Kvantmehaanika ennustusi on mõnikord keeruline seostada klassikalise maailma ideedega. Ehkki klassikalise osakese asukohta ja hoogu saab mõõta üheaegselt, saate kvantjuhtumi korral teada vaid osakese ühes või teises olekus leidmise tõenäosust. Veelgi enam, kvantteooria väidab, et kahe süsteemi takerdumisel mõjutab ühe neist oleku mõõtmine koheselt teist. Aastal 2015 saavutasid kolm füüsikute rühma kvantangide ja teleportatsiooni olemuse mõistmisel märkimisväärset edu. Füüsika Tänapäev ja Lenta.ru räägivad teadlaste saavutustest.
Albert Einstein ei nõustunud kvantmehaanika tõenäosusliku tõlgendusega. Just sellega seoses ütles ta, et "Jumal ei mängi täringuid" (millele Taani füüsik Niels Bohr vastas hiljem, et Einstein ei pidanud otsustama, mida Jumalaga teha). Saksa teadlane ei aktsepteerinud mikromaailmale omast ebakindlust ja pidas klassikalist determinismi õigeks. Relatiivsusteooria üldteooria looja arvas, et mikromaailma kirjeldamisel ei võta kvantmehaanika arvesse mõnda varjatud muutujat, ilma milleta kvantteooria ise pole täielik. Teadlane soovitas kvant oleku mõõtmisel klassikalise seadmega otsida varjatud parameetreid: see protsess hõlmab muutust esimeses teisega ja Einstein pidas võimalikuks katsetada seal, kus sellist muutust pole.
Sellest ajast alates on teadlased püüdnud kindlaks teha, kas kvantmehaanikas on varjatud muutujaid või oli see Einsteini leiutis. Varjatud muutujate probleem vormistati 1964. aastal Briti teoreetilise füüsiku John Bell poolt. Ta pakkus välja idee eksperimendist, mille korral süsteemis mis tahes varjatud parameetri olemasolu saab teada spetsiaalsete katsete seeria statistilise analüüsi abil. Katse oli selline. Aatom paigutati välisväljale, eraldades samaaegselt footoneid, mis hajusid vastassuundades. Katsetajate ülesandeks on footonite keerdumise suuna mitmekordne mõõtmine.
See võimaldaks koguda vajalikku statistikat ja kasutades Belli ebavõrdsusi, mis on kvantmehaanikas peidetud parameetrite olemasolu matemaatiline kirjeldus, kontrollida Einsteini vaatenurka. Peamised raskused olid katse praktiline rakendamine, mida hiljem füüsikutel õnnestus paljundada. Teadlased on näidanud, et kvantmehaanikas pole kõige tõenäolisemalt varjatud parameetreid. Vahepeal oli teoorias kaks lünka (asukoht ja tuvastamine), mis võiksid tõestada, et Einsteinil oli õigus. Üldiselt on lünki rohkem. 2015. aasta katsed sulgesid nad ja kinnitasid, et mikrokosmos ei ole tõenäoliselt kohalikku realismi.
"Õudne tegevus" Bob ja Alice
Pilt: JPL-Caltech / NASA
Me räägime kolme füüsikute rühma katsetest: Hollandi Delfti tehnikaülikoolist, USA riiklikust standardite ja tehnoloogia instituudist ja Austrias Viini ülikoolist. Teadlaste katsed mitte ainult ei kinnitanud kvantmehaanika täielikkust ja selles varjatud parameetrite puudumist, vaid avasid ka kvantkrüptograafia uusi võimalusi - teabe krüpteerimise (kaitsmise) meetodit, kasutades kvantprotokollide abil kvant takerdumist - ning viisid veel purustamatute algoritmide loomiseni genereerimiseks juhuslikud numbrid.
Reklaamvideo:
Kvantide takerdumine on nähtus, milles osakeste kvantseisundeid (näiteks elektronide spinn või footoni polarisatsioon), mis on eraldatud üksteisest kaugusega, ei saa iseseisvalt kirjeldada. Ühe osakese oleku mõõtmise protseduur viib teise oleku muutumiseni. Tüüpilises kvant-takerdumiskatses omavad interakteeruvad ained - Alice ja Bob - üksteisest takerdunud osakestest ühte osakest (footonid või elektronid). Osakese mõõtmine ühe agendi poolt, näiteks Alice, korreleerub teise olekuga, ehkki Alice ja Bob ei tea teineteise manipulatsioonide kohta ette.
See tähendab, et osakesed salvestavad millegipärast üksteise kohta teavet ega vaheta seda näiteks valguse kiirusel, kasutades teadusele tuntud fundamentaalset interaktsiooni. Albert Einstein nimetas seda "õudseks tegutsemiseks eemalt". Takerdunud osakesed rikuvad lokaalsuse põhimõtet, mille kohaselt saab objekti seisundit mõjutada ainult selle vahetu keskkond. See vastuolu on seotud Einstein-Podolsky-Roseni paradoksiga (mis viitab kvantmehaanika eelmainitud ebatäpsusele ja varjatud parameetrite olemasolule) ning kujutab endast kvantmehaanika (vähemalt Kopenhaageni tõlgenduses) peamisi kontseptuaalseid raskusi (mida siiski enam ei peeta paradoksiks).).
