește, îl schimbă și îl transmite lui Bob. Bob naiv nu bănuiește nimic. Așa că Malorie ia răspunsul lui, face ce vrea ea cu el și i-l trimite lui Alice. Așa sunt compromise toată corespondența, convorbirile telefonice și orice alt tip clasic de comunicare. Cu comunicarea cuantică acest lucru este imposibil în principiu. De ce?

Pentru a crea o cheie criptografică acolo, Alice și Bob folosesc mai întâi o serie de măsurători pe perechi de fotoni încâlciți. Rezultatele acestor măsurători devin apoi cheia pentru criptarea și decriptarea mesajelor trimise pe orice canal deschis. Dacă Malory interceptează fotonii încâlciți, el va distruge sistemul cuantic și ambii interlocutori vor afla imediat despre asta. Malory nu ar putea retransmite aceiași fotoni din punct de vedere fizic, deoarece ar încălca un principiu al mecanicii cuantice cunoscut sub numele de „regula interzicei clonării”.

Acest lucru se întâmplă deoarece proprietățile macro și microlumilor sunt radical diferite. Orice obiect macro există întotdeauna într-o stare foarte specifică. Aici este o bucată de hârtie, stă acolo. Aici a fost pus într-un plic și trimis prin poștă aeriană. Putem măsura orice parametru al unui mesaj de hârtie în orice moment, iar acest lucru nu îi va afecta în niciun fel esența. Nu își va modifica conținutul din cauza cântăririi sau a radiografiei și nu va zbura mai repede în fasciculul radar cu care măsurăm viteza aeronavei.

Acesta nu este cazul particulelor elementare. Ele sunt descrise ca stări probabiliste ale unui sistem cuantic și orice măsurătoare îl transferă într-o stare strict definită, adică o modifică. Însăși influența măsurării asupra rezultatului nu se încadrează bine în viziunea obișnuită asupra lumii. Totuși, din punct de vedere practic, este interesant deoarece starea sistemului cuantic transmis nu poate fi cunoscută în secret. O încercare de a intercepta și de a citi un astfel de mesaj îl va distruge pur și simplu. Prin urmare, se crede că comunicarea cuantică elimină complet posibilitatea unui atac MitM.

Orice particule elementare sunt teoretic potrivite pentru transferul de date cuantice. Anterior, au fost efectuate experimente cu electroni, protoni și chiar ioni de diferite metale. În practică, deocamdată este cel mai convenabil să folosești fotoni. Sunt ușor de emis și înregistrat. Există deja dispozitive gata făcute, protocoale și rețele întregi de fibră optică pentru transmisia tradițională de date. Diferența dintre sistemele de comunicare cuantică este că perechile de fotoni încâlciți anterior trebuie să le fie transmise.

Cum să nu te încurci în doi fotoni

Încurcarea particulelor elementare dă naștere la dezbateri aprinse în jurul principiului localității - postulatul că doar obiectele suficient de apropiate între ele participă la interacțiuni. Toate testele experimentale din mecanica clasică se bazează pe acest principiu. Rezultatul oricărui experiment din acesta depinde numai de corpurile care interacționează direct și poate fi calculat cu precizie în avans. Numărul de observatori nu îl va afecta în niciun fel. În cazul mecanicii cuantice nu există o astfel de certitudine. De exemplu, este imposibil să spunem în avans care va fi polarizarea unuia dintre fotonii încâlciți.

Einstein a sugerat cu prudență că natura probabilistică a predicțiilor mecanicii cuantice se explică prin prezența unor parametri ascunși, adică o banală incompletitudine a descrierii. Treizeci de ani mai târziu, Bell a răspuns creând o serie de inegalități care ar putea confirma teoretic prezența parametrilor ascunși în experimentele cu particule cuantice prin analiza distribuției probabilității într-o serie de experimente. Alain Aspe, și apoi alți experimentatori, au demonstrat încălcarea inegalităților lui Bell.

În 2003, fizicianul teoretician de la Universitatea din Illinois Tony Leggett a rezumat datele acumulate și a propus abandonarea completă a principiului localității în orice raționament despre sistemele cuantice. Mai târziu, un grup de oameni de știință de la Institutul de Fizică Teoretică din Zurich și Institutul de Fizică Aplicată de la Universitatea Tehnică din Darmstadt, condus de Roger Kohlbeck, a ajuns la concluzia că principiul Heisenberg este incorect și pentru particulele elementare încurcate.

