Не так давно физики продемонстрировали первые результаты миссии QUESS, в рамках которой на орбиту был выведен спутник «Мициус», установивший рекорд разделения квантово-запутанных фотонов на расстоянии более 1200 километров. В будущем это может привести к созданию линий квантовой связи между Пекином и Европой.
Мир вокруг нас огромен и разнообразен — настолько разнообразен, что закономерности, возникающие в одних масштабах, совершенно немыслимы в других. Политическое право и битломания никоим образом не следуют атомарным структурам — их описание требует своей «формулы» и своих принципов. Трудно представить, чтобы такой макроскопический объект, как яблоко, поведение которого обычно подчиняется законам механики Ньютона, мог исчезнуть и слиться с другим яблоком, став ананасом. В то же время именно это парадоксальное явление проявляется на уровне элементарных частиц. Зная, что это яблоко красное, мы снижаем вероятность того, что другое яблоко где-то на орбите станет зеленым. В то же время именно так работает явление квантовой запутанности, и именно это доказал китайский физик, начавший наш разговор. Попробуем разобраться, что это такое и чем оно помогает человечеству.
Бор, Эйнштейн и другие
Мир вокруг нас локальный — иными словами, чтобы какой-то удаленный объект изменился, он должен взаимодействовать с другим объектом. Более того, никакое взаимодействие не может двигаться быстрее скорости света: вот почему физическая реальность локализована. Эппл не могла ударить Ньютона по голове, не прикоснувшись к нему. Солнечные вспышки не оказывают немедленного влияния на работу спутников: заряженные частицы должны преодолевать большие расстояния до Земли и взаимодействовать с электронами и атмосферными частицами. Но в квантовом мире локальность нарушена.
Самый известный парадокс мира элементарных частиц можно назвать принципом неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно точно определить значение двух «парных» свойств квантовой системы. Положение в пространстве (координаты) или скорость и направление движения (импульсы), ток или напряжение, величина электрической или магнитной составляющей поля — все это «дополнительные» параметры, и чем точнее мы измеряем один из них, тем Второе становится более неопределенным.
Когда-то именно принцип неопределенности привел к неправильному пониманию Эйнштейна и его знаменитому скептическому возражению о том, что «Бог не играет в кости». Однако, похоже, это работает: все известные эксперименты, косвенные и прямые наблюдения и расчеты показывают, что принцип неопределенности является следствием фундаментальной неопределенности нашего мира. Мы снова сталкиваемся с различием масштабов и уровней реальности: там, где мы существуем, все достаточно определенно: если вы поднимете палец и отпустите яблоко, оно притянется земной гравитацией и упадет. Но на более глубоком уровне причинно-следственной связи вообще нет, это просто танец вероятности.
Парадокс квантовой запутанности частиц состоит в том, что «удар по голове» может произойти одновременно с отрывом яблока от ветки. Запутывание нелокально, и изменение объекта в одном месте немедленно (и без какого-либо видимого взаимодействия) меняет другой объект в совершенно другом месте. Теоретически мы могли бы даже отнести одну из запутанных частиц на другой конец Вселенной, но как только мы «прикасаемся» к ее партнеру, оставшемуся на Земле, тут же реагирует вторая частица. Самому Эйнштейну в это было трудно поверить, и его споры с Нильсом Бором и его коллегами по «лагерю» квантовой механики стали одной из самых захватывающих историй в истории современной науки. Как говорили Эйнштейн и его сторонники: «Реальность определена, просто наши модели, уравнения и инструменты несовершенны». — возражают сторонники квантовой механики.
В 1935 году Эйнштейн предложил свой парадокс в противовес ему вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном. «Хорошо, — рассуждали они, — предположим, что невозможно одновременно знать и координаты, и импульс частицы. Но что, если у нас есть две частицы с одинаковым происхождением и одинаковым состоянием? Тогда мы сможем измерить импульс? одна, которая косвенно дала бы нам информацию об импульсе другой и координатах другой, даст нам представление о координатах первой. «Эти частицы — чисто умозрительная конструкция, мысленный эксперимент — может быть поэтому Ни Бору (точнее, его последователям) было всего 30 лет. Спустя несколько лет мне удалось найти ценный ответ.
