Tidak lama dahulu, ahli fizik menunjukkan hasil pertama dari misi QUESS dan satelit Mozi dilancarkan ke orbit dalam kerangka kerjanya, memberikan catatan pemisahan foton terjerat kuantum pada jarak lebih dari 1200 km. Di masa depan, ini mungkin menyebabkan terciptanya saluran komunikasi kuantum antara Beijing dan Eropah.
Dunia di sekitarnya besar dan pelbagai - begitu beragam sehingga undang-undang muncul pada beberapa skala yang sama sekali tidak dapat difikirkan oleh orang lain. Undang-undang politik dan Beatlemania tidak mengikut struktur atom dengan cara apa pun - keterangan mereka memerlukan "formula" dan prinsip mereka sendiri. Sukar untuk membayangkan bahawa epal - objek makroskopik yang tingkah lakunya biasanya mengikuti undang-undang mekanik Newtonian - mengambil dan menghilang, bergabung dengan epal lain, berubah menjadi nanas. Namun, fenomena paradoks seperti itulah yang menampakkan diri pada tahap zarah unsur. Setelah mengetahui bahawa epal ini berwarna merah, tidak mungkin kita bertukar menjadi hijau yang lain, yang terletak di suatu tempat di orbit. Namun inilah sebenarnya fenomena keterikatan kuantum berfungsi, dan inilah yang ditunjukkan oleh ahli fizik China, dengan karya yang kita mulakan perbualan kita. Mari cuba mengetahuinyaapa itu dan bagaimana ia dapat menolong manusia.
Bohr, Einstein dan lain-lain
Dunia di sekitarnya bersifat tempatan - dengan kata lain, agar sesuatu objek yang jauh berubah, ia mesti berinteraksi dengan objek yang lain. Lebih-lebih lagi, tidak ada interaksi yang dapat merebak lebih cepat daripada cahaya: ini menjadikan realiti fizikal setempat. Sebiji epal tidak boleh menampar kepala Newton tanpa mencapainya secara fizikal. Suara suria tidak dapat mempengaruhi operasi satelit secara langsung: zarah-zarah yang dicas harus menutup jarak ke Bumi dan berinteraksi dengan zarah elektronik dan atmosfera. Tetapi di dunia kuantum, lokaliti dilanggar.
Paradoks dunia zarah unsur yang paling terkenal adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang mana mustahil untuk menentukan dengan tepat nilai kedua-dua ciri "pasangan" sistem kuantum. Kedudukan di ruang (koordinat) atau kelajuan dan arah pergerakan (impuls), arus atau voltan, besarnya komponen elektrik atau magnet medan - semua ini adalah parameter "pelengkap", dan semakin tepat kita mengukur salah satu daripadanya, semakin kurang pasti kedua akan menjadi.
Suatu ketika dahulu, prinsip ketidakpastian inilah yang menyebabkan salah faham Einstein dan keberatan skeptisnya yang terkenal "Tuhan tidak bermain dadu." Namun, sepertinya bermain: semua eksperimen yang diketahui, pemerhatian dan pengiraan tidak langsung dan langsung menunjukkan bahawa prinsip ketidakpastian adalah akibat dari ketidaktentuan asas dunia kita. Dan sekali lagi kita sampai pada perbezaan antara skala dan tahap realiti: di mana kita ada, semuanya pasti: jika anda melepaskan jari dan melepaskan epal, ia akan jatuh, tertarik dengan graviti Bumi. Tetapi pada tahap yang lebih dalam, tidak ada sebab dan akibat, dan hanya ada tarian kebarangkalian.
Video promosi:
Paradoks keadaan zarah terjerat kuantum terletak pada kenyataan bahawa "pukulan ke kepala" dapat berlaku tepat serentak dengan pemisahan epal dari cabang. Penglibatan tidak bersifat lokal, dan mengubah objek di satu tempat dengan serta-merta - dan tanpa interaksi yang jelas - mengubah objek lain sepenuhnya di tempat lain. Secara teorinya, kita dapat membawa salah satu zarah yang terjerat setidaknya ke ujung Alam Semesta yang lain, tetapi bagaimanapun, jika kita "menyentuh" pasangannya, yang tinggal di Bumi, dan zarah kedua akan bertindak balas dengan serta-merta. Tidak mudah bagi Einstein untuk mempercayai ini, dan hujahnya dengan Niels Bohr dan rakan-rakannya dari "kem" mekanik kuantum menjadi salah satu mata pelajaran yang paling menarik dalam sejarah sains moden. "Realiti pasti," seperti yang dikatakan oleh Einstein dan penyokongnya, "hanya model, persamaan dan alat kami yang tidak sempurna." "Model boleh jadi apa-apa,tetapi realiti itu sendiri di dasar dunia kita tidak pernah ditentukan sepenuhnya,”para penganut mekanika kuantum keberatan.
