Mitte nii kaua aega tagasi näitasid füüsikud QUESS-missiooni ja selle raames orbiidile orbiidile saadetud Mozi satelliidi esimesi tulemusi, pakkudes enam kui 1200 km kaugusel kvantidega takerdunud footonite rekordilist eraldust. Tulevikus võib see viia kvantkommunikatsiooniliini loomisele Pekingi ja Euroopa vahel.
Ümber olev maailm on suur ja mitmekesine - nii mitmekesine, et mõnel skaalal ilmuvad seadused, mis on teistele täiesti mõeldamatud. Poliitilised ja Beatlemania seadused ei tulene mingil moel aatomi struktuurist - nende kirjeldamiseks on vaja oma "valemeid" ja oma põhimõtteid. On raske ette kujutada, et õun - makroskoopiline objekt, mille käitumine järgib tavaliselt Newtoni mehaanika seadusi - võttis ja kadus, sulandus teise õunaga, muutudes ananassiks. Ja ometi avalduvad just sellised paradoksaalsed nähtused elementaarosakeste tasemel. Saanud teada, et see õun on punane, on ebatõenäoline, et muudame veel ühe roheliseks, mis asub kuskil orbiidil. Vahepeal toimib täpselt kvantitegunemise fenomen ja seda on täpselt näidanud Hiina füüsikud, kelle tööga me vestlust alustasime. Proovime selle välja mõeldamis see on ja kuidas see saab inimkonda aidata.
Bohr, Einstein ja teised
Ümber olev maailm on lokaalne - teisisõnu, selleks, et mõni kauge objekt saaks muutuda, peab see suhtlema teise objektiga. Pealegi ei saa ükski interaktsioon levida kiiremini kui valgus: see muudab füüsilise reaalsuse lokaalseks. Õun ei saa Newtonit pähe lüüa, ilma et see talle füüsiliselt ulatuks. Päikese põletamine ei saa satelliitide tööd koheselt mõjutada: laetud osakesed peavad katma Maa kauguse ja suhelda elektroonika ja atmosfääriosakestega. Kuid kvantmaailmas on lokaalsus rikutud.
Elementaarsete osakeste maailma paradoksidest kõige kuulsam on Heisenbergi määramatuse printsiip, mille kohaselt pole kvantisüsteemi mõlema "paarilise" tunnuse väärtust võimalik täpselt kindlaks määrata. Asend ruumis (koordinaat) või liikumise kiirus ja suund (impulss), vool või pinge, välja elektrilise või magnetilise komponendi suurus - kõik need on "üksteist täiendavad" parameetrid ja mida täpsemini ühte neist mõõdame, seda vähem kindlaksmääratud teisest saab.
Kunagi põhjustas Einsteini vääritimõistmise ebakindluse põhimõte ja tema kuulus skeptiline vastuväide: "Jumal ei mängi täringuid". Siiski näib, et see mängib: kõik teadaolevad katsed, kaudsed ja otsesed vaatlused ja arvutused näitavad, et määramatuse põhimõte on meie maailma fundamentaalse määramatuse tagajärg. Ja jälle jõuame lahknevusele reaalsuse skaalade ja tasemete vahel: seal, kus me eksisteerime, on kõik üsna kindel: kui te sõrmed lahti keerate ja õuna lahti annate, kukub see Maa raskuse meelitatud. Kuid sügavamal tasandil pole lihtsalt põhjuseid ja tagajärgi, vaid on ainult tõenäosuste tants.
Reklaamvideo:
Osakestega kvantunud takerdunud oleku paradoks seisneb selles, et "pähe puhumine" võib toimuda täpselt samaaegselt õuna eraldumisega harust. Seotud ei ole lokaalne ning objekti muutmine ühes kohas koheselt - ilma igasuguse ilmse interaktsioonita - muudab teise objekti täielikult teises. Teoreetiliselt võime ühe takerdunud osakese kanda vähemalt Universumi teise otsa, kuid niikuinii, kui me "puudutame" tema partnerit, kes jäi Maa peale, ja teine osake reageerib koheselt. Einsteinil polnud seda lihtne uskuda ning tema argument Niels Bohri ja kolleegidega kvantmehaanika "laagrist" sai üheks põnevamaks õppeaineks tänapäevases teadusajaloos. "Tegelikkus on kindel," nagu ütleksid Einstein ja tema toetajad, "ebatäiuslikud on ainult meie mudelid, võrrandid ja tööriistad." „Mudelid võivad olla ükskõik,kuid meie maailma aluses olev reaalsus ise pole kunagi lõplikult kindlaks tehtud,”olid kvantmehaanika järgijad vastu.
