Ne tako davno, fizičari su pokazali prve rezultate misije QUESS, a Mozijev satelit lansiran je u njegovom okviru u orbitu, osiguravajući rekordno odvajanje kvantnih zapletenih fotona na udaljenosti većoj od 1200 km. To bi u budućnosti moglo dovesti do stvaranja kvantne komunikacijske linije između Pekinga i Europe.
Svijet oko njega je velik i raznolik - toliko raznolik da se zakoni pojavljuju na nekim mjerilima, što je za druge potpuno nezamislivo. Zakoni politike i Beatlemanije ni na koji način ne proizlaze iz strukture atoma - njihov opis zahtijeva vlastite "formule" i vlastita načela. Teško je zamisliti da je jabuka - makroskopski objekt čije ponašanje obično slijedi zakone newtonske mehanike - uzela i nestala, spojila se s drugom jabukom, pretvarajući se u ananas. Pa ipak, upravo se takvi paradoksalni fenomeni manifestiraju na razini elementarnih čestica. Saznavši da je ova jabuka crvena, malo je vjerojatno da ćemo pozeleniti drugu, koja se nalazi negdje u orbiti. A ipak, upravo tako djeluje fenomen kvantnog zapletanja, a upravo su to pokazali kineski fizičari, s čijim smo radom započeli naš razgovor. Pokušajmo to shvatitišto je to i kako može pomoći čovječanstvu.
Bohr, Einstein i drugi
Svijet okolo je lokalni - drugim riječima, kako bi se neki udaljeni objekt promijenio, on mora komunicirati s drugim objektom. Štoviše, nijedna interakcija ne može se širiti brže od svjetlosti: to fizičku stvarnost čini lokalnom. Jabuka ne može udariti Newtona po glavi bez da ga fizički dosegne. Solarni bljesak ne može odmah utjecati na rad satelita: nabijene čestice morat će prijeći udaljenost do Zemlje i komunicirati s elektronikom i atmosferskim česticama. Ali u kvantnom svijetu lokalnost je narušena.
Najpoznatiji paradoks svijeta elementarnih čestica je Heisenbergov princip neizvjesnosti prema kojem je nemoguće precizno odrediti vrijednost obje "parne" karakteristike kvantnog sustava. Položaj u prostoru (koordinata) ili brzina i smjer kretanja (impuls), struja ili napon, veličina električne ili magnetske komponente polja - sve su to "komplementarni" parametri, a što preciznije mjerimo jedan od njih, manje će sigurno postati drugi.
Nekad je Einsteinovo nerazumijevanje i njegov čuveni skeptički prigovor uzrokovalo upravo princip neizvjesnosti: "Bog ne igra kockice." Međutim, čini se da se igra: svi poznati eksperimenti, neizravna i izravna opažanja i proračuni ukazuju na to da je načelo neizvjesnosti posljedica temeljne neodređenosti našeg svijeta. I opet dolazimo do raskoraka između ljestvice i razine stvarnosti: tamo gdje mi postojimo, sve je sasvim sigurno: ako otkinete prste i pustite jabuku, ona će pasti, privučena gravitacijom Zemlje. Ali na dubljoj razini jednostavno nema uzroka i posljedica, već postoji samo ples vjerojatnosti.
Promotivni video:
Paradoks kvantno zapletenog stanja čestica leži u činjenici da se "udarac u glavu" može dogoditi točno istodobno s odvajanjem jabuke od grane. Zapletenost nije lokalno, a promjena predmeta na jednom mjestu odmah - i bez ikakve očite interakcije - jedan drugi objekt potpuno mijenja u drugo. Teoretski, jednu od upletenih čestica možemo prenijeti barem na drugi kraj Svemira, ali svejedno čim dodirnemo njegovog partnera, koji je ostao na Zemlji, a druga čestica će reagirati odmah. Einsteinu nije bilo lako povjerovati u to, a njegova rasprava s Nielsom Bohrom i kolegama iz "tabora" kvantne mehanike postala je jedan od najfascinantnijih predmeta u modernoj povijesti znanosti. "Stvarnost je sigurna", kako bi rekli Einstein i njegovi pristaše, "samo su naši modeli, jednadžbe i alati nesavršeni." „Modeli mogu biti bilo što,ali stvarnost u osnovi našeg svijeta nikada nije u potpunosti određena ", prigovorili su pristaše kvantne mehanike.
