Predviđanja kvantne mehanike ponekad su teško povezati s idejama o klasičnom svijetu. Dok se položaj i zamah klasične čestice mogu mjeriti istodobno, u kvantnom slučaju možete znati samo vjerojatnost pronalaska čestice u jednom ili drugom stanju. Štoviše, kvantna teorija kaže da kada su dva sustava zapletena, mjerenje stanja jednog od njih odmah utječe na drugi. U 2015. godini, tri su skupine fizičara ostvarile značajan napredak u razumijevanju prirode kvantnog zapletanja i teleportacije. Physics Today i Lenta.ru razgovaraju o dostignućima znanstvenika.
Albert Einstein se nije složio s vjerojatnom interpretacijom kvantne mehanike. Upravo je s tim u vezi rekao da "Bog ne igra kockice" (na što je danski fizičar Niels Bohr kasnije odgovorio da Einstein nije odlučio šta će učiniti s Bogom). Njemački znanstvenik nije prihvatio neizvjesnost svojstvenu mikrotalahu i smatrao je klasični determinizam ispravnim. Tvorac opće teorije relativnosti vjerovao je da kvantitativna mehanika pri opisu mikrovalnog svijeta ne uzima u obzir neke skrivene varijable, bez kojih je kvantna teorija sama po sebi nepotpuna. Znanstvenik je predložio traženje skrivenih parametara prilikom mjerenja kvantnog stanja s klasičnim uređajem: ovaj postupak uključuje promjenu prvog u drugi, a Einstein je smatrao mogućim eksperimentirati tamo gdje nema takve promjene.
Od tada znanstvenici pokušavaju utvrditi postoje li skrivene varijable u kvantnoj mehanici ili je to bio Einsteinov izum. Problem skrivenih varijabli formalizirao je 1964. godine britanski teorijski fizičar John Bell. Predložio je ideju eksperimenta u kojem se može utvrditi prisutnost bilo kojeg skrivenog parametra u sustavu provođenjem statističke analize niza posebnih eksperimenata. Eksperiment je bio takav. Atom je smješten u vanjsko polje, istovremeno emitirajući par fotona, koji su se raspršili u suprotnim smjerovima. Zadaća eksperimentatora je izvršiti višestruka mjerenja smjera okretanja fotona.
To bi omogućilo prikupljanje potrebnih statistika i pomoću Bellovih nejednakosti, koje su matematički opis prisutnosti skrivenih parametara u kvantnoj mehanici, provjeriti Einsteinovo gledište. Glavna poteškoća ležala je u praktičnoj provedbi pokusa, koji su kasnije fizičari uspjeli reproducirati. Istraživači su pokazali da u kvantnoj mehanici najvjerojatnije nema skrivenih parametara. U međuvremenu su u teoriji postojale dvije rupe (mjesto i otkrivanje) koje su mogle dokazati da je Einstein u pravu. Općenito, ima više rupe. Eksperimenti iz 2015. zatvorili su ih i potvrdili da najvjerojatnije ne postoji lokalni realizam u mikrokosmosu.
"Spooky action" između Boba i Alice
Slika: JPL-Caltech / NASA
Govorimo o eksperimentima triju skupina fizičara: s Tehničkog sveučilišta Delft u Nizozemskoj, Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u SAD-u i Sveučilišta u Beču u Austriji. Eksperimenti znanstvenika ne samo da su potvrdili cjelovitost kvantne mehanike i odsutnost skrivenih parametara u njoj, već su otvorili i nove mogućnosti kvantne kriptografije - metode šifriranja informacija (zaštite) korištenjem kvantnog upletanja pomoću kvantnih protokola - i doveli do stvaranja neraskidivih algoritama za generiranje slučajni brojevi.
Promotivni video:
Kvantno zapletenost je fenomen u kojem se kvantna stanja čestica (na primjer, spin elektrona ili polarizacija fotona), odvojena udaljenosti jedan od drugog, ne mogu samostalno opisati. Postupak mjerenja stanja jedne čestice dovodi do promjene stanja druge čestice. U tipičnom eksperimentu kvantnog zapletanja, razmaknuti međusobno interaktivni agensi - Alice i Bob - svaki posjeduje po jednu česticu (fotone ili elektrone) od para isprepletenih. Mjerenje čestice od jednog od agensa, na primjer, Alice, korelira sa stanjem drugog, iako Alice i Bob ne znaju unaprijed međusobno manipulirati.
