Запутанные фотоны что это
Тайны квантовой механики – что такое квантовая запутанность?
Около 100 лет назад ученые впервые задумались о природе некоторых необычных свойств света. Например, света, исходящего от газов, когда их нагревают в пробирке. Если посмотреть на этот свет сквозь призму, можно заметить кое-что необычное. Не спектр, в котором цвета плавно переходят один в другой, отражаясь в хрустальном бокале, а отчетливые линии, цвета которых не смешиваются, как в радуге. Речь идет о вертикальных лучах света, похожих на карандаши – каждый своего цвета. Однако объяснить столь странное свойство света ученые не могли. Поиски ответов безуспешно продолжались, пока физик Нильс Бор в начале ХХ века не выдвинул самую невероятную и фантастическую гипотезу. Бор был убежден, что разгадка отчетливых линий кроется в самом сердце материи – структуре атома.
Если нагреть газ в пробирке и посмотреть на исходящий от него свет через призму, вы увидите непересекающиеся вертикальные линии
Фантастическая гипотеза
По мнению ученого атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но электроны, в отличие от планет, двигаются по одной определенной орбите и ни по какой другой. Бор утверждал, что когда атом нагревается, электроны приходят в движение и перескакивают с одной орбиты на другую. При этом, каждый скачок сопровождается выбросом энергии в форме света с определенной длиной волны. Вот откуда взялись те странные вертикальные линии и понятие «квантовый скачок».
В документальном фильме National Geographic о квантовой теории, физик Брайан Грин рассказывает об удивительных свойствах квантового скачка, которые заключаются в том, что электрон перемещается с одной орбиты сразу на другую, будто бы не пересекая пространство между ними. Как если бы Земля в одно мгновенье поменялась орбитами с Марсом или Юпитером. Бор считал, что из-за странных свойств электронов в атоме, они излучают энергию определенными, неделимыми порциями, которые называются кванты. Именно поэтому электроны могут двигаться строго по определенным орбитам и могут находиться либо в одной точке, либо в другой, но никак не посередине. В повседневной жизни мы не сталкиваемся ни с чем подобным.
Если бы бейсбольный мяч оказался в двух местах одновременно, мы могли бы поверить, что нас обманывает волшебник. Но в квантовой механике наличие частицы в двух местах одновременно – это именно то, что заставляет нас считать эксперимент истинным.
При нагреве атомов электроны начинают перескакивать с одной орбиты на другую.
Каким бы невероятным ни казалось предположение Бора, физики довольно быстро нашли большое количество доказательств в пользу его теории – электроны действительно ведут себя по совершенно иным законам, нежели планеты Солнечной системы или шарики для пинг-понга. Открытие Бора и его коллег, однако, противоречило общеизвестным законам физики и вскоре привело к столкновению с идеями, высказанными Альбертом Эйнштейном.
Квантовая запутанность
Эйнштейн не мог смириться с неопределенностью Вселенной, вытекающей из квантовой механики. Физик считал, что объект существует не только когда за ним наблюдают (как утверждал Нильс Бор), но и все остальное время. Ученый 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 – квантовая запутанность.
Квантовая запутанность – это теоретическое предположение вытекающее из уравнений квантовой механики, согласно которому две частицы могут запутаться, если находятся довольно близко друг к другу. Их свойства при этом становятся взаимосвязанными.
Но даже если разделить эти частицы и отправить в разные концы света, как предлагает квантовая механика, они все равно могут остаться запутанными и неразрывно связанными. Эйнштейну такая связь между частицами казалась невозможной, он так ее и назвал – «сверхъестественная связь на расстоянии». Ученый допускал, что запутанные частицы могут существовать, но считал, что никакой «сверхъестественной связи на расстоянии» нет. Напротив, все предопределено задолго до момента измерения.
Допустим, кто-то взял пару перчаток, разделил их и положил каждую в отдельный чемодан. Затем один чемодан отправили вам, а второй в Антарктиду. До того момента, пока чемоданы закрыты, вы не знаете, какая из перчаток там лежит. Но открыв чемодан и обнаружив в нем левую перчатку, мы со 100% уверенностью узнаем, что в чемодане в Антарктиде лежит правая перчатка, даже если в него никто не заглядывал.
