Ramalan mekanik kuantum kadang kala sukar dihubungkan dengan idea mengenai dunia klasik. Walaupun kedudukan dan momentum zarah klasik dapat diukur secara serentak, dalam kes kuantum, anda hanya dapat mengetahui kebarangkalian untuk mencari zarah dalam satu keadaan atau keadaan yang lain. Lebih-lebih lagi, teori kuantum menyatakan bahawa apabila dua sistem terjerat, mengukur keadaan salah satu daripadanya secara langsung mempengaruhi yang lain. Pada tahun 2015, tiga kumpulan ahli fizik membuat kemajuan yang signifikan dalam memahami sifat keterlibatan dan teleportasi kuantum. Physics Today dan Lenta.ru bercakap mengenai pencapaian saintis.
Albert Einstein tidak bersetuju dengan tafsiran probabilistik mekanik kuantum. Dalam hubungan ini, dia mengatakan bahawa "Tuhan tidak bermain dadu" (yang kemudiannya dikatakan oleh ahli fizik Denmark Niels Bohr bahawa Einstein bukan untuk memutuskan apa yang harus dilakukan dengan Tuhan). Saintis Jerman tidak menerima ketidakpastian yang wujud dalam dunia mikro, dan menganggap determinisme klasik adalah betul. Pencipta teori relativiti umum percaya bahawa ketika menerangkan dunia mikro, mekanik kuantum tidak mengambil kira beberapa pemboleh ubah tersembunyi, tanpanya teori kuantum itu sendiri tidak lengkap. Saintis mencadangkan mencari parameter tersembunyi ketika mengukur keadaan kuantum dengan alat klasik: proses ini melibatkan perubahan pada yang pertama dengan yang kedua, dan Einstein menganggap mungkin untuk bereksperimen di mana tidak ada perubahan seperti itu.
Sejak itu, saintis telah berusaha untuk menentukan apakah pemboleh ubah tersembunyi wujud dalam mekanik kuantum atau apakah itu penemuan Einstein. Masalah pemboleh ubah tersembunyi diformalkan pada tahun 1964 oleh ahli fizik teori Inggeris John Bell. Dia mengusulkan idea eksperimen di mana kehadiran parameter tersembunyi dalam sistem dapat diketahui dengan melakukan analisis statistik dari serangkaian eksperimen khusus. Eksperimen seperti ini. Sebuah atom diletakkan di medan luaran, secara bersamaan memancarkan sepasang foton, yang tersebar di arah yang berlawanan. Tugas eksperimen adalah untuk melakukan pelbagai ukuran arah putaran foton.
Ini memungkinkan untuk mengumpulkan statistik yang diperlukan dan, dengan menggunakan ketidaksamaan Bell, yang merupakan keterangan matematik mengenai kehadiran parameter tersembunyi dalam mekanik kuantum, periksa sudut pandang Einstein. Kesukaran utama terletak pada pelaksanaan praktik eksperimen, yang kemudian berjaya dilakukan oleh ahli fizik. Para penyelidik telah menunjukkan bahawa kemungkinan besar tidak ada parameter tersembunyi dalam mekanik kuantum. Sementara itu, ada dua celah teori (lokasi dan pengesanan) yang dapat membuktikan Einstein benar. Secara umum, terdapat lebih banyak kelemahan. Eksperimen pada tahun 2015 menutupnya dan mengesahkan bahawa kemungkinan besar tidak ada realisme tempatan dalam mikrokosmos.
"Aksi seram" antara Bob dan Alice
Imej: JPL-Caltech / NASA
Kami bercakap mengenai eksperimen tiga kumpulan ahli fizik: dari Universiti Teknikal Delft di Belanda, Institut Piawaian dan Teknologi Nasional di Amerika Syarikat dan Universiti Vienna di Austria. Eksperimen saintis tidak hanya mengesahkan kelengkapan mekanik kuantum dan ketiadaan parameter tersembunyi di dalamnya, tetapi juga membuka kemungkinan baru kriptografi kuantum - kaedah menyulitkan maklumat (melindunginya) menggunakan keterlibatan kuantum menggunakan protokol kuantum - dan menyebabkan penciptaan algoritma yang belum dapat dipecahkan untuk menghasilkan nombor rawak.
Video promosi:
Ikatan kuantum adalah fenomena di mana keadaan zarah-zarah kuantum (misalnya, putaran elektron atau polarisasi foton), yang dipisahkan oleh jarak antara satu sama lain, tidak dapat digambarkan secara bebas. Prosedur untuk mengukur keadaan satu zarah membawa kepada perubahan keadaan yang lain. Dalam eksperimen tipikal mengenai keterikatan kuantum, agen berinteraksi yang terpisah - Alice dan Bob - masing-masing memiliki satu zarah (foton atau elektron) dari sepasang yang terjerat. Pengukuran zarah oleh salah satu agen, misalnya, Alice, berkorelasi dengan keadaan yang lain, walaupun Alice dan Bob tidak tahu terlebih dahulu mengenai manipulasi antara satu sama lain.