Această regândire constantă a mecanicii cuantice are loc pentru că încercăm să gândim în categorii familiare într-un mediu neobișnuit. Stările încurcate ale particulelor și, în special, ale fotonilor nu sunt deloc o proprietate mistică. Nu încalcă, ci completează, legile cunoscute ale fizicii. Doar că fizicienii înșiși nu pot descrie încă efectele observate într-o teorie consecventă.

Încheierea cuantică a fost observată în experimente încă din anii 1970. Perechile de particule pre-încurcate separate la orice distanță instantaneu (adică mai repede decât viteza luminii) își schimbă reciproc proprietățile - de unde și termenul „teleportare”. De exemplu, dacă schimbați polarizarea unui foton, perechea acestuia își va schimba imediat pe a ei. Miracol? Da, dacă nu vă amintiți că inițial acești fotoni erau un singur întreg, iar după separare, polarizarea lor și alte proprietăți s-au dovedit a fi, de asemenea, interconectate.

Cu siguranță vă amintiți de duplicitatea fotonului: interacționează ca o particulă, dar se propagă ca o undă. Există diferite tehnici pentru a crea o pereche de fotoni încâlciți, dintre care una se bazează pe proprietățile undei. Acesta generează un foton cu o lungime de undă mai scurtă (de exemplu, 512 nm), apoi este împărțit în doi fotoni cu o lungime de undă mai mare (1024 nm). Lungimea de undă (frecvența) unor astfel de fotoni este aceeași și toate proprietățile cuantice ale perechii sunt descrise de un model probabilistic. „Schimbarea” în microcosmos înseamnă „măsură” și invers.

O particulă de foton are numere cuantice - de exemplu, helicitatea (pozitivă sau negativă). O undă fotonică are o polarizare - de exemplu, orizontală sau verticală (sau circulară stânga și dreapta - în funcție de planul și direcția de mișcare pe care o luăm în considerare).

Care vor fi aceste proprietăți pentru fiecare foton dintr-o pereche nu este cunoscut în prealabil (vezi principiile probabilistice ale mecanicii cuantice). Dar în cazul fotonilor încâlciți, putem spune că vor fi invers. Prin urmare, dacă modificați (măsurați) caracteristicile unui foton dintr-o pereche, acestea vor deveni instantaneu determinate pentru al doilea, chiar dacă acesta este situat la 100500 de parsecs distanță. Este important să înțelegeți că acest lucru nu înseamnă pur și simplu eliminarea necunoscutului. Aceasta este tocmai o schimbare a proprietăților cuantice ale particulelor ca urmare a trecerii de la o stare probabilistică la una deterministă.

Principala provocare tehnică nu este crearea de perechi de fotoni încâlciți. Aproape orice sursă de lumină le produce în mod constant. Chiar și becul din camera ta emite milioane de fotoni încâlciți. Cu toate acestea, cu greu poate fi numit un dispozitiv cuantic, deoarece într-un astfel de haos încâlcerea cuantică a perechilor născute dispare rapid, iar nenumărate interacțiuni împiedică transferul eficient de informații.

Experimentele cu intricarea cuantică a fotonilor folosesc de obicei proprietățile opticii neliniare. De exemplu, dacă străluciți un laser pe o bucată de niobat de litiu sau alt cristal neliniar tăiat într-un anumit mod, atunci vor apărea perechi de fotoni cu polarizare reciproc ortogonală (adică orizontală și verticală). Un impuls laser (ultra)scurt este strict o pereche de fotoni. Acolo este magia!

Bonus suplimentar de transfer de date cuantice

Helicity, polarizarea sunt toate modalități suplimentare de a codifica un semnal, astfel încât mai mult de un bit de informație poate fi transmis cu un foton. Acesta este modul în care sistemele de comunicații cuantice măresc densitatea și viteza de transmisie a datelor.

Utilizarea teleportarii cuantice pentru a transmite informații este încă prea dificilă, dar progresele în acest domeniu se mișcă rapid. Prima experiență de succes a fost înregistrată în 2003. Grupul lui Zeilinger a efectuat transferul stărilor cuantice ale particulelor încurcate separate de 600 m În 2010, grupul lui Jian-Wei Pan a crescut această distanță la 13 km, iar apoi în 2012 și-a doborât propriul record, înregistrând teleportarea cuantică cu succes la o distanță de 97 km. . În același 2012, Zeilinger s-a răzbunat și a mărit distanța la 143 km. Acum, prin eforturi comune, au făcut un adevărat progres - au finalizat o transmisie de 1203 km.