Suprotno svojim paradoksima, Einstein je 1935. godine zajedno s Borisom Podolskim i Nathanom Rosenom formulirao svoj paradoks. "Dobro", zaključili su, "recimo da je nemoguće istodobno pronaći koordinat i moment čestice. Ali što ako imamo dvije čestice zajedničkog podrijetla, čija su stanja identična? Tada možemo izmjeriti zamah jednog, koji će nam posredno dati podatke o zamahu drugog, i koordinatu drugog, koji će dati znanje o koordinati prvog. " Takve su čestice bile čisto spekulativna konstrukcija, misaoni eksperiment - možda je zato Niels Bohr (ili bolje rečeno, njegovi sljedbenici) uspio pronaći pristojan odgovor tek 30 godina kasnije.
Možda je prvi spektar kvantnih mehaničkih paradoksa primijetio Heinrich Hertz, koji je primijetio da ako su elektrode svjećica osvijetljene ultraljubičastom svjetlošću, prolazak iskre bio je osjetno lakši. Pokusi Stoletova, Thomsona i drugih velikih fizičara omogućili su razumijevanje da se to događa zbog činjenice da, pod utjecajem zračenja, materija emitira elektrone. Međutim, to je potpuno drugačije od onoga što logika sugerira; na primjer, energija oslobođenih elektrona neće biti veća ako povećamo intenzitet zračenja, već će se povećati ako smanjimo njegovu frekvenciju. Povećavajući tu frekvenciju, dolazimo do granice, izvan koje tvar ne pokazuje nikakav fotoefekt - ova razina je različita za različite tvari.
Einstein je uspio objasniti te pojave, za što je dobio Nobelovu nagradu. Povezani su s kvantizacijom energije - s činjenicom da se ona može prenijeti samo određenim „mikro-dijelovima“, kvantama. Svaki foton zračenja nosi određenu energiju, a ako mu je dovoljno, onda će elektron atoma koji ga je apsorbirao poletjeti na slobodu. Energija fotona obrnuto je proporcionalna valnoj duljini, a kad se dosegne granica fotoelektričnog učinka, više nije dovoljno da elektron dodijeli minimalnu energiju potrebnu za oslobađanje. Danas se ovaj fenomen susreće svugdje - u obliku solarnih panela, čije fotoćelije djeluju upravo na temelju tog učinka.
Eksperimenti, interpretacije, misticizam
Sredinom 1960-ih, John Bell se zainteresirao za problem neklonosti u kvantnoj mehanici. Bio je u mogućnosti ponuditi matematičku osnovu za potpuno izvediv eksperiment, koji bi trebao završiti jednim od alternativnih rezultata. Prvi rezultat "djelovao je" ako se načelo lokaliteta zaista krši, drugi - ako, na kraju krajeva, uvijek djeluje i moramo potražiti neku drugu teoriju koja bi opisala svijet čestica. Već početkom 1970-ih, takve su eksperimente izveli Stuart Friedman i John Clauser, a potom Alain Aspan. Jednostavnije rečeno, zadatak je bio stvoriti parove upletenih fotona i izmjeriti njihove vrtnje, jedan po jedan. Statistička promatranja pokazala su da vrtnje nisu besplatne, već su međusobno povezane. Takvi eksperimenti se od tada izvode gotovo neprekidno,sve precizniji i savršeniji - a rezultat je isti.