Ini bermaksud bahawa zarah-zarah entah bagaimana menyimpan maklumat antara satu sama lain, dan tidak menukarnya, katakanlah, pada kelajuan cahaya menggunakan beberapa interaksi asas yang diketahui oleh sains. Albert Einstein menyebutnya "aksi menyeramkan pada jarak jauh." Zarah-zarah yang terikat melanggar prinsip lokaliti, yang mana keadaan objek hanya dapat dipengaruhi oleh lingkungannya yang dekat. Percanggahan ini dikaitkan dengan paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (menunjukkan ketidaklengkapan mekanisme kuantum dan kehadiran parameter tersembunyi di atas) dan merupakan salah satu kesukaran konsep utama (yang, bagaimanapun, tidak lagi dianggap sebagai paradoks) mekanik kuantum (sekurang-kurangnya dalam tafsirannya di Copenhagen)).
Skema eksperimen saintis Belanda
Foto: arXiv.org
Penyokong realisme tempatan berpendapat bahawa hanya pemboleh ubah tempatan yang boleh mempengaruhi zarah, dan korelasi antara zarah Alice dan Bob dilakukan menggunakan beberapa kaedah tersembunyi yang masih belum diketahui oleh para saintis. Tugas para saintis adalah untuk menolak kemungkinan ini secara eksperimen, khususnya, untuk mencegah penyebaran isyarat tersembunyi dari satu agen ke agen lain (dengan asumsi ia bergerak pada kelajuan cahaya dalam vakum - yang maksimum mungkin), dan dengan demikian menunjukkan bahawa perubahan dalam keadaan kuantum partikel kedua telah berlaku sebelum isyarat pendam dari zarah pertama dapat mencapai yang kedua.
Dalam praktiknya, ini bermaksud meletakkan Bob dan Alice pada jarak yang cukup jauh antara satu sama lain (sekurang-kurangnya puluhan meter). Ini menghalang penyebaran isyarat mengenai perubahan keadaan salah satu zarah sebelum mengukur keadaan yang lain (perangkap lokasi). Sementara itu, ketidaksempurnaan mengesan keadaan kuantum zarah tunggal (terutama foton) memberi ruang untuk celah sampel (atau pengesanan). Buat pertama kalinya, ahli fizik di Universiti Teknologi Delft berjaya mengelakkan dua kesukaran sekaligus.
Dalam eksperimen tersebut, kami menggunakan sepasang pengesan berlian dengan pemisah isyarat di antara mereka. Para saintis mengambil sepasang foton yang tidak terjerat dan menyebarkannya ke ruang yang berbeza. Kemudian masing-masing elektron terjerat dengan sepasang foton, yang kemudian dipindahkan ke ruang ketiga. Dalam proses eksperimen, adalah mungkin untuk memerhatikan bahawa perubahan keadaan (putaran) salah satu elektron mempengaruhi yang lain. Hanya dalam 220 jam (lebih dari 18 hari), ahli fizik telah menguji ketaksamaan Bell sebanyak 245 kali. Kuantiti elektron yang diperhatikan diukur menggunakan sinar laser.
Dalam eksperimen itu, adalah mungkin untuk mengukur keadaan kuantum partikel yang dipisahkan dengan jarak kira-kira 1.3 kilometer dan untuk menunjukkan kesahan ketidaksamaan Bell (iaitu kesahan teori kuantum dan kesilapan konsep realisme tempatan). Hasil kajian ini diterbitkan dalam jurnal Nature. Penulisnya diramalkan akan mendapat Hadiah Nobel dalam bidang fizik.
Kedudukan pengesan dalam eksperimen Belanda
Foto: arXiv.org
Pasukan dari Amerika Syarikat dan Austria telah bereksperimen dengan foton. Oleh itu, para saintis dari Institut Piawaian dan Teknologi Nasional dapat memecahkan rekod jarak teleportasi kuantum (penghantaran keadaan kuantum sistem dari jarak jauh) melalui kabel serat optik, membawanya pada jarak 102 kilometer. Untuk melakukan ini, para saintis menggunakan empat alat pengesan foton tunggal yang dibuat di institusi yang sama berdasarkan kawat nanowa superkonduktor (disejukkan hingga minus 272 darjah Celsius) yang terbuat dari molibdenum siliceous. Hanya satu peratus foton yang menempuh jarak 102 kilometer. Rekod sebelumnya untuk jarak teleportasi kuantum ke atas serat adalah 25 kilometer (untuk perbandingan: catatan untuk jarak teleportasi kuantum di udara adalah 144 kilometer).
Para saintis Austria menggunakan sensor yang lebih cekap daripada sensor Amerika, tetapi resolusi temporal dalam eksperimen ahli fizik dari AS jauh lebih tinggi. Tidak seperti ahli fizik Belanda, yang penyediaannya mencatat kira-kira satu peristiwa per jam, para saintis dari Amerika Syarikat dan Austria dapat melakukan lebih dari seribu ujian per saat, yang hampir menghilangkan korelasi peluang dalam hasil eksperimen.
Para saintis kini berusaha meningkatkan kecekapan eksperimen - mereka membawa zarah ke jarak yang jauh lebih besar dan meningkatkan frekuensi pengukuran. Malangnya, memanjangkan saluran optik menyebabkan kehilangan pecahan zarah yang dikesan dan sekali lagi menyedari bahaya celah pengesanan. Para saintis di Institut Piawaian dan Teknologi Nasional berusaha memerangi ini dengan menggunakan penjana nombor rawak kuantum dalam eksperimen. Dalam kes ini, tidak perlu membawa foton pada jarak jauh, dan teknologi yang dibuat akan berguna dalam kriptografi kuantum.
Andrey Borisov