Menentang paradoksnya, pada tahun 1935 Einstein, bersama dengan Boris Podolsky dan Nathan Rosen, merumuskan paradoksnya sendiri. "Baiklah," mereka beralasan, "katakan tidak mustahil untuk mengetahui koordinat dan momentum zarah pada masa yang sama. Tetapi bagaimana jika kita mempunyai dua zarah yang sama, yang keadaannya sama? Kemudian kita dapat mengukur momentum satu, yang secara tidak langsung akan memberi kita maklumat mengenai momentum yang lain, dan koordinat yang lain, yang akan memberi pengetahuan tentang koordinat yang pertama. " Partikel-partikel seperti itu adalah pembinaan spekulatif semata-mata, percubaan pemikiran - mungkin itu sebabnya Niels Bohr (atau lebih tepatnya, pengikutnya) berjaya menemui jawapan yang tepat hanya 30 tahun kemudian.
Mungkin spektrum pertama paradoks mekanikal kuantum diperhatikan oleh Heinrich Hertz, yang menyedari bahawa jika elektrod jurang percikan diterangi dengan cahaya ultraviolet, perjalanan percikan api terasa lebih mudah. Eksperimen Stoletov, Thomson dan ahli fizik hebat lain memungkinkan untuk memahami bahawa ini berlaku kerana fakta bahawa, di bawah pengaruh radiasi, bahan memancarkan elektron. Namun, ini sama sekali berbeza dengan apa yang dicadangkan oleh logik; sebagai contoh, tenaga elektron yang dibebaskan tidak akan lebih tinggi jika kita meningkatkan intensiti radiasi, tetapi akan meningkat jika kita menurunkan frekuensi. Meningkatkan frekuensi ini, kita sampai di sempadan, di mana bahan tersebut tidak menunjukkan kesan foto - tahap ini berbeza untuk bahan yang berbeza.
Einstein berjaya menjelaskan fenomena ini, di mana dia dianugerahkan Hadiah Nobel. Mereka dihubungkan dengan kuantisasi tenaga - dengan fakta bahawa ia dapat disebarkan hanya oleh "bahagian mikro" tertentu, quanta. Setiap foton radiasi membawa tenaga tertentu, dan jika cukup, elektron atom yang menyerapnya akan terbang bebas. Tenaga foton berkadar songsang dengan panjang gelombang, dan apabila batas kesan fotolistrik tercapai, ia tidak lagi cukup bahkan untuk memberi elektron tenaga minimum yang diperlukan untuk output. Hari ini kita dapati fenomena ini di mana-mana sahaja - dalam bentuk panel suria, fotocell yang berfungsi tepat berdasarkan kesan ini.
Eksperimen, tafsiran, mistik
Pada pertengahan tahun 1960-an, John Bell menjadi tertarik dengan masalah ketidaklokalan dalam mekanik kuantum. Dia dapat menawarkan asas matematik untuk eksperimen yang benar-benar layak, yang harus diakhiri dengan salah satu hasil alternatif. Hasil pertama "berjaya" jika prinsip lokaliti benar-benar dilanggar, yang kedua - jika, bagaimanapun, ia selalu berfungsi dan kita harus mencari beberapa teori lain untuk menggambarkan dunia zarah. Sudah pada awal 1970-an, eksperimen seperti itu dilakukan oleh Stuart Friedman dan John Clauser, dan kemudian oleh Alain Aspan. Sederhananya, tugasnya adalah membuat pasangan foton yang terjerat dan mengukur putarannya, satu demi satu. Pemerhatian statistik menunjukkan bahawa putaran tidak bebas, tetapi saling berhubungan antara satu sama lain. Eksperimen sedemikian telah dilakukan hampir berterusan sejak itu,lebih tepat dan sempurna - dan hasilnya sama.