Entanglementul cuantic, sau „acțiunea înfricoșătoare la distanță”, așa cum a numit-o Albert Einstein, este un fenomen mecanic cuantic în care stările cuantice a două sau mai multe obiecte sunt interdependente. Această dependență persistă chiar dacă obiectele sunt la mulți kilometri distanță unul de celălalt. De exemplu, puteți încurca o pereche de fotoni, puteți duce unul dintre ei într-o altă galaxie și apoi măsurați rotația celui de-al doilea foton - și va fi opus rotației primului foton și invers. Ei încearcă să adapteze întanglementul cuantic pentru transmiterea instantanee a datelor pe distanțe gigantice sau chiar pentru teleportare.

Calculatoarele moderne oferă destul de multe oportunități de simulare a unei game largi de situații. Cu toate acestea, orice calcul va fi „liniar” într-o oarecare măsură, deoarece se supun unor algoritmi clar definiți și nu se pot abate de la aceștia. Și acest sistem nu permite simularea unor mecanisme complexe în care aleatorietatea este un fenomen aproape constant. Este vorba despre simularea vieții. Ce dispozitiv ar putea face asta? Calculator cuantic! Pe una dintre aceste mașini a fost lansat cel mai mare proiect de simulare a vieții cuantice.

O echipă de fizicieni și matematicieni a făcut un pas semnificativ spre unificarea relativității generale și a mecanicii cuantice, explicând modul în care spațiu-timp curge de la încrucișarea cuantică într-o teorie mai fundamentală.

· Cromodinamică cuantică · Model standard · Gravitație cuantică

Legatura cuantica(vezi secțiunea „”) - un fenomen mecanic cuantic în care stările cuantice a două sau mai multe obiecte se dovedesc a fi interdependente. O astfel de interdependență persistă chiar dacă aceste obiecte sunt separate în spațiu dincolo de limitele oricăror interacțiuni cunoscute, ceea ce este în contradicție logică cu principiul localității. De exemplu, puteți obține o pereche de fotoni care sunt într-o stare încurcată și apoi, dacă, la măsurarea spin-ului primei particule, helicitatea se dovedește a fi pozitivă, atunci helicitatea celei de-a doua se dovedește întotdeauna a fi negativă. , si invers.

Istoria studiului

Disputa între Bohr și Einstein, EPR-Paradox

Continuând dezbaterea în curs, în 1935 Einstein, Podolsky și Rosen au formulat paradoxul EPR, care trebuia să arate incompletitudinea modelului propus de mecanică cuantică. Articolul lor „Poate fi considerată completă descrierea mecanică cuantică a realității fizice?” a fost publicat în numărul 47 al revistei Physical Review.

În paradoxul EPR, principiul incertitudinii Heisenberg a fost încălcat mental: în prezența a două particule care au o origine comună, este posibil să se măsoare starea unei particule și din aceasta să se prezică starea alteia, pe care măsurarea nu a fost efectuată. încă a fost făcută. Analizând astfel de sisteme teoretic interdependente în același an, Schrödinger le-a numit „încurcate” (ing. încurcat). Mai târziu engleză încurcat si engleza încurcătură au devenit termeni obișnuiți în publicațiile în limba engleză. Trebuie remarcat faptul că Schrödinger însuși considera particulele ca fiind încurcate doar atâta timp cât interacționează fizic între ele. La deplasarea dincolo de limitele posibilelor interacțiuni, încurcarea a dispărut. Adică, sensul termenului din Schrödinger diferă de ceea ce se înțelege în prezent.

Einstein nu a considerat paradoxul EPR ca o descriere a vreunui fenomen fizic real. A fost tocmai un construct mental creat pentru a demonstra contradicțiile principiului incertitudinii. În 1947, într-o scrisoare către Max Born, el a numit astfel de comunicare între particule încurcate „acțiune înfricoșătoare la distanță” (germană). spukhafte Fernwirkung, Engleză acțiune înfricoșătoare la distanțăîn traducerea lui Born):

Prin urmare, nu-mi vine să cred, deoarece (această) teorie este ireconciliabilă cu principiul că fizica ar trebui să reflecte realitatea în timp și spațiu, fără (unele) efecte înfiorătoare pe rază lungă.

Text original(Limba germana)

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.