Нильс Бор, в свою очередь, полагался на уравнения, доказывающие, что частицы ведут себя как два колеса, которые могут мгновенно связать случайные результаты своего вращения, даже находясь на огромном расстоянии друг от друга. Так кто же прав?
Определить, действительно ли между запутанными частицами существует «сверхъестественная связь» как между вращающимися колесами, или же никакой связи нет и свойства частиц предопределены заранее, как в случае с парой перчаток, удалось физику Джону Белл. С помощью сложных математических вычислений Белл показал, что если сверхъестественной связи нет, то квантовая механика неверна. Однако физик-теоретик также доказал, что вопрос можно решить, построив машину, которая создавала и сравнивала бы много пар запутанных частиц.
Основываясь на инструкциях Белла физик, специалист по квантовой механике Джон Клаузер собрал машину, способную проделывать эту работу. Машина Клаузера могла измерять тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по очень многим параметрам. Полученные результаты заставили ученого думать, что он допустил ошибку. Вскоре французский физик Ален Аспе подобрался к самой сути спора Эйнштейна и Бора.
Ален Аспе – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности.
В опыте Аспе измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от первой частицы ко второй прошел бы со скоростью, превышающей скорость света. Что, как мы знаем, невозможно. Таким образом оставалось только одной объяснение – сверхъестественная связь. Более того, проведенные эксперименты доказали, что математическая основа квантовой механики верна.
Запутанность квантовых состояний – это реальность.
Выходит, квантовые частицы могут быть связаны несмотря на огромные расстояния, а измерение одной частицы действительно может повлиять на ее далекую пару, как если бы пространства между ними никогда не существовало. Но ответить на вопрос о том как работает эта связь сегодня не может никто.
Квантовая запутанность частиц также не исключает того факта, что когда-нибудь телепортация станет реальностью. Так, ученые уже сегодня телепортируют сотни частиц, о чем подробнее писала моя коллега Дарья Елецкая. А как вы думаете, удастся ли ученым создать единую теорию квантовой гравитации? Ответ будем ждать в комментариях к этой статье, а также в нашем Telegram-чате.
Квантовая запутанность простыми словами. Чудеса продолжаются
Если вас еще не поразили чудеса квантовой физики, то после этой статьи ваше мышление уж точно перевернется. Сегодня я расскажу, что такое квантовая запутанность, но простыми словами, чтобы любой человек понял, что это такое.
Запутанность как магическая связь
После того, как были открыты необычные эффекты, происходящие в микромире, ученые пришли к интересному теоретическому предположению. Оно именно следовало из основ квантовой теории.
В прошлой статье я рассказывал о том, что электрон ведет себя очень странно.
Но запутанность квантовых, элементарных частиц вообще противоречит какому-либо здравому смыслу, выходит за рамки любого понимания.
Если они взаимодействовали друг с другом, то после разъединения между ними остается магическая связь, даже если их разнести на любое, сколь угодно большое расстояние.
Магическая в том смысле, что информация между ними передается мгновенно.
Как известно из квантовой механики частица до измерения находится в суперпозиции, то есть имеет сразу несколько параметров, размыта в пространстве, не имеет точное значение спина. Если над одной из пары ранее взаимодействующих частиц произвести измерение, то есть произвести коллапс волновой функции, то вторая сразу, мгновенно отреагирует на это измерение. И не важно, какое расстояние между ними. Фантастика, не правда ли.
Как известно из теории относительности Эйнштейна ничто не может превышать скорость света. Чтобы информация дошла от одной частицы до второй, нужно по крайне мере затратить время прохождения света. Но одна частица именно мгновенно реагирует на измерение второй. Информация при скорости света дошла бы до нее уже позже. Все это не укладывается в здравый смысл.
Если разделить пару элементарных частичек с нулевым общим параметром спина, то одна должна иметь отрицательный спин, а вторая положительный. Но до измерения значение спина находится в суперпозиции. Как только мы измерили спин у первой частички, увидели, что он имеет положительное значение, так сразу вторая приобретает отрицательный спин. Если же наоборот первая частичка приобретает отрицательное значение спина, то вторая мгновенно положительное значение.
Или такая аналогия.
У нас имеется два шара. Один черный, другой белый. Мы их накрыли непрозрачными стаканами, не видим, где какой. Мешаем как в игре наперстки.
Если открыли один стакан и увидели, что там белый шар, значит во втором стакане черный. Но сначала мы не знаем, где какой.