Возможно, первый призрак квантовомеханического парадокса наблюдался Генрихом Герцем, который заметил, что если бы электроды разрядника были освещены ультрафиолетовым светом, прохождение искр было бы значительно легче. Эксперименты Столетова, Томсона и других великих физиков привели к пониманию того, что это происходит за счет испускания электронов веществом под действием излучения. Однако это совершенно не логично. Например, если мы увеличим интенсивность излучения, энергия высвободившегося электрона не будет выше, но если мы уменьшим его частоту, она увеличится. Увеличивая эту частоту, мы достигнем предела, при котором материал не проявляет фотоэлектрического эффекта — этот уровень различен для разных материалов.
Эйнштейн смог объяснить эти явления и получил за это Нобелевскую премию. Они связаны с квантованием энергии – с тем, что энергия может передаваться только в виде определенных «микрочастиц» (квантов). Каждый фотон излучения несет определенное количество энергии, и если энергии достаточно, электроны поглощающих его атомов будут летать свободно. Энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны, и когда достигается предел фотоэлектрического эффекта, даже минимальной энергии, необходимой для передачи энергии электрону, становится недостаточно. Сегодня мы сталкиваемся с этим явлением повсюду – в виде солнечных батарей, фотоэлементы которых работают на этом эффекте.
Эксперименты, интерпретации, мистика
В середине 1960-х годов Джон Белл заинтересовался нелокальными проблемами квантовой механики. Ему удалось найти математическую основу для вполне осуществимого эксперимента, который должен закончиться одним из альтернативных результатов. Первый результат «справедлив», если принцип локальности действительно нарушен, а второй — если он ведь справедлив всегда, и нам приходится искать другие теории для описания мира частиц. Такие эксперименты были проведены еще в начале 1970-х годов Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером, а позже экспериментом Алена Аспина. Короче говоря, задача состоит в том, чтобы создать пару запутанных фотонов и измерить их спины один за другим. Статистические наблюдения показывают, что спины не свободны, а связаны друг с другом. С тех пор подобные эксперименты проводились практически непрерывно, с возрастающей точностью и совершенством – с одним и тем же результатом.
Стоит добавить, что механизмы, объясняющие квантовую запутанность, остаются неясными, явление только одно — и разные объяснения предлагают свои объяснения. Следовательно, в многомировой интерпретации квантовой механики запутанные частицы — это просто проекции возможных состояний отдельной частицы в других параллельных вселенных. В транзакционной интерпретации эти частицы связаны со стоячими волнами времени. Для «квантовых мистиков» явление запутанности является еще одним поводом рассматривать парадоксальные основы мира, как способ объяснения непостижимого всего, от самих элементарных частиц до человеческого сознания. Тайну можно понять: если подумать, от последствий закружится голова.
Простой эксперимент Кроутера-Фридмана показал, что локальность физического мира на уровне элементарных частиц может быть нарушена, а основы реальности становятся затемненными и неопределенными — к ужасу Эйнштейна. Это не означает, что взаимодействие или информация передаются немедленно, но за счет запутанности. Распространение запутанных частиц в пространстве происходит с обычной скоростью, результаты измерений случайны, и пока мы не измерим одну частицу, вторая частица не будет содержать никакой информации о будущих результатах. С точки зрения приемника второй частицы результат совершенно случайен. Почему все это нас интересует?
Как запутать частицы: используйте кристаллы с нелинейными оптическими свойствами, то есть кристаллы, взаимодействие которых со светом зависит от интенсивности света. Например, триборат лития, бета-борат бария, ниобат калия. При освещении его лазером соответствующей длины волны фотоны высокой энергии в лазере иногда распадаются на низкоэнергетические пары запутанных фотонов (явление, называемое «спонтанное параметрическое рассеяние») и поляризуются в вертикальной плоскости. Остается только сохранить запутанные частицы в целости и раздвинуть их как можно дальше друг от друга.
Мы словно уронили яблоко, когда говорили о принципе неопределенности? Поднимите его и швырните о стену — он, конечно, разобьется, потому что в макроскопическом мире не работает другой квантовомеханический парадокс — туннельный эффект. При туннелировании частицы способны преодолевать энергетические барьеры, превышающие их собственную энергию. Конечно, аналогия «яблоко со стеной» очень близка, но она очевидна: эффект туннелирования позволяет фотонам проникать в отражающую среду, при этом электроны «не замечают», что пленка оксида алюминия, покрывающая провода, на самом деле является диэлектриком.
