Nog niet zo lang geleden toonden natuurkundigen de eerste resultaten van de QUESS-missie en de Mozi-satelliet die in zijn raamwerk in een baan om de aarde werd gelanceerd, waardoor een recordscheiding van kwantumverstrengelde fotonen op een afstand van meer dan 1200 km werd verkregen. Dit zou in de toekomst kunnen leiden tot de aanleg van een kwantumcommunicatielijn tussen Peking en Europa.
De wereld om ons heen is groot en divers - zo divers dat op sommige schalen wetten verschijnen die voor andere volkomen ondenkbaar zijn. De wetten van de politiek en de Beatlemania volgen op geen enkele manier uit de structuur van het atoom - hun beschrijving vereist hun eigen "formules" en hun eigen principes. Het is moeilijk voor te stellen dat een appel - een macroscopisch object waarvan het gedrag gewoonlijk de wetten van de Newtoniaanse mechanica volgt - nam en verdween, samenging met een andere appel en in een ananas veranderde. En toch zijn het precies zulke paradoxale verschijnselen die zich manifesteren op het niveau van elementaire deeltjes. Nadat we hebben geleerd dat deze appel rood is, is het onwaarschijnlijk dat we een andere groen zullen worden, ergens in een baan om de aarde. Ondertussen is dit precies hoe het fenomeen van kwantumverstrengeling werkt, en dit is precies wat de Chinese natuurkundigen, met wiens werk we ons gesprek begonnen, hebben aangetoond. Laten we proberen het uit te zoekenwat is het en hoe kan het de mensheid helpen.
Bohr, Einstein en anderen
De wereld eromheen is lokaal - met andere woorden, om een ver object te laten veranderen, moet het in wisselwerking staan met een ander object. Bovendien kan geen enkele interactie zich sneller voortplanten dan licht: dit maakt de fysieke werkelijkheid lokaal. Een appel kan Newton niet op zijn kop slaan zonder hem fysiek te bereiken. Een zonnevlam kan de werking van satellieten niet onmiddellijk beïnvloeden: geladen deeltjes zullen de afstand tot de aarde moeten afleggen en interageren met elektronica en atmosferische deeltjes. Maar in de kwantumwereld wordt de lokaliteit geschonden.
De bekendste van de paradoxen van de wereld van elementaire deeltjes is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, volgens welke het onmogelijk is om nauwkeurig de waarde van beide "paar" -kenmerken van een kwantumsysteem te bepalen. Positie in de ruimte (coördinaat) of snelheid en bewegingsrichting (impuls), stroom of spanning, de grootte van de elektrische of magnetische component van het veld - dit zijn allemaal 'complementaire' parameters, en hoe nauwkeuriger we een ervan meten, hoe minder zeker de tweede zal worden.
Er was eens het onzekerheidsprincipe dat Einsteins misverstand veroorzaakte en zijn beroemde sceptische bezwaar 'God dobbelt niet'. Het lijkt echter te spelen: alle bekende experimenten, indirecte en directe waarnemingen en berekeningen geven aan dat het principe van onzekerheid een gevolg is van de fundamentele onbepaaldheid van onze wereld. En opnieuw komen we bij een discrepantie tussen de schalen en niveaus van de werkelijkheid: waar we bestaan, is alles vrij zeker: als je je vingers losmaakt en de appel loslaat, zal hij vallen, aangetrokken door de zwaartekracht van de aarde. Maar op een dieper niveau zijn er gewoon geen oorzaken en gevolgen, maar er is alleen een dans van waarschijnlijkheden.
Promotie video:
De paradox van de kwantumverstrengelde toestand van deeltjes ligt in het feit dat de "klap op de kop" precies gelijktijdig kan plaatsvinden met het scheiden van de appel van de tak. Verstrengeling is niet lokaal, en het veranderen van een object op de ene plaats onmiddellijk - en zonder enige duidelijke interactie - verandert een ander object volledig op een andere. Theoretisch kunnen we een van de verstrengelde deeltjes tenminste naar het andere uiteinde van het universum dragen, maar hoe dan ook, als we zijn partner, die op aarde bleef, 'aanraken', en het tweede deeltje onmiddellijk zal reageren. Het was voor Einstein niet gemakkelijk om dit te geloven, en zijn argument met Niels Bohr en collega's uit het "kamp" van de kwantummechanica werd een van de meest fascinerende onderwerpen in de moderne geschiedenis van de wetenschap. "De realiteit is zeker", zoals Einstein en zijn aanhangers zouden zeggen, "alleen onze modellen, vergelijkingen en hulpmiddelen zijn onvolmaakt." "Modellen kunnen van alles zijn,maar de realiteit zelf aan de basis van onze wereld is nooit volledig bepaald ', wierpen de aanhangers van de kwantummechanica tegen.