Так и с элементарными частичками. Но они до того, как на них посмотреть, находятся в суперпозиции. До измерения шары как бы бесцветны. Но разрушив суперпозицию одного шара и увидев, что он белый, то второй сразу становится черным. И это происходит мгновенно, будь хоть один шар на земле, а второй в другой галактике. Чтобы свет дошел от одного шара до другого в нашем случае, допустим нужно сотни лет, а второй шар узнает, что произвели измерение над вторым, повторяю, мгновенно. Между ними запутанность.
Понятно, что Эйнштейн, да и многие другие физики не принимали такой исход событий, то есть квантовую запутанность. Он считал выводы квантовой физики неверными, неполными, предполагал, что не хватает каких-то скрытых переменных.
Вышеописанный парадокс Эйнштейна наоборот придумал, чтобы показать, что выводы квантовой механики не верны, потому что запутанность противоречит здравому смыслу.
Этот парадокс назвали парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, сокращённо ЭПР-парадокс.
Но проведенные эксперименты с запутанностью уже позже А. Аспектом и другими учеными, показали, что Эйнштейн был не прав. Квантовая запутанность существует.
И это уже были не теоретические предположения, вытекающие из уравнений, а реальные факты множества экспериментов по квантовой запутанности. Ученые это увидели вживую, а Эйнштейн умер, так и не узнав правду.
Частицы действительно взаимодействуют мгновенно, ограничения по скорости света им не помеха. Мир оказался куда интереснее и сложнее.
При квантовой запутанности происходит, повторю, мгновенная передача информации, образуется магическая связь.
Но как такое может быть?
Сегодняшняя квантовая физика отвечает на этот вопрос изящным образом. Между частицами происходит мгновенная связь не из-за того, что информация передается очень быстро, а потому что на более глубоком уровне они просто не разделены, а все еще находятся вместе. Они находятся в так называемой квантовой запутанности.
То есть состояние запутанности это такое состояние системы, где по каким-то параметрам или значениям, она не может быть разделена на отдельные, полностью самостоятельные части.
Например, электроны после взаимодействия могут быть разделены на большое расстояние в пространстве, но их спины находятся все еще вместе. Поэтому во время экспериментов спины мгновенно согласуются между собой.
Понимаете, к чему это ведет?
Сегодняшние познания современной квантовой физики на основе теории декогеренции сводятся к одному.
Существует более глубокая, непроявленная реальность. А то, что мы наблюдаем как привычный классический мир лишь малая часть, частный случай более фундаментальной квантовой реальности.
В ней нет пространства, времени, каких-то параметров частиц, а лишь информация о них, потенциальная возможность их проявления.
Именно этот факт изящно и просто объясняет, почему возникает коллапс волновой функции, рассмотренный в предыдущей статье, квантовую запутанность и другие чудеса микромира.
Сегодня, говоря о квантовой запутанности, вспоминают потусторонний мир.
То есть на более фундаментальном уровне элементарная частица непроявленная. Она находится одновременно в нескольких точках пространства, имеет несколько значений спинов.
Затем по каким-то параметрам она может проявиться в нашем классическом мире в ходе измерения. В рассмотренном выше эксперименте две частицы уже имеют конкретное значение координат пространства, но спины их находятся все еще в квантовой реальности, непроявленные. Там нет пространства и времени, поэтому спины частиц сцеплены вместе, несмотря на огромное расстояние между ними.
А когда мы смотрим, какой спин у частицы, то есть производим измерение, мы как бы вытаскиваем спин из квантовой реальности в наш обычный мир. А нам кажется, что частицы обмениваются информацией мгновенно. Просто они были все еще вместе по одному параметру, хоть и находились далеко друг от друга. Их раздельность на самом деле есть иллюзия.
Все это кажется странным, непривычным, но этот факт уже подтверждается многими экспериментами. На основе магической запутанности создаются квантовые компьютеры.
Реальность оказалась намного сложнее и интереснее.
Принцип квантовой запутанности не стыкуется с обычным нашим взглядом на мир.
Вот как объясняет квантовую запутанность физик-ученый Д.Бом.
