Квантовая запутанность остается одной из самых сложных областей исследования для современных физиков. Ученые, которых Эйнштейн назвал «пугающим действием на расстоянии», давно пытаются согласовать, как этот аспект квантовой механики может сосуществовать с классической механикой. По сути, тот факт, что две частицы могут быть связаны на больших расстояниях, нарушает правила локальности и реализма.
Формально это является нарушением неравенства Белла, теории, которая десятилетиями использовалась, чтобы показать, что локальность и реализм действительны, несмотря на то, что они несовместимы с квантовой механикой. Однако в недавнем исследовании группа исследователей из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института квантовой оптики им. Макса Планка в Мюнхене провела испытания, которые еще раз нарушают неравенство Белла и доказывают существование запутанности.
Их исследование под названием «Тест на готовность к событию с использованием запутанных атомов одновременно закрывает лазейки обнаружения и локализации», недавно было опубликовано в Письма о физическом обзоре, Под руководством Венджамина Розенфельда, физика из LMU и Института квантовой оптики Макса Планка, команда пыталась проверить неравенство Белла, запутав две частицы на расстоянии.
Неравенство Белла (названное в честь ирландского физика Джона Белла, предложившего его в 1964 году) по существу утверждает, что свойства объектов существуют независимо от наблюдаемого (реализм), и никакое информационное или физическое влияние не может распространяться быстрее, чем скорость света (локальность). Эти правила прекрасно описывают реальность, с которой мы, люди, сталкиваемся ежедневно, когда вещи укоренены в определенном пространстве и времени и существуют независимо от наблюдателя.
Однако на квантовом уровне вещи, похоже, не следуют этим правилам. Мало того, что частицы могут быть связаны нелокальным образом на больших расстояниях (то есть запутывания), но свойства этих частиц не могут быть определены, пока они не измерены. И хотя все эксперименты подтвердили, что предсказания квантовой механики верны, некоторые ученые продолжают утверждать, что существуют лазейки, которые допускают локальный реализм.
Чтобы решить эту проблему, мюнхенская команда провела эксперимент с использованием двух лабораторий в LMU. В то время как первая лаборатория находилась в подвале физического факультета, вторая находилась в подвале экономического факультета - примерно в 400 метрах. В обеих лабораториях команды захватили один атом рубидия в тематическую ловушку, а затем начали возбуждать их, пока они не выпустили один фотон.
Как объяснил доктор Венджамин Розенфельд в пресс-релизе Института Макса Планка:
«Наши две станции наблюдения работают независимо и оснащены собственными лазерными и контрольными системами. Из-за расстояния в 400 метров между лабораториями, связь от одной к другой займет 1328 наносекунд, что намного больше, чем продолжительность процесса измерения. Таким образом, никакая информация об измерении в одной лаборатории не может быть использована в другой лаборатории. Вот так мы закрываем лазейку в местности ».
Как только два атома рубидия были возбуждены до момента высвобождения фотона, спиновые состояния атомов рубидия и поляризационные состояния фотонов были эффективно запутаны. Затем фотоны были соединены в оптические волокна и направлены в установку, где они были приведены к помехам. После проведения измерений в течение восьми дней ученые смогли собрать около 10 000 событий для проверки запутывания знаков.
На это указывали бы спины двух захваченных атомов рубидия, которые указывали бы в одном и том же направлении (или в противоположном направлении, в зависимости от вида запутывания). Мюнхенская команда обнаружила, что для подавляющего большинства событий атомы находились в одном и том же состоянии (или в противоположном состоянии), и было только шесть отклонений, соответствующих неравенству Белла.
Эти результаты также были статистически более значимыми, чем результаты, полученные группой голландских физиков в 2015 году. Ради этого исследования голландская группа провела эксперименты с использованием электронов в алмазах в лабораториях, которые находились на расстоянии 1,3 км друг от друга. В конце концов, их результаты (и другие недавние тесты неравенства Белла) продемонстрировали, что квантовая запутанность реальна, эффективно закрывая лазейку локального реализма.
Как объяснил Венджамин Розенфельд, испытания, проведенные его командой, также вышли за рамки этих других экспериментов, решив еще одну важную проблему. «Мы смогли определить вращательное состояние атомов очень быстро и очень эффективно», - сказал он. «Тем самым мы закрыли вторую потенциальную лазейку: предположение, что наблюдаемое нарушение вызвано неполной выборкой обнаруженных пар атомов».
Получая доказательства нарушения неравенства Белла, ученые не только помогают устранить непреходящее несоответствие между классической и квантовой физикой. Они также открывают двери для некоторых захватывающих возможностей. Например, в течение многих лет ученые ожидали разработки квантовых процессоров, которые полагаются на запутывания для моделирования нулей и единиц двоичного кода.
Компьютеры, основанные на квантовой механике, будут экспоненциально быстрее, чем обычные микропроцессоры, и откроют новую эру исследований и разработок. Те же принципы были предложены для кибербезопасности, где квантовое шифрование будет использоваться для шифрования информации, делая ее неуязвимой для хакеров, которые полагаются на обычные компьютеры.
Наконец, но не в последнюю очередь, существует концепция квантовой связи запутывания, метод, который позволит нам передавать информацию быстрее, чем скорость света. Представьте себе возможности для космических путешествий и исследования, если мы больше не ограничены пределами релятивистского общения!
Эйнштейн не ошибся, когда охарактеризовал квантовую запутанность как «пугающее действие». Действительно, многие из последствий этого явления все еще пугают, поскольку они очаровывают физиков. Но чем ближе мы подходим к его пониманию, тем ближе мы будем к пониманию того, как все известные физические силы Вселенной сочетаются друг с другом - иначе говоря. Теория Всего!