Tegenover de paradoxen ervan formuleerde Einstein, samen met Boris Podolsky en Nathan Rosen, in 1935 zijn eigen paradox. "Oké", redeneerden ze, "laten we zeggen dat het onmogelijk is om de coördinaat en het momentum van een deeltje tegelijkertijd te achterhalen. Maar wat als we twee deeltjes van gemeenschappelijke oorsprong hebben, waarvan de staten identiek zijn? Dan kunnen we het momentum van de ene meten, wat ons indirect informatie zal geven over het momentum van de ander, en de coördinaat van de andere, die kennis zal geven van de coördinaat van de eerste. " Zulke deeltjes waren een puur speculatieve constructie, een gedachte-experiment - misschien is dat de reden waarom Niels Bohr (of liever zijn volgelingen) er pas 30 jaar later in slaagde een fatsoenlijk antwoord te vinden.
Misschien werd het eerste spook van kwantummechanische paradoxen waargenomen door Heinrich Hertz, die opmerkte dat als de vonkbrug-elektroden werden verlicht met ultraviolet licht, de doorgang van de vonk merkbaar gemakkelijker was. De experimenten van Stoletov, Thomson en andere grote natuurkundigen maakten het mogelijk om te begrijpen dat dit gebeurt doordat materie onder invloed van straling elektronen uitzendt. Dit is echter totaal anders dan wat de logica suggereert; de energie van de vrijgekomen elektronen zal bijvoorbeeld niet hoger zijn als we de stralingsintensiteit verhogen, maar het zal toenemen als we de frequentie ervan verlagen. Door deze frequentie te verhogen, komen we bij de grens, waarboven de stof geen foto-effect vertoont - dit niveau is anders voor verschillende stoffen.
Einstein kon deze verschijnselen verklaren, waarvoor hij de Nobelprijs ontving. Ze zijn verbonden met de kwantisering van energie - met het feit dat het alleen kan worden overgedragen door bepaalde "microdeeltjes", quanta. Elk foton van straling draagt een bepaalde energie, en als het genoeg is, zal het elektron van het atoom dat het heeft geabsorbeerd naar de vrijheid vliegen. De energie van de fotonen is omgekeerd evenredig met de golflengte, en wanneer de grens van het foto-elektrisch effect wordt bereikt, is het niet langer voldoende om het elektron zelfs de minimale energie te geven die nodig is voor de uitvoer. Tegenwoordig komt dit fenomeen overal voor - in de vorm van zonnepanelen, waarvan de fotocellen precies op basis van dit effect werken.
Experimenten, interpretaties, mystiek
Halverwege de jaren zestig raakte John Bell geïnteresseerd in het probleem van niet-lokaliteit in de kwantummechanica. Hij kon een wiskundige basis bieden voor een volledig uitvoerbaar experiment, dat zou moeten eindigen met een van de alternatieve resultaten. Het eerste resultaat 'werkte' als het lokaliteitsprincipe echt wordt geschonden, het tweede - als het niettemin altijd werkt en we moeten zoeken naar een andere theorie om de wereld van deeltjes te beschrijven. Al in het begin van de jaren zeventig werden dergelijke experimenten uitgevoerd door Stuart Friedman en John Clauser, en vervolgens door Alain Aspan. Simpel gezegd, de taak was om paren verstrengelde fotonen te creëren en hun spins een voor een te meten. Statistische waarnemingen hebben aangetoond dat de spins niet gratis zijn, maar met elkaar gecorreleerd. Dergelijke experimenten zijn sindsdien vrijwel continu uitgevoerd,steeds nauwkeuriger en perfecter - en het resultaat is hetzelfde.