Perlu ditambahkan bahawa mekanisme yang menjelaskan keterlibatan kuantum masih belum jelas, hanya ada fenomena - dan tafsiran yang berbeza memberikan penjelasan mereka. Oleh itu, dalam tafsiran mekanik kuantum di banyak dunia, zarah-zarah yang terjerat hanyalah unjuran keadaan yang mungkin dari satu zarah tunggal di alam semesta selari yang lain. Dalam tafsiran transaksional, zarah-zarah ini dihubungkan oleh gelombang masa yang berdiri. Bagi "mistik mistik" fenomena keterikatan adalah satu lagi alasan untuk menganggap asas dunia yang paradoks sebagai cara untuk menjelaskan segala sesuatu yang tidak dapat difahami, dari zarah-zarah dasar itu sendiri hingga kesedaran manusia. Ahli mistik dapat memahami: jika anda memikirkannya, maka akibatnya adalah pening.
Eksperimen sederhana Clauser-Friedman menunjukkan bahawa lokasi dunia fizikal pada skala zarah unsur dapat dilanggar, dan asas realiti ternyata - kepada kengerian Einstein - samar-samar dan tidak terbatas. Ini tidak bermaksud bahawa interaksi atau maklumat dapat dihantar dengan serta-merta, dengan mengorbankan keterlibatan. Pemisahan zarah-zarah yang terjerat dalam ruang berlaku pada kelajuan normal, hasil pengukurannya secara rawak, dan sehingga kita mengukur satu zarah, yang kedua tidak akan mengandungi maklumat mengenai hasil masa depan. Dari sudut pandangan penerima zarah kedua, hasilnya benar-benar rawak. Mengapa semua ini menarik minat kita?
Cara menguraikan zarah: Ambil kristal dengan sifat optik bukan linier - iaitu, interaksi cahaya yang bergantung pada intensiti cahaya ini. Contohnya, lithium triborate, barium beta borate, potassium niobate. Memancarkannya dengan laser dengan panjang gelombang yang sesuai dan foton bertenaga tinggi radiasi laser kadang-kadang akan merosot menjadi pasang foton terjerat dengan tenaga yang lebih rendah (fenomena ini disebut "hamburan parametrik spontan") dan terpolarisasi dalam satah tegak lurus. Yang tinggal hanyalah menjaga agar zarah-zarah yang terjerat tetap utuh dan menyebarkannya sejauh mungkin.
Nampaknya kita menjatuhkan epal ketika bercakap mengenai prinsip ketidakpastian? Angkat dan lemparkan ke dinding - tentu saja, ia akan pecah, kerana dalam makrokosma paradoks mekanikal kuantum lain - tunneling - tidak berfungsi. Semasa melakukan terowong, zarah dapat mengatasi penghalang tenaga yang lebih tinggi daripada tenaganya sendiri. Analogi dengan epal dan dinding, tentu saja, sangat hampir, tetapi jelas: kesan terowong membolehkan foton menembus ke dalam media pantulan, dan elektron untuk "mengabaikan" lapisan tipis aluminium oksida yang menutupi wayar dan sebenarnya adalah dielektrik.
Logik kita sehari-hari dan undang-undang fizik klasik tidak begitu berlaku untuk paradoks kuantum, tetapi ia masih berfungsi dan banyak digunakan dalam teknologi. Ahli fizik nampaknya telah memutuskan (buat sementara waktu): walaupun kita belum mengetahui sepenuhnya cara kerjanya, faedahnya dapat diperoleh daripadanya hari ini. Kesan terowong mendasari pengoperasian beberapa mikrocip moden - dalam bentuk terowong dioda dan transistor, simpang terowong, dan lain-lain. Dan, tentu saja, kita tidak boleh lupa untuk mengimbas mikroskop terowong, di mana penyusunan partikel memberikan pemerhatian molekul dan atom individu - dan bahkan manipulasi oleh mereka.
Komunikasi, teleportasi dan satelit
Betul, mari kita bayangkan bahawa kita telah "menjerat kuantum" dua epal: jika epal pertama berubah menjadi merah, maka yang kedua semestinya berwarna hijau, dan sebaliknya. Kita boleh menghantar dari Petersburg ke Moscow, menjaga keadaan mereka yang keliru, tetapi sepertinya itu semua. Hanya apabila di St Petersburg sebiji epal diukur sebagai merah, yang kedua akan menjadi hijau di Moscow. Sehingga saat pengukuran, tidak ada kemungkinan untuk meramalkan keadaan epal, kerana (semua paradoks yang sama!) Mereka tidak mempunyai keadaan yang paling pasti. Apa gunanya keterikatan ini?.. Dan pengertiannya sudah ditemukan pada tahun 2000-an, ketika Andrew Jordan dan Alexander Korotkov, yang bergantung pada idea ahli fizik Soviet, menemukan cara untuk mengukur, "tidak sampai akhir", dan oleh itu untuk memperbaiki keadaan zarah.
