Един почти перфектен експеримент за проверка на реалността - това може да се каже за успешното прилагане на квантовата телепортация като средство за комуникация от разстояние от около 1,28 км.
В статията на екипа изследователи от Университета по технологии в Делфт (Нидерландия), ръководен от Роналд Хенсън (Ronald Hanson), публикувана на страниците на Science, се подчертава, че опита е направен с абсолютна надеждност и без нежелани промени в състоянието на спина на квантовите битове.
Това, което са направили холандските учени е пряка проверка на неравенството на Бел, един от основните принципи на квантовата физика, се казва в прессъобщението в Science.
Странните прояви на квантовата механика, толкова различни от това, което сме свикнали да виждаме в нашия макросвят накарали физиците през 20-те години на миналия век да се разделят на два лагера.
Спорът между Айнщайн и Бор за същността на квантовата механика
Какви са разногласията:
Нилс Бор и Алберт Айнщайн - приятели и опоненти. Снимка: Paul Ehrenfest- Айнщайн настоява за запазването в квантовата физика на принципите на детерминизма на класическата физика и тълкуването на резултатите от измерванията като "несвързани с наблюдателя" (на анг.: "detached observer"). Според Айнщайн има някакви скрити променливи, с чиято помощ да се прогнозират резултатите и квантовата физика да може да се определи.статистически
- Бор настоява за принципно недетерминирания, статистически характер на квантовите явления и неотстранимостта на ефекта от измерванията.
- Айнщайн: "Бог не играе на зарове"
- Бор: "Не казвай на Бог какво да прави"
- Айнщайн:" Наистина ли мислите, че Луната съществува, само когато я погледнете? "
Физиците се разделили на лагери. На страната на Айнщайн бил Планк и Шрьодингер, а на Нилс Бор - Хайзенберг, Борн, Дирак. Същината на спора е това: Дали наистина светът се управлява от неопределеността или ние просто не познаваме някои свойства на микрочастиците, които ако успеем да измерим ще можем да предвидим поведението им във всяка конкретна ситуация.
Парадоксът АПР
Като продължение на този спор през 1935 г, Айнщайн заедно с Борис Подолски и Натан Розен. пише статия, озаглавена "Mоже ли квантово-механично описание на физическата реалност да се смята за пълно?". В нея е описан един мисловен експеримент, който по-късно е наречен парадокс на Айнщайн-Подолски-Розен (парадокс АПР).
Според принципа на неопределеността на Хайзенберг не е възможно едновременно да се измери на позицията на частицата и нейният импулс. Ако приемем, че причината за тази неопределеност е фактът, че измервайки една величина, се внасят неизбежни смущения в движението на частицата и се изкривява стойността на другата величина, може да предложи един хипотетичен метод, с който може да се избегне неопределеността. Ако имаме две еднакви частици A и B, образувани от разпадането на трета частица C, то в този случай техните импулси трябва да бъдат свързани, защото според закона на съхраняване на импулса: PA+PB=PC Това дава възможност да се измери импулса на едната частица, например A, а за другата да се изчисли: PB=PC - PA , без да се направи каквото и да е влияние върху движението й. В същото време може да се измерят на координатите на втората частица B, и така да се получат за тази частица двете величини, неизмерими едновременно според квантовата теория.
Дали това не означава, че принципът на неопределността не е абсолютен и законите на квантовата механика са непълни? - хвърлят ръкавицата Айнщайн и съмишлениците му.Илюстрация bgchaos по идея на PhysicsAndMore , с елемент на Leo Blanshette
Авторите на този парадокс предполагали, че подобен експеримент или няма да се съгласува с квантовата механика или няма да бъде изпълнен принципа на причинността, съгласно който по тяхно мнение първата частица, изменяйки своето състояние, не може мигновено от разстояние да подейства на втората.
Квантовото вплитане
Ако се придържаме към принципа на неопределеност на Хайзенберг (никоя физическа система не може да се намира в състояние, при което координатите и импулса й (скоростта, кинетичната енергия) едновременно приемат напълно определени значения), то трябва да допуснем следното: ако по някакъв начин фиксираме импулса на частица A , то мигновено ще се измени и импулса на частица B, квантовото състояние ще се наруши и самото измерване на частица B ще загуби смисъл - резултатът му ще зависи от измерването на A .