Hieraan moet worden toegevoegd dat het mechanisme dat kwantumverstrengeling verklaart, nog steeds onduidelijk is, er is alleen een fenomeen - en verschillende interpretaties geven hun verklaringen. In de veelwereldeninterpretatie van de kwantummechanica zijn verstrengelde deeltjes dus slechts projecties van de mogelijke toestanden van een enkel deeltje in andere parallelle universums. Bij transactionele interpretatie zijn deze deeltjes met elkaar verbonden door staande tijdgolven. Voor 'kwantummystici' is het fenomeen verstrengeling nog een reden om de paradoxale basis van de wereld te beschouwen als een manier om al het onbegrijpelijke uit te leggen, van de elementaire deeltjes zelf tot het menselijk bewustzijn. Mystici kunnen het begrijpen: als je erover nadenkt, zijn de gevolgen duizelig.
Het eenvoudige experiment van Clauser-Friedman geeft aan dat de locatie van de fysieke wereld op de schaal van elementaire deeltjes kan worden geschonden, en de basis van de werkelijkheid blijkt - tot grote afgrijzen van Einstein - vaag en onbepaald te zijn. Dit betekent niet dat interactie of informatie onmiddellijk kan worden overgedragen, ten koste van verstrengeling. De scheiding van verstrengelde deeltjes in de ruimte verloopt met normale snelheid, de meetresultaten zijn willekeurig en totdat we één deeltje meten, bevat het tweede geen informatie over het toekomstige resultaat. Vanuit het oogpunt van de ontvanger van het tweede deeltje is het resultaat volkomen willekeurig. Waarom interesseert dit ons allemaal?
Hoe deeltjes te verstrengelen: neem een kristal met niet-lineaire optische eigenschappen - dat wil zeggen, een kristal waarvan de wisselwerking van licht afhangt van de intensiteit van dit licht. Bijvoorbeeld lithiumtriboraat, barium-bèta-boraat, kaliumniobaat. Bestraal het met een laser van een geschikte golflengte en hoogenergetische fotonen van laserstraling zullen soms vervallen tot paren verstrengelde fotonen van lagere energie (dit fenomeen wordt "spontane parametrische verstrooiing" genoemd) en gepolariseerd in loodrechte vlakken. Het enige dat overblijft is om de verstrengelde deeltjes intact te houden en ze zo ver mogelijk uit elkaar te spreiden.
Het lijkt erop dat we de appel hebben laten vallen terwijl we spraken over het principe van onzekerheid? Til het op en gooi het tegen de muur - het zal natuurlijk breken, want in de macrokosmos werkt een andere kwantummechanische paradox - tunneling - niet. Tijdens het tunnelen kan een deeltje een energiebarrière overwinnen die hoger is dan zijn eigen energie. De analogie met een appel en een muur is natuurlijk erg benaderend, maar duidelijk: het tunnelingeffect laat fotonen doordringen in het reflecterende medium, en elektronen negeren de dunne film van aluminiumoxide die de draden bedekt en is eigenlijk een diëlektricum.
Onze dagelijkse logica en de wetten van de klassieke fysica zijn niet erg van toepassing op kwantumparadoxen, maar ze werken nog steeds en worden veel gebruikt in de technologie. Natuurkundigen lijken (tijdelijk) besloten te hebben: ook al weten we nog niet helemaal hoe het werkt, de voordelen kunnen hier vandaag al uit worden gehaald. Het tunnelingeffect ligt ten grondslag aan de werking van sommige moderne microchips - in de vorm van tunneldiodes en transistors, tunneljuncties, enz. door hen.
Communicatie, teleportatie en satelliet
Laten we ons eens voorstellen dat we twee appels "kwantumverstrengeld" hebben: als de eerste appel rood blijkt te zijn, dan is de tweede noodzakelijkerwijs groen, en omgekeerd. We kunnen er een sturen van Petersburg naar Moskou, met behoud van hun verwarde toestand, maar dat lijkt alles te zijn. Pas als in Sint-Petersburg een appel als rood wordt gemeten, wordt de tweede in Moskou groen. Tot het moment van meten is er geen mogelijkheid om de toestand van de appel te voorspellen, omdat (allemaal dezelfde paradoxen!) Ze niet de meest definitieve staat hebben. Wat is het nut van deze verstrengeling?.. En het gevoel werd al gevonden in de jaren 2000, toen Andrew Jordan en Alexander Korotkov, vertrouwend op de ideeën van Sovjetfysici, een manier vonden om als het ware "niet tot het einde" te meten en daarom de toestanden van deeltjes vast te leggen.