Допустим, мы наблюдаем за рыбой в аквариуме. Но в силу каких-то ограничений, мы можем смотреть не на аквариум, как он есть, а лишь на его проекции, снимаемые двумя камерами спереди и сбоку. То есть мы наблюдаем за рыбой, смотря на два телевизора. Нам кажутся рыбы разными, так как мы снимаем ее одной камерой в анфас, другой в профиль. Но чудесным образом их движения четко согласуются. Как только рыба с первого экрана поворачивается, вторая мгновенно делает также поворот. Мы удивляемся, не догадываясь, что это одна и та же рыба.
Так и в квантовом эксперименте с двумя частицами. Из-за своих ограничений нам кажется, что спины двух, ранее взаимодействующих частиц, не зависимы друг от друга, ведь теперь частицы находятся далеко друг от друга. Но на самом деле они все еще вместе, но находятся в квантовой реальности, в нелокальном источнике. Мы просто смотрим не на реальность, как она есть на самом деле, а с искажением, в рамках классической физики.
Квантовая телепортация простыми словами
Когда ученые узнали о квантовой запутанности и мгновенной передаче информации, многие задались вопросом: можно ли осуществить телепортацию?
Это оказалось действительно возможным.
Уже проведено множество экспериментов по телепортации.
Суть метода легко можно понять, если вы поняли общий принцип запутанности.
Имеется частица, например электрон А и две пары запутанных электронов В и С. Электрон А и пара В, С находятся в разных точках пространства, неважно как далеко. А теперь переведем в квантовую запутанность частички А и В, то есть объединим их. Теперь С становится точно такой же как А, потому что общее их состояние не меняется. То есть частица А как бы телепортируется в частицу С.
Сегодня проведены уже более сложные опыты по телепортации.
Конечно, все опыты пока проводятся только с элементарными частицами. Но согласитесь, это уже невероятно. Ведь все мы состоим из тех же частиц, ученые говорят, что телепортация макрообъектов теоретически ничем не отличается. Нужно лишь решить множество технических моментов, а это лишь вопрос времени. Может быть, человечество дойдет в своем развитии до способности телепортировать большие объекты, да и самого человека.
Квантовая реальность
Квантовая запутанность есть целостность, неразрывность, единение на более глубоком уровне.
Если по каким-то параметрам частицы находятся в квантовой запутанности, то по этим параметрам их просто нельзя разделить на отдельные части. Они взаимозависимы. Такие свойства просто фантастические с точки зрения привычного мира, запредельные, можно сказать потусторонние и трансцендентные. Но это факт, от которого уже никуда не деться. Пора это уже признать.
Но к чему все это ведет?
Оказывается, о таком положении вещей давно говорили многие духовные учения человечества.
Видимый нами мир, состоящий из материальных объектов это не основа реальности, а лишь малая ее часть и не самая главная. Существует трансцендентная реальность, которая задает, определяет все, что происходит с нашим миром, а значит и с нами.
Именно там кроются настоящие ответы на извечные вопросы о смысле жизни, настоящего развития человека, обретения счастья и здоровья.
И это не пустые слова.
Все это приводит к переосмыслению жизненных ценностей, пониманию того, что кроме бессмысленной гонкой за материальными благами есть что-то более важное и высокое. И эта реальность не где-то там, она окружает нас повсюду, она пронизывает нас, она как говорится “на кончиках наших пальцев”.
Но давайте об этом поговорим в следующих статьях.
А сейчас посмотрите видео о квантовой запутанности.
От квантовой запутанности мы плавно переходим к теории декогеренции. Об этом в следующей статье.
Спросите Итана: можно ли использовать квантовую запутанность для отправки сообщений быстрее света?
Концепт японского солнечного паруса IKAROS у удалённой звёздной системы
Мы уже обсуждали проект Юрия Мильнера и Стивена Хокинга, Breakthrough Starshot, по отправке космического корабля к другой солнечной системе, находящейся в нашей галактике. И хотя гигантский массив лазеров в принципе может отправить лёгкие корабли размером с микрочип к другой звезде со скоростью в 20% от скорости света, непонятно, каким образом эти устройства, лишённые источников энергии, будут передавать нам сообщения через огромные пространства. Оливьер Мануэль считает, что нашёл выход:
Это смелое предположение, но нельзя ли использовать для передачи сообщений квантовую запутанность?
Стоит рассмотреть такую возможность. Давайте взглянем на эту идею.