Получава се така, като че ли двете частици са си обменили съобщения. При това, разстоянието между тях е без значение - ако две частици са свързани помежду си, т.е. имали са някакво общо минало, от уравненията следва, че те си остават свързани завинаги, даже ако са се отдалечили една от друга на милиони километри. Тъй като, съгласно теорията на относителността, мигновено предаване на сигнали няма, то тук Айнщайн направил извод, че такъв ефект не може да съществува в природата и следователно цялата квантова механика е погрешна. Освен това, на всичкото отгоре се нарушава и принципа на причинността: измерването на A определя измерването на B, но и обратното също - независимо от това, кое от измерванията се случва става по-рано от другото.
Същата година (1935), анализирайки парадокса АПР, Шрьодингер стига до един важен извод: квантовата механика позволява такива състояния на физическите системи, при които взаимовръзката, корелацията между техните елементи да са по-силни от всякакви други корелации, разрешени от класическата физика. Тези състояния той нарича вплетени (англ. entangled) . По-късно квантово вплитане (Quantum entanglement) влиза в стандартната терминология на квантовата механика като едно от най-странните явления в нея. Само да отбележа, че в същата знаменателна статия, Шрьодингер описва и добилия всеизвестност като "Котката на Шрьодингер" мисловен експеримент.
Нелокалност и скрити променливи
Нелокалността и скритите променливи са два от предложените механизми, които да обяснят ефектите от вплитането.
|
Може да се разграничат две групи теории на скритите променливи - едната предполага съществуването на ненаблюдаема материя извън пределите на трите пространствени измерения, увеличавайки броя на измеренията на физическия свят (теорията на струните), според втората група времето е неравномерно в своето течение, което може да доведе до квантовите ефекти. Бор и съмишлениците му предлагат свойството нелокалност като причина за съществуването на корелация между вплетени състояния на квантовите частици, независимо от разстоянията между тях. измерване, проведено за една от частиците, определя резултата от измерването за втората частица, което се провежда в същия момент, но в друга точка на пространството. Това явление мигновено определя на квантовото състояние на отдалечената частица и дава възможност физиците да заговорят за квантова телепортация. |
 Учените използват нелинеен оптичен процес, за да се получат три вплетени фотона. Илюстрация: IQC at the University of Waterloo |
Тези явления - нелокалност и вплитане са базисни за разбирането на квантовата механика, а и с още много недоизяснени страни, затова тук ще ги маркирам само като аспекти от спора на Айнщайн и Бор, а по-късно ще им отделя специални статии.
Неравенствата на Бел
След почти 30 години, друг известен физик Джон Бел, доказа, че нито една теория, основана на локалност и реализъм не може да възпроизведе всички предсказания на квантовата механика.
Освен това, той въвежда специално неравенство (наречено на него), което позволява да се провери, доколко добре реалността се описва от класическата теория с непременна локалност и реализъм. Квантовата механика, напротив, би трябвало да нарушава неравенството, така че проверката на неравенството на Бел ще определи истината кой е прав - Айнщайн или Бор.
Вратичките
През последното десетилетие са били направени десетки експерименти от този вид, използващи различни физически системи, но при всички от тях са намирани вратички, позволяващи да се предположи съществуването на класическо обяснение на наблюдаваните резултати.
Новата работа на физиците от университета в Делфт позволява да отхвърлят повечето от тях.
Схема на новия експеримент за проверка на неравенството на Бел. Източник: http://arxiv.org/pdf/1508.05949v1.pdf
Първата вратичка (locality loophole) е разстоянието между вплетените частици - като в експеримента холандските физици използват спиновете на електрони, "заключени" в диамант - наречени NV-центрове. За да елиминират тази вратичка изследователите разделили частиците на разстояние 1,28 км една от друга, така че на всеки сигнал ще трябват цели 4.27 микросекунди, за да долети от едната частица до другата, дори и ако се движи със скоростта на светлината.
След това било необходимо да се свържат (или вплетат) електроните вече разделените на разстояние, за което учените прибегнали към стандартните носители на сигнали на дълги разстояния - фотони в оптичното влакно. След като вплели всеки електрон с отделен фотон, те ги изпратили до междинна станция, където пристигналите фотони стават вплетени помежду си и така "дистанционно" свързали началните електрони.
Сега било необходимо да се затвори втората вратичка - неточното отчитане на състоянието на електроните, което може да скрие съществуващата корелация (взаимовръзка) между тях (detection loophole).
