XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

В настоящее время квантовая физика достигла небывалых высот. Открыто множество различных явлений. Но что мы знаем на самом деле? Ответ представлен известным физиком современности. "В квантовую физику можно либо верить, либо ее не понимать", - таково определение Ричарда Фейнмана. Достаточно будет упомянуть такое явление, как квантовая запутанность частиц. Это явление ввергло научный мир в положение полного недоумения. Ещё большим шоком стало то, что возникший парадокс как кажется несовместим с законами Ньютона и Эйнштейна.

Впервые эффект квантовой запутанности фотонов обсуждался в 1927 году на пятом Солвеевском Конгрессе. Тогда между Нильсом Бором и Эйнштейном возник жаркий спор. Парадокс квантовой спутанности запутал физиков и полностью изменил понимание сути материального мира. Известно, что все тела состоят из элементарных частиц. Соответственно, все явления квантовой механики отражаются в обычном мире. Нильс Бор говорил, что если мы не смотрим на Луну, то её не существует. Эйнштейн считал это неразумным и полагал, что объект существует независимо от наблюдателя. При изучении проблем квантовой механики следует понимать, что её механизмы и законы взаимосвязаны между собой и не подчиняются классической физике. Попробуем разобраться в самой противоречивой области – квантовой запутанности частиц.Для начала стоит понимать, что квантовая физика подобна бездонному колодцу, в котором можно обнаружить все, что угодно. Явление квантовой запутанности в начале прошлого века изучалось Эйнштейном, Бором, Максвеллом, Бойлем, Беллом, Планком и многими другими физиками. На протяжении двадцатого века по всему миру активно изучали это и экспериментировали тысячи учёных.

Взаимосвязь квантовых состояний

Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина одной частицы спин оказывается положительным, то спин второй всегда оказывается отрицательным, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Измерение параметра одной частицы приводит к мгновенному (выше скорости света) прекращению запутанного состояния другой, что находится в логическом противоречии с принципом локальности (при этом теория относительности не нарушается и информация не передаётся).

Эйнштейн не мог смириться с неопределенностью Вселенной, вытекающей из квантовой механики. Эйнштейн считал, что объект существует не только когда за ним наблюдают (как утверждал Нильс Бор), но и все остальное время. Эйнштейн писал: «Мне хочется верить, что Луна светит даже когда я на нее не смотрю.» Сама мысль о том, что реальность Вселенной определяется когда мы открываем и закрываем глаза казалась ему немыслимой. По мнению Эйнштейна квантовой теории не хватало чего-то, что описало бы все свойства частиц, в том числе их местонахождение даже в тот момент, когда за ними не наблюдают. И в 1935 году Эйнштейну показалось, что он нашел слабое место квантовой механики. Это было невероятно странное явление, противоречащее всем логическим представлениям о Вселенной

Рис. 1 - История изучения [4]

На Пятом Сольвеевском конгрессе 1927 года одним из центров дискуссии стал спор Бора и Эйнштейна о принципах Копенгагенской интерпретации квантовой механики, которая, впрочем, ещё не имела этого названия, закрепившегося только в 50-е годы XX века. Эйнштейн настаивал на сохранении в квантовой физике принципов детерминизма классической физики и на трактовке результатов измерения с точки зрения «несвязанного наблюдателя». С другой стороны, Бор настаивал на принципиально недетерминированном (статистическом) характере квантовых явлений и на неустранимости эффекта влияния измерения на само состояние. Как квинтэссенция этих споров часто приводится диалог Эйнштейна с Бором: «— Бог не играет в кости. — Альберт, не указывай Богу, что ему делать.», а также саркастический вопрос Эйнштейна: «Вы действительно считаете, что Луна существует, только когда вы на неё смотрите?»

В продолжение начавшихся споров в 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали ЭПР-парадокс, названный по их именам, который должен был показать неполноту предлагаемой модели квантовой механики. Их статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» была опубликована в одном из самых известных научных журналов «Physical Review».

В ЭПР-парадоксе мысленно нарушался принцип неопределённости Гейзенберга: при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение, можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось. Анализируя в том же году подобные теоретически взаимозависимые системы, Шрёдингер назвал их «спутанными». Следует отметить, что сам Шрёдингер считал частицы запутанными, только пока они физически взаимодействовали друг с другом. При удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезала. То есть значение термина у Шрёдингера отличается от того, которое подразумевается в настоящее время.

Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну Эйнштейн назвал подобную связь между запутанными частицами «жутким дальнодействием» Уже в следующем номере «Physical Review» Бор опубликовал свой ответ в статье с таким же заголовком, как и у авторов парадокса. Сторонники Бора посчитали его ответ удовлетворительным, а сам ЭПР-парадокс — вызванным неправильным пониманием сути «наблюдателя» в квантовой физике Эйнштейном и его сторонниками. В целом большинство физиков просто устранилось от философских сложностей Копенгагенской интерпретации. Уравнение Шрёдингера работало, предсказания совпадали с результатами, и в рамках позитивизма этого было достаточно. Гриббин пишет по этому поводу: «чтобы добраться из точки А в точку Б, водителю необязательно знать, что происходит под капотом его машины». Эпиграфом же к своей книге Гриббин поставил слова Фейнмана:

Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя «Да как же это возможно?» — так как вас занесёт в тупик, из которого ещё никто не выбирался.

Современный этап изучения

Современные версии описанного выше эксперимента создают сегменты такой длины, чтобы регистрация фотонов происходила в заведомо не связанных известными взаимодействиями областях пространства-времени. В 2007 году исследователям из Мичиганского университета удалось разнести запутанные фотоны на рекордное в тот момент расстояние в 1 м.

В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Помимо прочего, это позволило произвести временны́е измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме. При меньшей скорости временные задержки были бы замечены.

Летом того же года другой группе исследователей из австрийского Института квантовой оптики и квантовой информации (англ.)русск., включая Цайлингера, удалось поставить ещё более масштабный эксперимент, разнеся потоки запутанных фотонов на 144 километра, между лабораториями на островах Пальма и Тенерифе. Обработка и анализ столь масштабного эксперимента продолжаются, последняя версия отчёта была опубликована в 2010 году. В данном эксперименте удалось исключить возможное влияние недостаточного расстояния между объектами в момент измерения и недостаточной свободы выбора настроек измерения. В результате были ещё раз подтверждены квантовая запутанность и, соответственно, нелокальная природа реальности. Правда, осталось третье возможное влияние — недостаточно полной выборки. Эксперимент, в котором все три потенциальных влияния будут исключены одновременно, на сентябрь 2011 года является вопросом будущего.

В большинстве экспериментов с запутанными частицами используются фотоны. Это объясняется относительной простотой получения запутанных фотонов и их передачи в детекторы, а также бинарной природой измеряемого состояния (положительная или отрицательная спиральность). Однако явление квантовой запутанности существует и для других частиц и их состояний. В 2010 году международный коллектив учёных из Франции, Германии и Испании получил и исследовал запутанные квантовые состояния электронов, то есть частиц с массой, в твёрдом сверхпроводнике из углеродных нанотрубок. В 2011 году исследователям из Института квантовой оптики общества Макса Планка удалось создать состояние квантовой запутанности между отдельным атомом рубидия и конденсатом Бозе-Эйнштейна, разнесёнными на расстояние 30 м.

В 2017 г. удалось экспериментально зафиксировать связанные состояния из трёх фотонов внутри облака атомов рубидия, возникающие под действием лазерных импульсов.

Где может быть использована квантовая спутанность?

Принцип квантовой запутанности может быть использован для передачи информации на большие расстояния мгновенно. Подобный вывод противоречит теории относительности Эйнштейна. Она гласит, что максимальная скорость перемещения присуща только свету – триста тысяч километров в секунду. Подобная передача информации даёт возможность существования физической телепортации. Все в мире - информация, в том числе и материя. К такому выводу пришли квантовые физики. В 2008 году на основании теоретической базы данных удалось увидеть квантовую спутанность невооружённым глазом. Это в очередной раз говорит о том, что мы стоим на пороге великих открытий – перемещения в пространстве и во времени. Время во Вселенной дискретно, поэтому мгновенное перемещение на огромные расстояния даёт возможность попадать в различную плотность времени (на основании гипотез Эйнштейна, Бора). Возможно, в будущем это будет реальностью так же, как мобильный телефон сегодня.

Проблема в том, что на Земле трудно создать надежную связь для разнесенных на большое расстояние запутанных частиц. Даже в самом совершенном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал постепенно затухает, а требования к нему здесь особенно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в две стороны с плечами длиной около 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно рассчитывать поймать по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Иное дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут в исследования включается выходит экспериментальный спутник Mozi («Мо-Цзы»).

На космическом орбитальном аппарате был расположен источник (лазер и нелинейный кристалл), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны направлялись в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные потери частиц происходили в нижних слоях атмосферы, однако это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга страны – около 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая соединяет провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники.

В ближайшее время китайские ученые планируют запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим действующую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «непонятный» парадокс квантовой механики обещает очередной скачок в технологиях.

 

Литература

https://fb.ru/article/307504/kvantovaya-zaputannost-teoriya-printsip-effekt

https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовая_запутанность#История_изучения

https://hi--news-ru.turbopages.org/hi-news.ru/s/eto-interesno/tajny-kvantovoj-mexaniki-chto-takoe-kvantovaya-zaputannost.html

https://naked-science.ru/article/nakedscience/kvantovaya-zaputannost

https://david-mendel.livejournal.com/318608.html

Код для цитирования: Скопировать