Vastu oma paradoksidele sõnastas Einstein 1935. aastal koos Boris Podolsky ja Nathan Roseniga oma paradoksi. "Olgu," põhjendasid nad, "ütleme nii, et osakese koordinaati ja impulssi on võimatu korraga teada saada. Aga mis siis, kui meil on kaks ühist päritolu osakesi, mille olekud on identsed? Siis saame mõõta ühe impulssi, mis annab meile kaudselt teavet teise impulsi kohta, ja teise koordinaati, mis annab teadmised esimese koordinaadist. " Sellised osakesed olid puhtalt spekulatiivne konstruktsioon, mõtteeksperiment - võib-olla just seetõttu õnnestus Niels Bohril (või õigemini tema järgijatel) leida korralik vastus alles 30 aastat hiljem.
Võib-olla vaatas esimest kvantmehaaniliste paradokside spektrit Heinrich Hertz, kes märkas, et kui sädemevahe elektroode valgustatakse ultraviolettvalgusega, on säde läbimine märgatavalt lihtsam. Stoletovi, Thomsoni ja teiste suurte füüsikute eksperimendid võimaldasid mõista, et see juhtub tänu sellele, et kiirguse mõjul kiirgab mateeria elektrone. See on aga täiesti erinev sellest, mida loogika soovitab; näiteks vabastatud elektronide energia ei ole suurem, kui suurendame kiirgusintensiivsust, kuid see suureneb, kui vähendame selle sagedust. Seda sagedust suurendades jõuame piirini, mille ületamisel ainel puudub fotoefekt - see tase on eri ainete puhul erinev.
Einstein suutis neid nähtusi selgitada, mille eest talle määrati Nobeli preemia. Need on seotud energia kvantimisega - tõsiasjaga, et seda saab edastada ainult teatud "mikrolõikude", kvantide abil. Iga kiirguse footon kannab teatud energiat ja kui sellest piisab, siis lendab selle neeldunud aatomi elektron välja vabadusse. Footonite energia on pöördvõrdeline lainepikkusega ja fotoelektrilise efekti piiri saavutamisel ei piisa enam isegi elektronile eraldamiseks eraldamiseks vajalikust minimaalsest energiast. Tänapäeval kohtab seda nähtust kõikjal - päikesepaneelide kujul, mille fotoelemendid töötavad täpselt selle efekti alusel.
Eksperimendid, tõlgendused, müstika
1960. aastate keskel hakkas John Bell tundma kvantmehaanika mittelokaalsuse probleemi. Ta suutis pakkuda matemaatilist alust täiesti teostatavaks eksperimendiks, mis peaks lõppema ühe alternatiivse tulemusega. Esimene tulemus "töötas", kui lokaliteedi põhimõtet tõesti rikutakse, teine - kui see alati töötab ja peame osakeste maailma kirjeldamiseks otsima mõnda muud teooriat. Juba 1970. aastate alguses tegid selliseid katseid Stuart Friedman ja John Clauser ning seejärel Alain Aspan. Lihtsamalt öeldes oli ülesanne luua takerdunud footonite paarid ja mõõta nende keerutusi ükshaaval. Statistilised vaatlused on näidanud, et keerutused pole vabad, vaid korreleeruvad üksteisega. Pärast seda on selliseid katseid tehtud peaaegu pidevalt,täpsem ja täiuslikum - ja tulemus on sama.