Treba dodati da je mehanizam koji objašnjava kvantno zapletenost još uvijek nejasan, postoji samo fenomen - a različita tumačenja daju svoja objašnjenja. Dakle, u interpretaciji kvantne mehanike u mnogim svjetovima, zapletene čestice samo su projekcije mogućih stanja jedne čestice u drugim paralelnim univerzumima. U transakcijskoj interpretaciji te su čestice povezane stajaćim valovima vremena. Za „kvantne mistike“pojava zapletenosti još je jedan razlog da paradoksalnu osnovu svijeta smatraju kao način da objasne sve nerazumljivo, od samih elementarnih čestica do ljudske svijesti. Mističari mogu razumjeti: ako razmislite, posljedice su vrtoglavice.
Jednostavan eksperiment Clauser-Friedmana ukazuje da se lokalnost fizičkog svijeta na skali elementarnih čestica može narušiti, a sama osnova stvarnosti ispada - na užas Einsteina - nejasna i neodređena. To ne znači da se interakcija ili informacija mogu prenijeti odmah, na štetu zamršenosti. Odvajanje zapletenih čestica u prostoru odvija se normalnom brzinom, rezultati mjerenja su nasumični, a dok ne izmjerimo jednu česticu, druga neće sadržavati nikakve podatke o budućem rezultatu. S gledišta primatelja druge čestice, rezultat je potpuno slučajan. Zašto nas sve to zanima?
Kako zapletiti čestice: Uzmite kristal s nelinearnim optičkim svojstvima - tj. Onaj čija interakcija svjetlosti ovisi o intenzitetu ove svjetlosti. Na primjer, litijev triborat, barijev beta borat, kalijev niobat. Zračite ga laserom odgovarajuće valne duljine i visokoenergetskih fotona laserskog zračenja ponekad će se raspasti u parove upletenih fotona niže energije (taj se fenomen naziva "spontano parametrično rasipanje") i polarizirati u okomitim ravninama. Ostalo je samo da zadrže zapletene čestice netaknute i raširite ih koliko je moguće.
Čini se da smo ispustili jabuku dok smo razgovarali o načelu neizvjesnosti? Podignite ga i bacite ga na zid - naravno, slomit će se, jer u makrokozmosu još jedan kvantni mehanički paradoks - tuneliranje - ne djeluje. Za vrijeme tuneliranja, čestica je u stanju prevladati energetsku barijeru veću od vlastite energije. Analogija s jabukom i zidom je, naravno, vrlo približna, ali jasna: efekt tuneliranja omogućava da fotoni prodru u reflektirajući medij, a elektroni da "ignoriraju" tanki film aluminij-oksida koji prekriva žice i zapravo je dielektrik.
Naša svakodnevna logika i zakoni klasične fizike nisu baš primjenjivi na kvantne paradokse, ali oni i dalje djeluju i naširoko se koriste u tehnologiji. Čini se da su se fizičari (privremeno) odlučili: čak i ako još uvijek ne znamo u potpunosti kako to funkcionira, koristi mogu biti izvučene iz ovoga već danas. Učinak tunele temelji se na radu nekih modernih mikročipova - u obliku tunelirajuće diode i tranzistora, tunelskih čvorova itd. I, naravno, ne smijemo zaboraviti na skeniranje tunelskih mikroskopa, u kojima tuneliranje čestica omogućuje promatranje pojedinih molekula i atoma - pa čak i manipulaciju od njih.
Komunikacija, teleportacija i satelit
Doista, zamislimo da imamo "kvantno upletene" dvije jabuke: ako se prva jabuka pokaže crvenom, druga je nužno zelena, i obrnuto. Jednog možemo poslati iz Petersburga u Moskvu, čuvajući njihovo zbunjeno stanje, ali čini se da bi to bilo sve. Tek kad se u Sankt Peterburgu jabuka odmori kao crvena, druga će u Moskvi postati zelena. Do trenutka mjerenja ne postoji mogućnost predviđanja stanja jabuke, jer (svi isti paradoksi!) Oni nemaju najkonkretnije stanje. U čemu se koristi ovom zapetljavanju?.. A smisao je pronađen već u 2000-ima, kada su se Andrew Jordan i Alexander Korotkov, oslanjajući se na ideje sovjetskih fizičara, pronašli način da, kao do sad, mjere "ne do kraja", i stoga fiksiraju stanja čestica.