Met "zwakke kwantummetingen" kun je als het ware met een half oog naar een appel kijken, een glimp opvangen en proberen de kleur te raden. Je kunt dit keer op keer doen, zonder echt goed naar de appel te kijken, maar je kunt er vrij zeker van zijn dat hij bijvoorbeeld rood is, wat betekent dat een appel in Moskou die ermee wordt verward groen zal zijn. Hierdoor kunnen verstrengelde deeltjes keer op keer worden gebruikt, en met de methoden die ongeveer 10 jaar geleden zijn voorgesteld, kunnen ze worden opgeslagen door ze voor onbepaalde tijd in een cirkel te laten draaien. Het blijft om een van de deeltjes weg te voeren - en een buitengewoon nuttig systeem te krijgen.
Eerlijk gezegd lijkt het erop dat de voordelen van verstrengelde deeltjes veel meer zijn dan vaak wordt gedacht, alleen onze magere verbeeldingskracht, beperkt door dezelfde macroscopische schaal van de werkelijkheid, stelt ons niet in staat om er echte toepassingen voor te bedenken. De reeds bestaande voorstellen zijn echter best fantastisch. Dus, op basis van verstrengelde deeltjes, is het mogelijk om een kanaal voor kwantumteleportatie te organiseren, de kwantumtoestand van het ene object volledig te 'lezen' en het in een ander object 'op te nemen', alsof de eerste eenvoudig naar de juiste afstand werd getransporteerd. De vooruitzichten van kwantumcryptografie zijn realistischer, waarvan de algoritmen bijna "onbreekbare" communicatiekanalen beloven: elke inmenging in hun werk heeft invloed op de toestand van verstrengelde deeltjes en wordt onmiddellijk opgemerkt door de eigenaar. Dit is waar het Chinese experiment QESS (Quantum Experiments at Space Scale) in het spel komt.
Computers en satellieten
Het probleem is dat het op aarde moeilijk is om een betrouwbare verbinding te maken voor verstrengelde deeltjes die ver uit elkaar staan. Zelfs in de meest geavanceerde optische vezel, waardoor fotonen worden verzonden, vervaagt het signaal geleidelijk, en de eisen eraan zijn hier bijzonder hoog. Chinese wetenschappers hebben zelfs berekend dat als je verstrengelde fotonen creëert en ze in twee richtingen stuurt met ongeveer 600 km lange schouders - de helft van de afstand van het centrum van de kwantumwetenschap in Dalinghe tot centra in Shenzhen en Lijiang - je kunt verwachten dat je het verstrengelde paar in ongeveer 30 duizend jaar. De ruimte is een andere zaak, in het diepe vacuüm waarvan fotonen zo ver vliegen zonder obstakels tegen te komen. En dan komt de experimentele satelliet Mozi ("Mo-Tzu") ten tonele.
Op het ruimtevaartuig werd een bron (laser en niet-lineair kristal) geïnstalleerd, die elke seconde miljoenen paren verstrengelde fotonen produceerde. Vanaf een afstand van 500 tot 1700 km werden sommige van deze fotonen naar het grondobservatorium in Deling in Tibet gestuurd, en de tweede - in Shenzhen en Lijiang in Zuid-China. Zoals te verwachten viel, vond het grootste verlies aan deeltjes plaats in de onderste lagen van de atmosfeer, maar dit is slechts ongeveer 10 km van het pad van elke fotonenbundel. Als gevolg hiervan bedekte het kanaal van verstrengelde deeltjes de afstand van Tibet naar het zuiden van het land - ongeveer 1200 km, en in november van dit jaar werd een nieuwe lijn geopend die de provincie Anhui in het oosten verbindt met de centrale provincie Hubei. Tot nu toe mist het kanaal betrouwbaarheid, maar dit is al een kwestie van technologie.
In de nabije toekomst zijn de Chinezen van plan om geavanceerdere satellieten te lanceren om dergelijke kanalen te organiseren en beloven ze dat we binnenkort een functionerende kwantumverbinding zullen zien tussen Peking en Brussel, in feite van het ene uiteinde van het continent naar het andere. Een andere "onmogelijke" paradox van de kwantummechanica belooft nog een sprong in de technologie.
Sergey Vasiliev