- „Sisteme încurcate: noi direcții în fizica cuantică”

Deja în numărul următor al Physical Review, Bohr și-a publicat răspunsul într-un articol cu ​​același titlu cu cel al autorilor paradoxului. Susținătorii lui Bohr au considerat răspunsul său satisfăcător, iar paradoxul EPR în sine a fost cauzat de o înțelegere greșită a esenței „observatorului” în fizica cuantică de către Einstein și susținătorii săi. În general, majoritatea fizicienilor s-au retras pur și simplu din complexitățile filozofice ale Interpretării de la Copenhaga. Ecuația Schrödinger a funcționat, predicțiile au coincis cu rezultatele, iar în cadrul pozitivismului acest lucru a fost suficient. Gribbin scrie despre asta: „pentru a ajunge de la punctul A la punctul B, șoferul nu trebuie să știe ce se întâmplă sub capota mașinii sale”. Gribbin a folosit cuvintele lui Feynman ca epigrafe pentru cartea sa:

Cred că pot afirma în mod responsabil că nimeni nu înțelege mecanica cuantică. Dacă este posibil, încetează să te întrebi „Cum este posibil asta?” - pentru că vei fi condus într-o fundătură din care nimeni nu a scăpat încă.

Inegalitățile lui Bell, teste experimentale ale inegalităților

Această stare de lucruri s-a dovedit a nu avea prea mult succes pentru dezvoltarea teoriei și practicii fizice. „Entanglement” și „efecte înfricoșătoare la distanță” au fost ignorate timp de aproape 30 de ani până când fizicianul irlandez John Bell a devenit interesat de ele. Inspirat de ideile lui Bohm (vezi teoria lui De Broglie-Bohm), Bell și-a continuat analiza paradoxului EPR și în 1964 și-a formulat inegalitățile. Simplificând destul de mult componentele matematice și fizice, putem spune că munca lui Bell a dus la două situații clar recunoscute în măsurătorile statistice ale stărilor particulelor încurcate. Dacă stările a două particule încurcate sunt determinate în momentul separării, atunci o inegalitate Bell trebuie să fie valabilă. Dacă stările a două particule încurcate sunt nedeterminate înainte ca starea uneia dintre ele să fie măsurată, atunci o altă inegalitate trebuie să fie valabilă.

Inegalitățile lui Bell au oferit o bază teoretică pentru posibile experimente fizice, dar din 1964 baza tehnică nu permitea încă să fie efectuate. Primele experimente de succes pentru a testa inegalitățile lui Bell au fost efectuate de Clauser (Engleză) Rusă

și Friedman în 1972. Rezultatele au implicat incertitudinea stării unei perechi de particule încurcate înainte ca măsurătorile să fie efectuate pe una dintre ele. Și totuși, până în anii 1980, încrucișarea cuantică a fost văzută de majoritatea fizicienilor ca „nu o resursă nouă neclasică care poate fi exploatată, ci mai degrabă o confuzie care aștepta clarificarea finală”. (Engleză) Cu toate acestea, experimentele grupului lui Clauser au fost urmate de experimentele lui Aspe Rusăîn 1981. În experimentul clasic Aspe (vezi) două fluxuri de fotoni cu spin total zero emise de la sursă S, au fost trimise lui Nicolas prisme AȘi b, au fost trimise lui Nicolas prisme . În ele, datorită birefringenței, polarizările fiecărui foton au fost separate în unele elementare, după care fasciculele au fost direcționate către detectoare. D+ D–. Semnalele de la detectoare prin fotomultiplicatori au intrat în dispozitivul de înregistrare

R (Engleză), unde a fost calculată inegalitatea lui Bell. (Engleză) Rezultatele obținute atât în ​​experimentele Friedmann-Klauser, cât și în Aspe au vorbit în mod clar în favoarea absenței realismului local einsteinian. „Acțiune înfiorătoare pe distanță lungă” dintr-un experiment de gândire a devenit în sfârșit o realitate fizică. Ultima lovitură pentru localitate a venit în 1989, odată cu înmulțirea statelor conectate Greenberger-Horn-Zeilinger. (Engleză) Rusă

și Anton Zeilinger au primit premiul Wolf în fizică „pentru contribuțiile fundamentale conceptuale și experimentale la fundamentele fizicii cuantice, în special pentru o serie de teste din ce în ce mai complexe ale inegalităților lui Bell (sau versiuni extinse ale acestor inegalități) folosind stări cuantice încurcate”.