Olgu lisatud, et kvantte takerdumist selgitav mehhanism on endiselt ebaselge, on vaid nähtus - ja erinevad tõlgendused annavad oma seletused. Seega on kvantmehaanika paljusid maailmu käsitlevas tõlgenduses takerdunud osakesed vaid üksiku osakese võimalike olekute projektsioonid teistes paralleelsetes universumites. Tehingulises tõlgenduses seostatakse neid osakesi seisvate ajalainetega. "Kvantmüstikute" jaoks on takerdumise nähtus veel üks põhjus, miks pidada maailma paradoksaalset alust viisiks selgitada kõike arusaamatut, alates elementaarsetest osakestest kuni inimese teadvuseni. Müstikud saavad aru: kui järele mõelda, on tagajärjed uimased.
Clauser-Friedmani lihtne eksperiment osutab sellele, et füüsikalise maailma paiknemist elementaarosakeste skaalal saab rikkuda ning tegelikkuse alus selgub - Einsteini õuduseks - ebamäärane ja määramatu. See ei tähenda, et interaktsiooni või teavet saab viivitamatult, takerdumise arvelt, edastada. Ruumis takerdunud osakeste eraldamine toimub normaalse kiirusega, mõõtmistulemused on juhuslikud ja kuni ühe osakese mõõtmiseks ei sisalda teine tulevase tulemuse kohta mingit teavet. Teise osakese vastuvõtja seisukohast on tulemus täiesti juhuslik. Miks see kõik meid huvitab?
Kuidas osakesi takerduda: võtke mittelineaarsete optiliste omadustega kristall - see on üks, mille valguse koostoime sõltub selle valguse intensiivsusest. Näiteks liitiumtriboraat, baarium beetaboraat, kaaliumniobaat. Kiirita seda sobiva lainepikkusega laseriga ja laserkiirguse kõrge energiaga footonid lagunevad mõnikord madalama energiaga takerdunud footoniteks (seda nähtust nimetatakse "spontaanseks parameetriliseks hajumiseks") ja polariseeruvad risti asetsevatel tasapindadel. Jääb vaid kinni hoida takerdunud osakesi puutumatuna ja levitada neid võimalikult kaugele.
Näib, et lasime õuna maha, rääkides ebakindluse põhimõttest? Tõstke see üles ja visake vastu seina - see muidugi puruneb, sest makrokosmos teine kvantmehaaniline paradoks - tunneldamine - ei toimi. Tunneldamise ajal on osake võimeline ületama tema enda energiast kõrgema energiabarjääri. Analoogia õuna ja seinaga on muidugi väga ligikaudne, kuid illustreeriv: tunneliefekt võimaldab footonitel tungida peegeldavasse keskkonda ja elektronid "eiravad" õhukest alumiiniumoksiidi kilet, mis katab juhtmeid ja on tegelikult dielektrik.
Meie igapäevane loogika ja klassikalise füüsika seadused ei ole kvantparadokside suhtes väga rakendatavad, kuid need siiski töötavad ja on tehnoloogias laialdaselt kasutatavad. Näib, et füüsikud on (ajutiselt) otsustanud: isegi kui me ei tea veel täielikult, kuidas see töötab, saab sellest kasu juba täna. Tunneliefekt on mõne kaasaegse mikrokiibi tööpõhimõte - tunnelidioodide ja transistoride, tunneli ristmike jne kujul. Ja muidugi ei tohi unustada tunnelimikroskoopide skaneerimist, kus osakeste tunneldamine võimaldab jälgida üksikuid molekule ja aatomeid - ja isegi manipuleerimist. nende poolt.
Side, teleportimine ja satelliit
Tõepoolest, kujutame ette, et meil on kaks õuna “kvant takerdunud”: kui esimene õun osutub punaseks, siis teine on tingimata roheline ja vastupidi. Me võime saata ühe Peterburist Moskvasse, hoides nende segaduses olekut, kuid see näib olevat kõik. Alles siis, kui Peterburis mõõdetakse õun punasena, muutub teine Moskvas roheliseks. Kuni mõõtmise hetkeni pole õuna olekut võimalik ennustada, sest (kõik samad paradoksid!) Neil pole kõige kindlamat olekut. Mis kasu on sellest takerdumisest?.. Ja tähendus leiti juba 2000. aastatel, kui Andrew Jordan ja Aleksander Korotkov, tuginedes nõukogude füüsikute ideedele, leidsid viisi, kuidas mõõta, nagu see oleks, "mitte lõpuni" ja seepärast osakeste olekuid fikseerida.