Представьте, что у вас есть две монеты, каждая из которых может выпадать орлом или решкой. Одна у вас, другая у меня, и мы находимся очень далеко друг от друга. Мы подбрасываем их, ловим, и кладём на стол. Когда мы смотрим на монету, то ожидаем, что у каждого из нас есть шанс 50/50 открыть орла и 50/50 на решку. В обычной, незапутанной Вселенной, наши с вами результаты не будут зависеть друг от друга. Если вы получите орла, у меня всё равно остаётся шанс 50/50 на получение орла или решки. Но при особых обстоятельствах результаты могут оказаться запутанными, то есть, когда у вас выпадет орёл, вы на 100% сможете быть уверены в том, что у меня выпала решка – ещё до того, как я вам об этом сообщу. Вы будете знать это мгновенно, даже если между нами будут световые года.
Квантово-механический тест Белла для частиц с полуцелым спином
Волновая картина при прохождении электронов через две щели. Если измерять, через какую конкретно щель проходят электроны, картина квантовой интерференции нарушается.
Эксперимент со стиранием квантового состояния
Это одно из самых непонятных свойств квантовой физики: запутанность можно использовать для получения информации о компоненте системы, когда вам известно полное состояние, и вы измеряете состояние другой компоненты, но не для создания и передачи информации от одной части запутанной системы к другой. Хитрая идея, Оливьер, но коммуникаций со скоростью, превышающей световую, не бывает.
Эффект квантовой телепортации путают с путешествием быстрее света. На самом деле информация не передаётся быстрее, чем свет
Квантовая запутанность – удивительное свойство, и его можно использовать в разных целях, к примеру, в идеальной системе замок/ключ. Но коммуникации быстрее света? Чтобы понять, почему это невозможно, нужно понять ключевое свойство квантовой физики: принуждение части запутанной системы к переходу в некое состояние не позволяет вам получать информацию об этом состоянии, измеряя её оставшуюся часть. Как гласит известное высказывание Нильса Бора:
Если квантовая механика вас ещё не шокировала, вы её просто ещё не поняли.
Вселенная постоянно играет с нами в кости, к великому огорчению Эйнштейна. Но природа расстраивает даже наши лучшие попытки сжульничать в этой игре. Если бы только все судьи с арбитрами были так же строги, как законы квантовой физики!
Квантовая запутанность
За последние полтора века произошел значительный скачок в развитии человечества, в особенности в области фундаментальной физики. Не успели ученые окунуться в физику атома, как уже начали строиться атомные станции; научный переворот, совершённый Эйнштейном в скором времени привел нас к полной глобализации с более чем тысячью спутниками на орбите Земли. Примеров – масса, однако осталось еще немало нерешенных задач и необъясненных явлений. Одно из таких явлений скрывается в микромире квантовых процессов, а именно – квантовая запутанность. Что это такое, почему это важно и какие исследования ведутся для решения этого вопроса – разбираем в данной статье.
Основные сведения
Прежде всего, определим само понятие «квантовая запутанность». Вся информация об объекте в микромире описывается неким абстрактным (математическим) состоянием, которое включает, например, вероятность обнаружения частицы в данном объеме, импульс частицы, ее заряд или спин, и тп. Подобное «состояние» может быть описано физическими уравнениями, которые, несмотря на свою абстрактность и сложность, все же способны предсказывать результаты экспериментов.
Квантовой запутанностью называют такое явление, когда квантовые состояния двух и более частиц оказываются взаимосвязаны. То есть, определив состояние одной частицы, можно предсказать некоторые характеристики другой. Примечательно, что изменение некоторого параметра одной частицы приводит к изменению некоторого параметра другой частицы, независимо от расстояния.
Противоречие с «принципом локальности»
Как известно из работ Эйнштейна, в природе имеет место так называемый «принцип локальности», согласно которому любое взаимодействие между телами не может происходить мгновенно, а передается через посредника. Скорость передачи этого взаимодействия не должна превышать скорость света в вакууме. В то же время, как было упомянуто ранее, квантовая запутанность может наблюдаться на огромных расстояниях с «мгновенной передачей информации», что является прямым нарушением принципа локальности.