Dengan menggunakan "pengukuran kuantum yang lemah", Anda dapat, seperti dulu, melihat sebiji epal dengan setengah mata, melihat sekilas, mencoba menebak warnanya. Anda boleh melakukannya berulang kali, tanpa melihat epal dengan betul, tetapi dengan yakinnya memutuskan bahawa ia, misalnya, berwarna merah, yang bermaksud bahawa sebiji epal di Moscow yang keliru akan berwarna hijau. Ini membolehkan partikel yang terjerat digunakan berulang-ulang kali, dan kaedah yang dicadangkan kira-kira 10 tahun yang lalu membolehkannya disimpan dengan berjalan dalam bulatan untuk jangka masa yang panjang. Masih ada yang membawa salah satu zarah - dan mendapatkan sistem yang sangat berguna.
Secara terus terang, nampaknya zarah-zarah yang terjerat jauh lebih berguna daripada yang biasa difikirkan, hanya khayalan kita yang sedikit, yang dibatasi oleh skala realiti makroskopik yang sama, tidak membenarkan kita menghasilkan aplikasi yang sebenarnya untuknya. Walau bagaimanapun, cadangan yang ada cukup hebat. Oleh itu, berdasarkan zarah-zarah yang terjerat, adalah mungkin untuk mengatur saluran untuk teleportasi kuantum, "pembacaan" lengkap keadaan kuantum satu objek dan "merekam" ke objek lain, seolah-olah yang pertama hanya dipindahkan ke jarak yang sesuai. Prospek kriptografi kuantum lebih realistik, algoritma yang menjanjikan saluran komunikasi yang hampir "tidak dapat dipecahkan": sebarang gangguan dalam kerja mereka akan mempengaruhi keadaan zarah-zarah yang terjerat dan akan segera diperhatikan oleh pemiliknya. Di sinilah QESS eksperimen China (Quantum Experiments at Space Scale) dimainkan.
Komputer dan satelit
Masalahnya ialah, di Bumi, sukar untuk membuat sambungan yang boleh dipercayai untuk zarah-zarah yang terjerat yang berjauhan. Walaupun pada gentian optik yang paling maju, di mana foton dihantar, isyarat secara beransur-ansur memudar, dan keperluan untuknya sangat tinggi di sini. Para saintis China bahkan mengira bahawa jika anda membuat foton yang terjerat dan menghantarnya ke dua arah dengan bahu panjang sekitar 600 km - setengah jarak dari pusat sains kuantum di Dalinghe ke pusat-pusat di Shenzhen dan Lijiang - maka anda boleh menjangkakan pasangan yang terjerat itu sekitar 30 seribu tahun. Ruang adalah perkara lain, dalam ruang kosong di mana foton terbang sejauh itu tanpa menghadapi halangan. Dan kemudian satelit eksperimen Mozi ("Mo-Tzu") memasuki tempat kejadian.
Sumber (laser dan kristal tidak linear) dipasang di kapal angkasa, yang setiap saat menghasilkan beberapa juta pasang foton yang terjerat. Dari jarak 500 hingga 1700 km, beberapa foton ini dikirim ke observatorium darat di Deling di Tibet, dan yang kedua - di Shenzhen dan Lijiang di selatan China. Seperti yang dijangkakan, kehilangan zarah utama berlaku di lapisan atmosfera yang lebih rendah, tetapi jarak ini hanya sekitar 10 km dari setiap jalur sinar. Akibatnya, saluran zarah-zarah yang terjerat meliputi jarak dari Tibet ke selatan negara itu - sekitar 1200 km, dan pada bulan November tahun ini sebuah barisan baru dibuka yang menghubungkan provinsi Anhui di timur dengan wilayah tengah Hubei. Setakat ini, saluran tersebut tidak mempunyai kebolehpercayaan, tetapi ini sudah menjadi masalah teknologi.
Dalam masa terdekat, orang Cina merancang untuk melancarkan satelit yang lebih maju untuk mengatur saluran tersebut dan berjanji bahawa tidak lama lagi kita akan melihat hubungan kuantum yang berfungsi antara Beijing dan Brussels, sebenarnya, dari satu hujung benua ke ujung lain. Paradoks mekanik kuantum lain yang "mustahil" menjanjikan satu lagi lompatan dalam teknologi.
Sergey Vasiliev