"Nõrkade kvantmõõtmiste" abil saate justkui poole silmaga õuna vaadata, pilguheit püüdes proovida ära arvata selle värvi. Saate seda teha ikka ja jälle, ilma et õuna õigesti vaadata, kuid otsustage üsna enesekindlalt, et see on näiteks punane, mis tähendab, et Moskvas õun, mis on segamini ajatud, on roheline. See võimaldab takerdunud osakesi ikka ja jälle kasutada ning umbes kümme aastat tagasi välja pakutud meetodid võimaldavad neid säilitada määramata pika aja ringis ringi liikudes. Jääb vaid üks osakesed ära viia - ja saada äärmiselt kasulik süsteem.
Ausalt öeldes näib, et takerdunud osakeste eeliseid on palju rohkem, kui tavaliselt arvatakse, lihtsalt meie napp kujutlusvõime, mida piirab sama makroskoopiline reaalsuse skaala, ei võimalda meil nende jaoks reaalseid rakendusi välja pakkuda. Juba olemasolevad ettepanekud on aga üsna fantastilised. Nii on takerdunud osakeste alusel võimalik korraldada kanal kvantteleporteerimiseks, ühe objekti kvant oleku täielikuks „lugemiseks“ja „salvestamiseks“teise sisestamiseks, justkui esimesed lihtsalt kanduks sobivasse kaugusesse. Kvantkrüptograafia väljavaated on realistlikumad, mille algoritmid lubavad peaaegu "purunematuid" sidekanaleid: igasugune sekkumine nende töösse mõjutab takerdunud osakeste olekut ja omanik märkab seda kohe. Siin tuleb mängu Hiina eksperiment QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Arvutid ja satelliidid
Probleem on selles, et Maal on keeruline luua usaldusväärset ühendust takerdunud osakeste vahel, mis asuvad kaugel üksteisest. Isegi kõige arenenumas optilistes kiududes, mille kaudu footoneid edastatakse, tuhmub signaal järk-järgult ja sellele esitatavad nõuded on siin eriti kõrged. Hiina teadlased on isegi arvutanud, et kui loote takerdunud footonid ja saadate need kahes suunas õlgadega umbes 600 km tuhat aastat. Kosmos on teine asi, mille sügavas vaakumis lendlevad footonid sellist kaugust takistamata. Ja siis siseneb sündmuskohale katseline satelliit Mozi ("Mo-Tzu").
Kosmoselaevale paigaldati allikas (laser- ja mittelineaarne kristall), mis tekitas igal sekundil mitu miljonit paari takerdunud footoneid. 500–1700 km kaugusel saadeti osa neist footonitest maapealsesse vaatluskeskusesse Dalinghesse Tiibetisse ning teine Shenzheni ja Lijiangi Lõuna-Hiinas. Nagu arvata võis, toimus osakeste põhiline kadu atmosfääri madalamates kihtides, kuid see on vaid umbes 10 km iga footonikiire teest. Selle tulemusel hõlmas takerdunud osakeste kanal maa Tiibetist lõuna pool - umbes 1200 km - ja selle aasta novembris avati uus liin, mis ühendab idas Anhui provintsi Hubei keskprovintsiga. Siiani puudub kanalil usaldusväärsus, kuid see on juba tehnoloogia küsimus.
Lähitulevikus plaanivad hiinlased selliste kanalite korraldamiseks välja tuua keerukamaid satelliite ja lubavad, et varsti näeme toimivat kvantühendust Pekingi ja Brüsseli vahel, tegelikult mandri ühest otsast teise. Veel üks kvantmehaanika "võimatu" paradoks lubab järjekordset tehnoloogiahüpet.
Sergei Vassiljev