Hollandi teadlaste eksperimendi skeem
Foto: arXiv.org
Kohaliku realismi pooldajad väidavad, et osakesi võivad mõjutada ainult kohalikud muutujad ja Alice'i ja Bobi osakeste vaheline korrelatsioon toimub mõne varjatud meetodi abil, mida teadlased veel ei tea. Teadlaste ülesanne oli see võimalus eksperimentaalselt ümber lükata, eriti selleks, et takistada varjatud signaali levimist ühelt agendilt teisele (eeldusel, et see liigub valguse kiirusel vaakumis - looduses maksimaalselt võimalik) ja näidata sellega, et teise osakese kvant olekus on toimunud muutus enne kui esimese osakese latentne signaal võiks jõuda teise.
Praktikas tähendab see Bob ja Alice paigutamist üksteisest arvestatavale kaugusele (vähemalt kümneid meetreid). See hoiab ära ühe osakese oleku muutumisest tuleneva signaali levimise enne teise osakese oleku mõõtmist (asukohapüünis). Samal ajal jätab üksikute osakeste (eriti footonite) kvantseisundi tuvastamise ebatäiuslikkus ruumi proovivõtmise (või tuvastamise) lünga jaoks. Esmakordselt suutsid Delfti tehnikaülikooli füüsikud vältida kahte raskust korraga.
Katses kasutasime rombidetektorite paari, mille vahel oli signaalieraldaja. Teadlased võtsid paar omavahel takerduvat footonit ja hajutasid need erinevatesse ruumidesse. Seejärel olid kõik elektronid seotud footonipaariga, mis seejärel viidi kolmandasse ruumi. Katsete käigus oli võimalik jälgida, et ühe elektroni oleku (spinni) muutus mõjutas teist. Vaid 220 tunni jooksul (üle 18 päeva) on füüsikud 245 korda testinud Belli ebavõrdsust. Vaadeldatud elektronide koguseid mõõdeti laserkiirte abil.
Eksperimendis oli võimalik mõõta umbes 1,3-kilomeetrise vahemaaga eraldatud osakeste kvantseisundeid ja näidata Belli ebavõrdsuse paikapidavust (see tähendab kvantteooria paikapidavust ja kohaliku realismi mõiste ekslikkust). Selle uuringu tulemused avaldatakse ajakirjas Nature. Selle autoritele ennustatakse füüsika Nobeli preemia saamist.
Detektorite asukoht Hollandi katses
Foto: arXiv.org
Ameerika Ühendriikide ja Austria meeskonnad on katsetanud footoneid. Nii suutsid riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi teadlased kiudoptilise kaabli abil purustada kvantteleportatsiooni (süsteemi kvantseisundi edastamine vahemaa tagant) vahemaa rekordi, viies selle läbi 102 kilomeetri kaugusel. Selleks kasutasid teadlased nelja ühefotoonilist detektorit, mis loodi samas instituudis ülijuhtivate nanojuhtmete (jahutatud miinus 272 kraadini Celsiuse kraadi järgi) alusel ränidioksiidist molübdeenist. Ainult üks protsent footonitest läbis 102 kilomeetri pikkuse vahemaa. Eelmine kiu kaudu kvantteleportatsiooni vahemaa rekord oli 25 kilomeetrit (võrdluseks: õhu kaudu kvantteleportatsiooni kauguse rekord oli 144 kilomeetrit).
Austria teadlased kasutasid Ameerika Ühendriikidest tõhusamaid andureid, kuid USA füüsikute katsetes on ajaline eraldusvõime palju suurem. Erinevalt Hollandi füüsikutest, kelle seadistused registreerisid umbes ühe sündmuse tunnis, suutsid Ameerika Ühendriikide ja Austria teadlased teha rohkem kui tuhat testi sekundis, mis praktiliselt välistab igasuguse juhusliku korrelatsiooni katsetulemuste vahel.
Teadlased püüavad praegu katsete tõhusust parandada - nad viivad osakesi üha suurematesse vahemaadesse ja suurendavad mõõtmise sagedust. Kahjuks põhjustab optilise kanali pikendamine tuvastatud osakeste osakaalu kadu ja aktiveerib taas avastamislünga ohtu. Riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi teadlased üritavad selle vastu võidelda, kasutades katsetes kvant-juhuslike arvude generaatorit. Sel juhul ei ole vaja footoneid pikkade vahemaade taha kanda, loodud tehnoloogia on kvantkrüptograafias kasulik.
Andrei Borisov