Эйнштейн, Нильс Бор и квантовая механика
В 1927-м году в Брюсселе состоялся Пятый Сольвеевский конгресс — международная конференция на тему актуальных проблем в области физики и химии. Одна из состоявшихся дискуссий была на тему так называемой Копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн
Данная теория была разработана Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и утверждает о вероятностной природе волновой функции. Несмотря на решение некоторых тогдашних проблем физики, например, связанных с корпускулярно-волновым дуализмом, данная теория также вызывала и ряд вопросов. В первую очередь, само представление объекта с известным импульсом, не имеющего определенной координаты, а лишь вероятность обнаружения в данной точке, — противоречит нашему опыту жизни в макромире. Кроме того, эта теория подразумевала неопределенность в расположении частицы, до тех пор, пока не будет произведено измерение.
Совместное фото участников Пятого Сольвеевского конгресса
Альберт Эйнштейн не мог принять такую интерпретацию, в результате чего и зародилась его известная фраза «Бог не играет в кости», на что Нильс Бор ответил «Альберт, не указывай Богу, что ему делать». Так начался длительный спор Эйнштейна и Бора.
Ответ Эйнштейна последовал в 1935-м году, когда он, вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал работу, носившую название «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». В данной статье был представлен мысленный эксперимент под названием «парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена» (ЭПР-парадокс).
ЭПР-парадокс
Эксперимент был направлен на опровержение такого фундаментального для квантовой механики утверждения, как принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что нельзя одновременно измерить две характеристики частицы, зачастую имеют ввиду – импульс и координату.
ЭПР-парадокс звучит следующим образом. Пусть две частицы одного сорта образовались вследствие распада третьей частицы. Тогда сумма их импульсов будет равна импульсу исходной частицы, согласно закону сохранения импульса. Далее, зная импульс исходной частицы (которую заранее подготовят экспериментаторы), и измерив импульс второй частицы, можно рассчитать импульс первой. То есть в результате измерения мы получили такую характеристику первой частицы как импульс. Теперь измерим координату второй частицы, и в итоге будем иметь две измеренные характеристики одной частицы, что прямо противоречит принципу неопределенности Гейзенберга.
Однако в самой же квантовой механике есть средства для разрешения этого парадокса. Согласно законам квантового мира – любое измерение приводит к изменению характеристик измеряемого тела. Тогда до измерения координаты второй частицы, действительно, может иметь место определенный импульс. Но в момент измерения координаты состояние частицы меняется и нельзя утверждать, что эти характеристики были измерены одновременно.
Тем не менее, в результате корпускулярно-волнового дуализма, находясь на некотором расстоянии, эти возникшие частицы имеют состояния, описываемые одной волновой функцией. Из этого вытекает, что измерение (а значит и изменение) импульса одной частицы приводит и к измерению импульса другой. Причем увеличение расстояния между этими частицами не запрещается, что опять же противоречит принципу локальности.
Теорема Белла
Человеку, существующему всю свою историю в масштабах макромира, сложно понять законы квантовой механики, которые часто противоречат наблюдениям в макромире. Так зародилась теория скрытых параметров, согласно которой, упомянутое ранее дальнодействие между частицами, может быть вызвано наличием неких изначально скрытых параметров частиц. Проще говоря – измерение одной частицы не приводит к изменению состояния другой, и оба эти состояния возникли вместе с этими частицами, в момент распада исходной частицы. Такое интуитивно понятное объяснение удовлетворило бы человеческий ум.
В 1964-м году Джон Стюарт Белл сформулировал свои неравенства, позже называемые теоремой, которые позволяют провести эксперимент, позволяющий точно определить – имеют ли место некие скрытые параметры. То есть если частицы имели скрытые параметры до своего разделения, то выполнилось бы одно неравенство, а если их состояния связаны и неопределенны до измерения одной из частиц – другое неравенство Белла.
Исследования в области квантовой запутанности
Почему вновь поднимается эта давно известная тема? Дело в том, что за последние несколько лет разработки в области квантовых компьютеров, работающих на основе квантовой запутанности, заметно шагнули вперед. Так в марте 2018-го года Google заявила об успешном создании 72-кубитного квантового процессора под названием Bristlecone, который достигает «квантового превосходства». То есть способен выполнять задачи, которые недоступны для обычных компьютеров.