Scena modernă

În 2008, un grup de cercetători elvețieni de la Universitatea din Geneva a reușit să răspândească două fluxuri de fotoni încâlciți pe o distanță de 18 kilometri. Printre altele, acest lucru a făcut posibilă efectuarea de măsurători de timp cu o precizie de neatins anterior. Drept urmare, s-a constatat că, dacă are loc un fel de interacțiune ascunsă, atunci viteza de propagare a acesteia trebuie să fie de cel puțin 100.000 de ori mai mare decât viteza luminii în vid. La viteze mai mici, ar fi observate întârzieri. (Engleză)În vara aceluiași an, un alt grup de cercetători din Austria

Rusă , inclusiv Zeilinger, au reușit să organizeze un experiment și mai amplu, răspândind fluxuri de fotoni încâlciți pe 144 de kilometri între laboratoarele de pe insulele La Palma și Tenerife. Procesarea și analiza unui astfel de experiment la scară largă continuă, cea mai recentă versiune a raportului a fost publicată în 2010. În acest experiment, a fost posibilă excluderea posibilei influențe a distanței insuficiente dintre obiecte în momentul măsurării și a libertății insuficiente de alegere a setărilor de măsurare. În consecință, încrucișarea cuantică și, în consecință, natura nelocală a realității au fost din nou confirmate. Adevărat, rămâne o a treia influență posibilă - eșantionul complet nu este suficient. Un experiment în care toate cele trei potențiale influențe sunt eliminate simultan este o chestiune pentru viitor din septembrie 2011.

Majoritatea experimentelor cu particule încurcate folosesc fotoni. Acest lucru se explică prin ușurința relativă de a obține fotoni încâlciți și de a le transmite la detectoare, precum și de natura binară a stării măsurate (helicitate pozitivă sau negativă). Cu toate acestea, fenomenul de întanglement cuantic există și pentru alte particule și stările acestora. În 2010, o echipă internațională de oameni de știință din Franța, Germania și Spania a obținut și studiat stările cuantice încurcate ale electronilor, adică particulele cu masă, într-un supraconductor solid format din nanotuburi de carbon. În 2011, cercetătorii au reușit să creeze o stare de întricare cuantică între un singur atom de rubidiu și un condensat Bose-Einstein, separat de o distanță de 30 de metri.

Cu un termen englez stabil Legatura cuantica, folosite destul de consecvent în publicațiile în limba engleză, lucrările în limba rusă demonstrează o mare varietate de utilizare. Dintre termenii găsiți în sursele pe această temă, putem numi (în ordine alfabetică):

Această diversitate poate fi explicată prin mai multe motive, printre care prezența obiectivă a două obiecte desemnate: a) statul însuși (ing. legatura cuantica) și b) efectele observate în această stare (ing. acțiune înfricoșătoare la distanță ), care în multe lucrări în limba rusă diferă mai degrabă în context decât în ​​terminologie.

Formulare matematică

Obținerea stărilor cuantice încurcate

În cel mai simplu caz, sursa Rusă Fluxurile de fotoni încâlciți sunt deservite de un anumit material neliniar, spre care este direcționat un flux laser de o anumită frecvență și intensitate (circuit cu un emițător). Ca rezultat al împrăștierii parametrice spontane (SPR), se obțin două conuri de polarizare la ieșire H, au fost trimise lui Nicolas prisme V, purtând perechi de fotoni într-o stare cuantică încurcată (bifotoni).

• Traducere

Entanglementul cuantic este unul dintre cele mai complexe concepte din știință, dar principiile sale de bază sunt simple. Și odată înțeles, întanglementul deschide calea către o mai bună înțelegere a conceptelor precum numeroasele lumi din teoria cuantică.

O aură încântătoare de mister înconjoară conceptul de întricare cuantică, precum și (cumva) cerința conexă a teoriei cuantice că trebuie să existe „multe lumi”. Și totuși, la baza lor, acestea sunt idei științifice cu semnificație reală și aplicații specifice. Aș dori să explic conceptele de încurcătură și multe lumi la fel de simplu și clar pe cât le cunosc.

eu

Încurcarea apare în situațiile în care avem informații parțiale despre starea a două sisteme. De exemplu, două obiecte pot deveni sistemele noastre – să le numim kaoni. „K” va sta pentru obiecte „clasice”. Dar dacă chiar vrei să-ți imaginezi ceva concret și plăcut, imaginează-ți că acestea sunt prăjituri.