За да избегнат това, изследователите охладили проби с NV-центрове почти до абсолютната нула, където те биха могли лесно да ги манипулират с помощта на микровълни и оптични лъчения и да измерват тяхната квантово състояние с точност 95%.
След като премахнали тези две вратички, изследователите регистрирали явно нарушение на неравенството на Бел, за пореден път още едно доказателство срещу теорията на скритите параметри на Айнщайн в полза на квантовата механика.
Квантовата телепортация
През 1993 г. Чарлз Бенет (Charles H. Bennett) от изследователския център на IBM въвежда термина “телепортация“, заимствайки го от научофантастичната литература. Малко по-рано през 1991г., Артур Екерт (Artur K. Ekert) от Университета в Кембридж изказал идеята да се приложи вплетеното състояние за предаване на информация, не поддаваща се на засичане. През 1992 г. пак Чарлз Бенет и Стивън Уиснер (Stephen Wiesner) от Тел-Авивския университет доказали, че вплетеността може да се използва при прехвърляне на информация. Всъщност в рамките на ефекта АПР никакъв пренос на материални частици през пространството не се случва, пренася се само информация.
Проучването на холандските физици води възможността за създаване на мрежи от квантови компютри. Засега квантовите компютри, които биха могли да решават някои класове проблеми много по-бързо, отколкото дори най-мощните съвременни компютри, остават далечна цел.
Един квантов компютър трябва да вплете голям брой кюбити и да задържи това вплетено състояние дълго време. Мрежата от квантови компютри също би могла да предложи нови форми на неприкосновеност на личния живот, казва д-р Хенсън. Такава мрежа ще позволи на отдалечен потребител да извършва квантово изчисление на сървъра, а операторът на сървъра няма да може да определи естеството на изчисленията.
Полета и препъни-камъни (малко обяснения)
В квантовата механика полетата се "квантуват". Това означава да се опише взаимодействието на телата като обмен на някакви хипотетични частици - носители на взаимодействието. В квантовата теория на полето, тези частици се наричат "виртуални", защото според теорията, те се раждат и умират толкова бързо, че е невъзможно да се определят точно, въпреки че са реални. Тази теория добре описва слабото и електромагнитното взаимодействие.
Но се оказва, че теорията на гравитацията на Айнщайн никак не се вписва в тези постановки на квантовата механика. Гравитацията никак не прилича на електромагнитното поле - в общата теория на относителността гравитацията се описва като кривина на пространство-времето и по никакъв начин не се поддава на квантуване.
Проблемът е, че за да се квантува гравитацията, е необходимо да се квантува самото пространство, като се предполага, че то е дискретно. Дискретност на някаква величина означава, че съществува някакъв неделим минимум - в случая за пространството - минимално възможна дължина на измерване. В квантовите теории на гравитацията тази граница на разстоянията се нарича "Планкова". Но според специалната теория на относителността, с приближаване на скоростта на наблюдателя към светлината, дължините се скъсяват, ако се достигане на скоростта на светлината, те стават точка. Същото би трябвало да се случи и с дължината на Планк, което унищожава този основен принцип на квантовата теория.
Това противоречие е останало и до днес. И двете теории експериментално са проверени с невероятна точност, но единна теория на полето все още няма. Да, представени са много "велики обединителни теории", теорията на струните е една от тях. Но макар че изглеждат добре математически, те не са тествани на практика, защото проверката им изискват енергии, значително надвишаващи сегашните възможности на човечеството и засега доказателствата се търсят в наблюдения на косвени ефекти в космоса.
В момента квантовата механика, макар и парадоксална е най-доказаната теория в историята на науката. Никой не знае защо е толкова странна. Както пише Тери Пратчет в "Крадец на време":
"Да знаеш, трудно се говори за кванти на език, с който отначало маймуните са си съобщавали къде има зрели плодове."
В същото време основното доказателство за правилността на квантовата механика е фактът, че може да прочетете тази статия. Защото квантовата механика е теоретичната основа на полупроводниковата електроника.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
6
11.04 2016 в 23:51
24.11 2015 в 01:10
27.10 2015 в 10:42
06.09 2015 в 03:13
01.09 2015 в 14:29
Разбира се, остават сума нерешени съседни въпроси даже и след отпадането на скритите променливи.
01.09 2015 в 08:26
Последни коментари