Квантове заплутування залишається однією з найскладніших галузей вивчення сучасних фізиків. Описаний Ейнштейном як «моторошна дія на відстані», вчені давно намагаються узгодити, як цей аспект квантової механіки може співіснувати з класичною механікою. По суті, той факт, що дві частинки можуть бути з'єднані на великих відстанях, порушує правила локальності та реалізму.
Формально це порушення несправедливості Белла - теорії, яка десятиліттями застосовується для того, щоб показати, що локальність і реалізм є дійсними, незважаючи на те, що вони суперечать квантовій механіці. Однак в недавньому дослідженні група дослідників з Університету Людвіга-Максиміліана (LMU) та Інституту квантової оптики Макса Планка в Мюнхені провела тести, які вкотре порушують нерівність Белла і доводять існування заплутаності.
Їх дослідження під назвою «Тест на дзвінок, готовий до подій, використовуючи заплутані атоми, одночасно закриваючі лазівки виявлення та локальності», нещодавно було опубліковано в журналі Листи з фізичного огляду. Під керівництвом Веньяміна Розенфельда, фізика в ЛМУ та Інституту квантової оптики Макса Планка, команда намагалася перевірити нерівність Белла, заплутавши дві частинки на відстані.
Нерівність Белла (названа на честь ірландського фізика Джона Белла, який запропонував це в 1964 році) по суті стверджує, що властивості об'єктів існують незалежно від спостереження (реалізм), і жодна інформація чи фізичний вплив не можуть поширюватися швидше, ніж швидкість світла (локальність). Ці правила чудово описували реальність, яку ми переживаємо люди щодня, де речі вкорінені у певному просторі та часі і існують незалежно від спостерігача.
Однак на квантовому рівні не здається, що речі відповідають цим правилам. Частинки можуть бути з'єднані не тільки локальними способами на великих відстанях (тобто заплутування), але й властивості цих частинок неможливо визначити, поки вони не будуть виміряні. І хоча всі експерименти підтвердили, що прогнози квантової механіки є правильними, деякі вчені продовжують стверджувати, що існують лазівки, які дозволяють досягти місцевого реалізму.
Для вирішення цього питання мюнхенська команда провела експеримент, використовуючи дві лабораторії в LMU. Поки перша лабораторія знаходилась у підвалі фізичного відділення, друга знаходилась у підвалі економічного відділення - приблизно за 400 метрів. В обох лабораторіях команди захопили один атом рубідію в актуальну пастку, а потім почали захоплювати їх, поки не випустили жодного фотона.
Як пояснив доктор Венджамін Розенфельд у прес-релізі Інституту Макса Планка:
«Наші дві станції спостереження працюють незалежно та оснащені власними лазерними системами та системами управління. Через 400 метрів відстані між лабораторіями зв'язок від однієї до іншої зайняв би 1328 наносекунд, що набагато більше тривалості процесу вимірювання. Отже, жодна інформація про вимірювання в одній лабораторії не може використовуватися в іншій лабораторії. Ось так ми закриваємо лазівку місцевості. "
Після того, як два атоми рубідію були збуджені до точки вивільнення фотона, спінові стани атомів рубідію та поляризаційні стани фотонів були ефективно заплутані. Потім фотони були з’єднані в оптичні волокна та спрямовані до установки, де вони були приведені до перешкод. Провівши вимірювання протягом восьми днів, вчені змогли зібрати близько 10 000 подій, щоб перевірити, чи не заплуталися ознаки.
На це вказували б повороти двох захоплених атомів рубідію, які вказували б у тому ж напрямку (або у зворотному напрямку, залежно від виду заплутування). Мюнхенська команда виявила, що в переважній більшості подій атоми знаходились у тому ж самому стані (або в протилежному стані) і що було лише шість відхилень, що відповідали нерівності Белла.
Ці результати також були статистично більш значущими, ніж результати, отримані командою голландських фізиків у 2015 році. Для цього дослідження голландська команда провела експерименти з використанням електронів в алмазах у лабораторіях, що були на відстані 1,3 км. Зрештою, їх результати (та інші останні випробування на нерівність Белла) продемонстрували, що квантове заплутування справжнє, що фактично закриває лазівку локального реалізму.
Як пояснив Венджамін Розенфельд, тести, проведені його командою, також вийшли за рамки цих інших експериментів, вирішивши ще одну головну проблему. "Ми змогли дуже швидко і дуже ефективно визначити стан спіному атомів", - сказав він. "Тим самим ми закрили другу потенційну лазівку: припущення, що спостережуване порушення викликане неповним зразком пар виявлених атомів".
Отримуючи докази порушення нерівності Белла, вчені не лише допомагають вирішити стійку невідповідність між класичною та квантовою фізикою. Вони також відкривають двері до деяких захоплюючих можливостей. Наприклад, роками вчений передбачав розвиток квантових процесорів, які покладаються на заплутування для імітації нулів і коду двійкового коду.
Комп'ютери, які покладаються на квантову механіку, були б експоненціально швидшими, ніж звичайні мікропроцесори, і підняли б нову еру досліджень та розробок. Ті ж принципи були запропоновані і для кібербезпеки, де квантове шифрування використовувалося б для інформації про кодування, що робить її невразливою для хакерів, які покладаються на звичайні комп'ютери.
Останнє, але, безумовно, не менш важливе, існує концепція Quantum Entanglement Communications - метод, який дозволив би нам передавати інформацію швидше, ніж швидкість світла. Уявіть можливості для космічних подорожей та дослідження, якщо ми більше не зв'язані межами релятивістської комунікації!
Ейнштейн не помилявся, коли характеризував квантові переплетення як "моторошну дію". Дійсно, значна частина наслідків цього явища все ще настільки ж лякає, як і захоплююча фізикам. Але чим ближче ми підійдемо до його розуміння, тим ближче ми будемо до розвитку розуміння того, як всі відомі фізичні сили Всесвіту поєднуються разом - ака. теорія всього!