Kaonii noștri vor avea două forme, pătrate sau rotunde, iar aceste forme vor indica stările lor posibile. Atunci cele patru stări de îmbinare posibile ale celor doi kaoni vor fi: (pătrat, pătrat), (pătrat, cerc), (cerc, pătrat), (cerc, cerc). Tabelul arată probabilitatea ca sistemul să se afle într-una dintre cele patru stări enumerate.

Vom spune că kaonii sunt „independenți” dacă cunoștințele despre starea unuia dintre ei nu ne oferă informații despre starea celuilalt. Și această masă are o astfel de proprietate. Dacă primul kaon (tort) este pătrat, încă nu știm forma celui de-al doilea. În schimb, forma celui de-al doilea nu ne spune nimic despre forma primului.

Pe de altă parte, vom spune că doi kaoni sunt încurși dacă informațiile despre unul dintre ei ne îmbunătățesc cunoștințele despre celălalt. A doua tabletă ne va arăta o confuzie puternică. În acest caz, dacă primul kaon este rotund, vom ști că și al doilea este rotund. Și dacă primul kaon este pătrat, atunci al doilea va fi același. Cunoscând forma unuia, putem determina fără ambiguitate forma celuilalt.

Versiunea cuantică a entanglementului arată în esență la fel - este o lipsă de independență. În teoria cuantică, stările sunt descrise de obiecte matematice numite funcții de undă. Regulile care combină funcțiile de undă cu posibilitățile fizice dau naștere unor complicații foarte interesante pe care le vom discuta mai târziu, dar conceptul de bază al cunoștințelor încurcate pe care l-am demonstrat pentru cazul clasic rămâne același.

Deși brownies-urile nu pot fi considerate sisteme cuantice, încurcarea în sistemele cuantice are loc în mod natural, cum ar fi după ciocnirile de particule. În practică, stările neîncurcate (independente) pot fi considerate excepții rare, deoarece între ele apar corelații atunci când sistemele interacționează.

Luați în considerare, de exemplu, molecule. Ele constau din subsisteme - în special, electroni și nuclee. Starea minimă de energie a unei molecule, în care există de obicei, este o stare foarte încurcată a electronilor și a nucleului, deoarece aranjarea acestor particule constitutive nu va fi independentă în niciun fel. Când nucleul se mișcă, electronul se mișcă odată cu el.

Să revenim la exemplul nostru. Dacă scriem Φ■, Φ● ca funcții de undă care descriu sistemul 1 în stările sale pătrate sau rotunde și ψ■, ψ● pentru funcțiile de undă care descriu sistemul 2 în stările sale pătrate sau rotunde, atunci în exemplul nostru de lucru toate stările pot fi descrise, Cum:

Independent: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Încurcat: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Versiunea independentă poate fi scrisă și ca:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Observați cum, în acest din urmă caz, parantezele separă în mod clar primul și al doilea sistem în părți independente.

Există multe moduri de a crea stări încurcate. Una este măsurarea unui sistem compozit care vă oferă informații parțiale. Se poate afla, de exemplu, că două sisteme au convenit să fie de aceeași formă fără a ști ce formă au ales. Acest concept va deveni important puțin mai târziu.

Efectele mai frecvente ale întanglementării cuantice, cum ar fi efectele Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) și Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ), apar din interacțiunea acesteia cu o altă proprietate a teoriei cuantice numită principiul complementarității. Pentru a discuta despre EPR și GHZ, permiteți-mi mai întâi să vă prezint acest principiu.

Până în acest moment, ne-am imaginat că kaonii au două forme (pătrat și rotund). Acum să ne imaginăm că vin și în două culori - roșu și albastru. Luând în considerare sistemele clasice, cum ar fi prăjiturile, această proprietate suplimentară ar însemna că kaonul ar putea exista într-una din cele patru stări posibile: pătrat roșu, cerc roșu, pătrat albastru și cerc albastru.

Dar prăjiturile cuantice sunt quantoni... Sau quantoni... Se comportă complet diferit. Faptul că un quanton în unele situații poate avea forme și culori diferite nu înseamnă neapărat că are simultan atât formă, cât și culoare. De fapt, bunul simț pe care Einstein l-a cerut realității fizice nu corespunde faptelor experimentale, așa cum vom vedea în curând.