To znači da čestice nekako pohranjuju informacije jedna o drugu, a ne razmjenjuju ih, recimo, brzinom svjetlosti uz pomoć neke temeljne interakcije poznate znanosti. Albert Einstein nazvao je to „sablasnom akcijom na daljinu“. Upletene čestice krše princip lokaliteta prema kojem na stanje objekta može utjecati samo njegovo neposredno okruženje. Ova kontradikcija povezana je s paradoksom Einstein-Podolsky-Rosen (sugerirajući gore spomenutu nepotpunost kvantne mehanike i prisutnost skrivenih parametara) i predstavlja jednu od glavnih idejnih poteškoća (koja se, međutim, više ne smatra paradoksom) kvantne mehanike (barem u njezinoj kopenhagenskoj interpretaciji).
Shema eksperimenta nizozemskih znanstvenika
Foto: arXiv.org
Zagovornici lokalnog realizma tvrde da samo lokalne varijable mogu utjecati na čestice, a povezanost između čestica Alice i Boba provodi se pomoću neke skrivene metode za koju znanstvenici još uvijek ne znaju. Zadatak znanstvenika bio je eksperimentalno opovrgnuti tu mogućnost, posebice kako bi se spriječilo širenje skrivenog signala iz jednog agensa na drugoga (pod pretpostavkom da se on kreće brzinom svjetlosti u vakuumu - što je u prirodi najveće moguće), i tako pokazali da je došlo do promjene kvantnog stanja druge čestice prije nego što bi latentni signal iz prve čestice mogao stići do drugog.
U praksi to znači postavljanje Boba i Alice na znatnu udaljenost jedni od drugih (barem nekoliko desetaka metara). Time se sprječava širenje bilo kojeg signala o promjeni stanja jedne od čestica prije mjerenja stanja druge (lokacijska zamka). U međuvremenu, nesavršenost otkrivanja kvantnog stanja pojedinih čestica (posebno fotona) ostavlja prostor za uzorkovanje (ili otkrivanje) rupu. Fizičari su na Tehnološkom sveučilištu Delft prvi put uspjeli izbjeći dvije poteškoće odjednom.
U eksperimentu smo koristili par dijamantskih detektora sa separatorom signala između njih. Znanstvenici su uzeli par nepropletenih fotona i raštrkali ih u različite prostore. Zatim je svaki od elektrona bio upetljen s parom fotona, koji su zatim premješteni u treći prostor. Tijekom pokusa, bilo je moguće primijetiti da promjena stanja (spin) jednog elektrona utječe na drugi. U samo 220 sati (preko 18 dana) fizičari su testirali Bellovu nejednakost 245 puta. Promatrane količine elektrona izmjerene su pomoću laserskih zraka.
Eksperimentom je bilo moguće izmjeriti kvantna stanja čestica razdvojenih na udaljenosti od oko 1,3 kilometra i pokazati opravdanost Bellove nejednakosti (odnosno valjanosti kvantne teorije i pogrešnosti koncepta lokalnog realizma). Rezultati ove studije objavljeni su u časopisu Nature. Predviđa se da će njeni autori dobiti Nobelovu nagradu za fiziku.
Položaj detektora u nizozemskom eksperimentu
Foto: arXiv.org
Timovi iz Sjedinjenih Država i Austrije eksperimentirali su s fotonima. Znači, znanstvenici Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju uspjeli su oboriti rekord udaljenosti kvantne teleportacije (prijenos kvantnog stanja sustava na daljinu) preko vlakno-optičkog kabela izvodeći ga na udaljenosti od 102 kilometra. Da bi to učinili, znanstvenici su koristili četiri jednofonska detektora stvorena u istom institutu na temelju superprevodnih nanovodi (ohlađenih na minus 272 stupnja Celzija) izrađenih od silicijskog molibdena. Samo je jedan posto fotona putovalo udaljenost od 102 kilometra. Prethodni rekord udaljenosti kvantne teleportacije preko vlakana iznosio je 25 kilometara (za usporedbu: rekord udaljenost kvantne teleportacije preko zraka bio je 144 kilometra).
Austrijski znanstvenici koristili su učinkovitije senzore od američkih, ali vremenska razlučivost u eksperimentima fizičara iz SAD-a mnogo je veća. Za razliku od nizozemskih fizičara, čije su postavljanje zabilježile oko jedan događaj na sat, znanstvenici iz Sjedinjenih Država i Austrije bili su u mogućnosti provesti više od tisuću testova u sekundi, što praktično eliminira bilo kakvu povezanost u eksperimentalnim rezultatima.
Znanstvenici trenutno pokušavaju poboljšati učinkovitost eksperimenata - nose čestice na sve veće udaljenosti i povećavaju frekvenciju mjerenja. Nažalost, produženje optičkog kanala dovodi do gubitka u djeliću otkrivenih čestica i opet aktualizira opasnost od otkrivene rupe. Znanstvenici Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju pokušavaju se boriti protiv toga koristeći kvantni generator slučajnih brojeva u eksperimentima. U ovom slučaju, nema potrebe nositi fotone na velike udaljenosti, a stvorena tehnologija bit će korisna u kvantnoj kriptografiji.
Andrey Borisov