Квантовый процессор Bristlecone компании Google (слева) и схематическое изображение кубитов, где каждый кубит связан с соседними (справа)
Также летом 2018-го года в журнале Nature была опубликована научная работа, которая рассказывает о создании первого квантового процессора с долговременной памятью. Ранее, в 2015-м году, эта же исследовательская группа из Делфтского технического университета вместе с главой организации QUTech — Рональдом Хэнсоном представили еще более убедительные доказательства существования квантовой запутанности.
Об эксперименте в Делфтском техническом университете
Эксперимент, результаты которого были опубликованы в 2015-м году, происходил следующим образом. В эксперименте использовались алмазные листы с решеткой полостей, которые заполняются азотом. Такая технология была разработана исследователями Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в 2010-м году. Два таких кристалла алмаза расположили на расстоянии 1.3 км друг от друга. В результате облучения обоих пластин микроволновым излучением и лазерами электроны этих «алмазных ловушек» переходили в возбужденное состояние и испускали пару фотонов, которые взаимодействовали друг с другом. Как следствие этого взаимодействия – возникала квантовая запутанность между электронами, которые излучали эти фотоны.
Точки расположения алмазных листов на территории кампуса Делфтского технического университета
Для обнаружения данного явления ученые проводили измерение спинов электронов с разных пластин практически одновременно, что не допустило бы обмен информацией между ними со скоростью света. Однако, как оказалось, спины двух электронов были синхронизированы, что говорит о передачи информации неким образом, который позволяет превысить скорость света. Конечно, сама процедура определения характеристик электронов намного сложнее, и потребовалось провести немало расчетов и сравнить их волновые функции. Несмотря на все сложности эксперимента, он проводился 245 раз в течение 18-ти дней, и был запланирован таким образом, чтобы избежать всех возможных ошибок, как со стороны измерительных приборов, так и со стороны окружающей среды.
Бас Хенсен и Рональд Хэнсон устанавливают оборудование для эксперимента по проверке неравенств Белла
Окончательно закроет эту тему будущий крупный эксперимент в Массачусетском технологическом институте в течение ближайших трех лет. Исследовательская группа планирует собирать электромагнитное излучение пульсаров, а также свет, приходящий из дальних галактик. Подобный эксперимент позволит избежать какой-либо связи измерительных приборов и источников сигнала, тем самым устраняя последнюю возможность наличия скрытых параметров.
Схематическое изображение пульсара
Квантовый компьютер и интернет
Разработки QUTech вышли далеко за пределы теоретической физики и двинулись в сторону квантового компьютера. Так в 2012-м году несколько научных групп разработали двухкубитный квантовый процессор на основе вышеупомянутых кристаллов, а в 2018-м – была опубликована работа, в которой исследователи описали созданный ими квантовый процессор с долговременной памятью. Проблема создания такого процессора состояла в том, что связи между квантовыми битами («кубитами») пропадали быстрее, чем ученым удавалось их обнаружить. Очередной эксперимент в Делфтском техническом университете показал, что новый процессор не обладает данной проблемой.
Исследовательская группа использовала вышеупомянутые алмазные пластины, где среди атомов углерода «спрятался» атом азота. Место, в котором располагается атом азота, обладает специфическими свойствами, как если бы в этой ячейке кристаллической решетки находился атом углерода, но в неком «замороженном» состоянии. Такой подход заметно продлевает жизнь алмазным кубитам (300-500 миллисекунд). Кроме того, был разработан и новый метод «запутывания» электронов в этих дефектных точках.
Данная технология не только является прорывной в области квантовых компьютеров, но и приближает нас на шаг к квантовому интернету. Взаимодействие нескольких отдельных квантовых компьютеров позволит организовать между ними сеть, работающую посредством передачи запутанных кубитов. Преимущество состоит в скорости: пусть имеется k квантовых компьютеров, каждый из которых состоит из n кубитов. Тогда для передачи по обычной сети полного состояния одного такого компьютера понадобится 2n бит данных, в то время как для квантовой сети потребуется лишь n кубитов. Запутанность между всеми компьютерами в масштабах целой сети дает преимущество в скорости передачи информации на несколько порядков.
Итоги
Несмотря на квантовый мир, будоражащий множество умов по всему миру, квантовая запутанность сегодня является общепризнанным явлением, которое не только наблюдается экспериментально, но и используется в технологических процессах. Дальнейшее применение квантовой запутанности может вывести человечество на совсем иной уровень развития, с суперкомпьютерами и невообразимо быстрым интернетом.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!