Putem măsura forma unui quanton, dar făcând acest lucru vom pierde toate informațiile despre culoarea acestuia. Sau putem măsura culoarea, dar pierdem informații despre forma acesteia. Conform teoriei cuantice, nu putem măsura atât forma, cât și culoarea în același timp. Viziunea nimănui asupra realității cuantice nu este completă; trebuie să luăm în considerare multe imagini diferite și care se exclud reciproc, fiecare dintre ele având propria sa imagine incompletă a ceea ce se întâmplă. Aceasta este esența principiului complementarității, așa cum este formulat de Niels Bohr.

Ca urmare, teoria cuantică ne obligă să fim atenți în atribuirea proprietăților realității fizice. Pentru a evita contradicțiile, trebuie să admitem că:

O proprietate nu există decât dacă este măsurată.
Măsurarea este un proces activ care modifică sistemul măsurat

II

Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen (EPR) au descris un efect surprinzător care apare atunci când două sisteme cuantice se încurcă. Efectul EPR combină o formă specială, realizabilă experimental, de întanglement cuantic cu principiul complementarității.

O pereche EPR este formată din doi quantoni, fiecare dintre care poate fi măsurat în formă sau culoare (dar nu ambii deodată). Să presupunem că avem multe astfel de perechi, toate la fel și putem alege ce măsurători facem pe componentele lor. Dacă măsurăm forma unui membru al unei perechi EPR, este la fel de probabil să obținem un pătrat sau un cerc. Dacă măsurăm culoarea, este la fel de probabil să obținem roșu sau albastru.

Efecte interesante care păreau paradoxale pentru EPR apar atunci când măsurăm ambii membri ai perechii. Când măsurăm culoarea ambilor membri sau forma lor, constatăm că rezultatele sunt întotdeauna aceleași. Adică dacă descoperim că unul dintre ele este roșu și apoi măsurăm culoarea celui de-al doilea, descoperim și că este roșu – și așa mai departe. Pe de altă parte, dacă măsurăm forma unuia și culoarea celuilalt, nu se observă nicio corelație. Adică, dacă primul a fost un pătrat, atunci al doilea ar putea fi albastru sau roșu cu probabilitate egală.

Conform teoriei cuantice, vom obține astfel de rezultate chiar dacă cele două sisteme sunt separate la o distanță uriașă și măsurătorile sunt efectuate aproape simultan. Alegerea tipului de măsurare într-o locație pare să afecteze starea sistemului într-o altă locație. Această „acțiune înfricoșătoare la distanță”, așa cum a numit-o Einstein, se pare că necesită transmiterea de informații – în cazul nostru, informații despre o măsurătoare care se face – mai rapid decât viteza luminii.

Dar este? Până nu știu ce rezultate ai obținut, nu știu la ce să mă aștept. Obțin informații utile atunci când vă cunosc rezultatul, nu atunci când faceți o măsurătoare. Și orice mesaj care conține rezultatul pe care îl primiți trebuie transmis într-un fel fizic, mai lent decât viteza luminii.

După studii suplimentare, paradoxul se prăbușește și mai mult. Să luăm în considerare starea celui de-al doilea sistem dacă măsurarea primului a dat o culoare roșie. Dacă decidem să măsurăm culoarea celui de-al doilea quanton, obținem roșu. Dar prin principiul complementarității, dacă decidem să îi măsurăm forma atunci când este în starea „roșie”, avem șanse egale să obținem un pătrat sau un cerc. Prin urmare, rezultatul EPR este logic predeterminat. Aceasta este pur și simplu o reformulare a principiului complementarității.

Nu există paradox în faptul că evenimentele îndepărtate sunt corelate. La urma urmei, dacă punem una din cele două mănuși dintr-o pereche în cutii și le trimitem în diferite capete ale planetei, nu este de mirare că, uitându-mă într-o cutie, pot determina cărei mână este destinată cealaltă mănușă. La fel, în toate cazurile, corelarea perechilor EPR trebuie înregistrată pe ele atunci când sunt în apropiere, astfel încât să poată rezista la separarea ulterioară, parcă ar avea memorie. Ciudățenia paradoxului EPR nu constă în posibilitatea corelării în sine, ci în posibilitatea păstrării acestuia sub formă de completări.

III

Fiecare experimentator individual obține rezultate aleatorii. Măsurând forma unui quanton, el obține cu aceeași probabilitate un pătrat sau un cerc; atunci când se măsoară culoarea unui quanton, este la fel de probabil să fie roșu sau albastru. Până acum totul este obișnuit.