Наша повседневная логика и законы классической физики менее применимы к квантовым парадоксам, но они по-прежнему актуальны и широко используются в технике. Физики, кажется, решили (предварительно), что, хотя мы еще не совсем знаем, как это работает, мы можем извлечь из этого выгоду уже сегодня. Эффект туннелирования является фундаментальным для работы некоторых современных микрочипов — туннельных диодов, транзисторов, туннельных переходов и т д., и, конечно, нельзя забывать о сканирующей туннельной микроскопии, где туннелирование частиц позволяет наблюдать отдельные молекулы и атомы – даже манипулировать ими.
Коммуникация, телепортация и спутник
В самом деле, представим, что у нас есть два «квантово запутанных» яблока: если первое яблоко красное, то второе яблоко должно быть зеленым, и наоборот. Мы могли бы послать человека из Петербурга в Москву и держать их в беспорядке, но, кажется, и всё. Только если в Петербурге одно яблоко измерить красным, то в Москве второе яблоко станет зеленым. Перед измерением невозможно предсказать состояние яблок, потому что (тот же парадокс!) у них нет четко определенного состояния. Какой смысл в этой путанице? …Это ощущение было обнаружено еще в 2000-х годах, когда Эндрю Джордан и Александр Коротков, опираясь на идеи советских физиков, нашли «неполный» метод измерения, а значит, и регистрации состояния частицы.
Используя «слабые квантовые измерения», вы можете кратко взглянуть на яблоко половиной глаза и попытаться угадать его цвет. Вы можете делать это снова и снова, даже не глядя на яблоко правильно, но вы можете быть вполне уверены, что оно, скажем, красное, а это значит, что яблоко, с которым его путают в Москве, будет зеленым. Это позволяет использовать запутанные частицы снова и снова, а метод, предложенный около десяти лет назад, позволяет хранить их, бегая по кругу бесконечно. Остается только отодвинуть одну из частиц дальше, и вы получите чрезвычайно полезную систему.
Честно говоря, есть ощущение, что запутанные частицы гораздо полезнее, чем обычно думают, просто наше ограниченное воображение, ограниченное одним и тем же макроскопическим масштабом реальности, не позволяет нам думать о их практическом применении. Однако существующие предложения фантастические. Следовательно, на основе запутанных частиц можно организовать каналы квантовой телепортации, полностью «считывающие» квантовое состояние одного объекта и «записывающие» его в другой объект, как если бы первый объект был просто телепортирован на соответствующее расстояние. Более реалистичной является перспектива квантовой криптографии, алгоритмы которой обещают практически «невзломаемые» каналы связи: любое нарушение в ее работе повлияет на состояние запутанных частиц и будет немедленно замечено владельцем. Вот тут-то и вступает в игру китайский эксперимент QESS (Квантовый эксперимент космического масштаба»).
Компьютеры и спутники
Проблема в том, что на Земле сложно установить надежную связь между запутанными частицами, разделенными большими расстояниями. Даже при передаче фотонов по современным оптическим волокнам сигнал постепенно затухает, что делает требования к этому особенно высокими. Китайские учёные даже подсчитали, что если они создадут запутанные фотоны и отправят их в обе стороны с помощью рук длиной около 600 километров — половина расстояния от Центра квантовой науки на реке Дэлин до центров Шэньчжэня и Лицзяна — то можно ожидать захвата запутанных фотонов фотоны. Около 30 000 лет спаривания. Пространство другое. В глубоком вакууме фотоны могут летать на такие большие расстояния, не встречая никаких препятствий. Позже появился экспериментальный спутник «Мози»).
Источник (лазер и нелинейный кристалл), установленный на космическом орбитальном аппарате, генерирует миллионы пар запутанных фотонов в секунду. С расстояний от 500 до 1700 километров часть фотонов была отправлена на наземную наблюдательную станцию на реке Дэлин в Тибете, а другая — в Шэньчжэнь и Лицзян на юге Китая. Как и ожидалось, большая часть потерь частиц происходит в нижних слоях атмосферы, но всего лишь на расстоянии около 10 километров на пути каждого фотонного луча. В результате канал запутанных частиц охватывает расстояние около 1200 километров от Тибета до южного Китая, а в ноябре этого года была открыта новая линия, соединяющая восточную провинцию Аньхой с центральной провинцией Хубэй. Пока каналу не хватает надежности, но это технический вопрос.
В ближайшем будущем Китай планирует запустить более совершенные спутники для организации таких каналов, обещая, что вскоре мы увидим эффективную квантовую связь между Пекином и Брюсселем, да и вообще, с одного конца континента на другой. Еще один «невозможный» парадокс квантовой механики знаменует новый скачок вперед в технологии.