Pomoću "slabih kvantnih mjerenja" možete pogledati jabuku s pola oka, uhvatiti pogled, pokušavajući pogoditi njezinu boju. To možete učiniti iznova i iznova, a da zapravo ne pogledate jabuku pravilno, ali sasvim samouvjereno odlučite da je, na primjer, crvena, što znači da će jabuka u Moskvi koja je zbunjena s njom biti zelena. To omogućava da se zapletene čestice koriste iznova i iznova, a metode predložene prije otprilike 10 godina omogućuju im pohranjivanje trčanje u krug neograničeno dugo. Ostaje nam odnijeti jednu od čestica - i dobiti izuzetno koristan sustav.
Iskreno govoreći, čini se da su prednosti zapletenih čestica mnogo više nego što se obično misli, samo naša mala maštarija, ograničena istim makroskopskim rasponom stvarnosti, ne dopušta nam da smislimo stvarne aplikacije za njih. Međutim, već postojeći prijedlozi prilično su fantastični. Dakle, na temelju isprepletenih čestica moguće je organizirati kanal za kvantnu teleportaciju, cjelovito „čitanje“kvantnog stanja jednog objekta i „snimanje“u drugi, kao da su prvi jednostavno preneseni na odgovarajuću udaljenost. Izgledi kvantne kriptografije su realniji, čiji algoritmi obećavaju gotovo "neraskidive" komunikacijske kanale: svako uplitanje u njihov rad utjecat će na stanje upletenih čestica i vlasnik će ih odmah primijetiti. Tu je u igri kineski eksperiment QESS (Kvantni eksperimenti u svemirskoj skali).
Računala i sateliti
Problem je u tome što je na Zemlji teško stvoriti pouzdanu vezu za upletene čestice koje su daleko jedna od druge. Čak i u najnaprednijem optičkom vlaknu kroz koje se prenose fotoni signal postupno bledi, a zahtjevi za njim ovdje su posebno visoki. Kineski znanstvenici čak su izračunali da ako stvorite zapletene fotone i pošaljete ih u dva smjera s ramenima dužine oko 600 km - pola udaljenosti od središta kvantne znanosti u Dalingheu do centara u Shenzhenu i Lijiangu - onda možete očekivati da ćete upleteni par uhvatiti za otprilike 30 tisuću godina. Prostor je druga stvar, u dubokom vakuumu fotona koji preleti takvu udaljenost ne susrećući se s bilo kakvim preprekama. A onda na scenu stupa eksperimentalni satelit Mozi ("Mo-Tzu").
Na svemirskoj letjelici bio je instaliran izvor (laser i nelinearni kristal), koji je svake sekunde proizveo nekoliko milijuna pari zapletenih fotona. S udaljenosti od 500 do 1700 km, neki od ovih fotona poslani su u zemaljski opservatorij u Dalingheu u Tibetu, a drugi u Shenzhen i Lijiang na jugu Kine. Kao što se moglo očekivati, glavni gubitak čestica dogodio se u donjim slojevima atmosfere, ali to je samo oko 10 km putanje svake fotonske zrake. Kao rezultat toga, kanal zapletenih čestica prešao je udaljenost od Tibeta do juga zemlje - oko 1200 km, a u studenom ove godine otvorena je nova linija koja povezuje provinciju Anhui na istoku s središnjom provincijom Hubei. Za sada kanalu nedostaje pouzdanost, ali to je već stvar tehnologije.
U skoroj budućnosti Kinezi planiraju lansirati naprednije satelite za organiziranje takvih kanala i obećavaju da ćemo uskoro vidjeti funkcionalnu kvantnu vezu između Pekinga i Bruxellesa, zapravo s jednog kraja kontinenta na drugi. Još jedan "nemogući" paradoks kvantne mehanike obećava još jedan skok u tehnologiji.
Sergej Vasiliev