Dar atunci când experimentatorii se reunesc și compară rezultatele, analiza arată un rezultat surprinzător. Să presupunem că numim forma pătrată și culoarea roșie „bine”, iar cercurile și culoarea albastră „rău”. Experimentatorii descoperă că, dacă doi dintre ei decid să măsoare forma și al treilea decide să măsoare culoarea, atunci fie 0, fie 2 dintre măsurători sunt „rele” (adică, rotunde sau albastre). Dar dacă toți trei decid să măsoare o culoare, atunci fie 1, fie 3 dimensiuni sunt rele. Aceasta este ceea ce prezice mecanica cuantică și exact asta se întâmplă.

Întrebare: Este cantitatea de rău par sau impar? Ambele posibilități sunt realizate în dimensiuni diferite. Trebuie să renunțăm la această problemă. Nu are sens să vorbim despre cantitatea de rău într-un sistem fără a-l raporta la modul în care este măsurat. Și asta duce la contradicții.

Efectul GHZ, așa cum îl descrie fizicianul Sidney Coleman, este „o palmă din partea mecanicii cuantice”. Ea descompune așteptările convenționale, experiențiale, că sistemele fizice au proprietăți predeterminate, independent de măsurarea lor. Dacă ar fi așa, atunci echilibrul dintre bine și rău nu ar depinde de alegerea tipurilor de măsurare. Odată ce acceptați existența efectului GHZ, nu îl veți uita, iar orizonturile voastre se vor extinde.

IV

Vorbim despre „istorii încurcate” când este imposibil ca unui sistem să i se atribuie o anumită stare în fiecare moment în timp. La fel cum în încurcarea tradițională excludem posibilități, putem crea istorii încurcate făcând măsurători care colectează informații parțiale despre evenimentele trecute. În cele mai simple povești încurcate avem un quanton pe care îl studiem în două momente diferite în timp. Ne putem imagina o situație în care determinăm că forma quantonului nostru a fost pătrată de ambele ori sau rotundă de ambele ori, dar ambele situații rămân posibile. Aceasta este o analogie cuantică temporală cu cele mai simple versiuni de întricare descrise mai devreme.

Folosind un protocol mai complex, putem adăuga un mic detaliu suplimentar acestui sistem și putem descrie situații care declanșează proprietatea „multe-lumi” a teoriei cuantice. Quantonul nostru poate fi preparat în stare roșie, apoi măsurat și obținut în albastru. Și ca și în exemplele anterioare, nu putem atribui permanent unui quanton proprietatea culorii în intervalul dintre două dimensiuni; Nu are o formă anume. Asemenea povești realizează, într-un mod limitat, dar complet controlat și precis, intuiția inerentă în imaginea cu lumi multiple a mecanicii cuantice. O anumită stare poate fi împărțită în două traiectorii istorice contradictorii, care apoi se leagă din nou.

Erwin Schrödinger, fondatorul teoriei cuantice, care a fost sceptic cu privire la corectitudinea acesteia, a subliniat că evoluția sistemelor cuantice duce în mod natural la stări, a căror măsurare poate da rezultate extrem de diferite. Experimentul său de gândire cu „pisica lui Schrodinger” postulează, după cum știm, incertitudinea cuantică, dusă la nivelul influenței asupra mortalității feline. Înainte de măsurare, este imposibil să atribuiți proprietatea vieții (sau a morții) unei pisici. Ambele, sau niciunul, există împreună într-o lume de altă lume a posibilităților.

Limbajul de zi cu zi este nepotrivit pentru a explica complementaritatea cuantică, în parte pentru că experiența de zi cu zi nu o include. Pisicile practice interacționează cu moleculele de aer din jur, și alte obiecte, în moduri complet diferite, în funcție de faptul că sunt vii sau moarte, așa că în practică măsurarea are loc automat, iar pisica continuă să trăiască (sau să nu trăiască). Dar poveștile descriu cu confuzie quantonii, care sunt pisoii lui Schrödinger. Descrierea lor completă necesită să luăm în considerare două traiectorii de proprietăți care se exclud reciproc.

Implementarea experimentală controlată a poveștilor încurcate este un lucru delicat, deoarece necesită colectarea de informații parțiale despre quantoni. Măsurătorile cuantice convenționale colectează de obicei toate informațiile simultan – determinând o formă exactă sau o culoare precisă, de exemplu – în loc să obțină informații parțiale de mai multe ori. Dar se poate face, deși cu dificultăți tehnice extreme. În acest fel, putem atribui un anumit sens matematic și experimental extinderii conceptului de „multe lumi” în teoria cuantică și putem demonstra realitatea acestuia.