Предсказания квантовой механики иногда трудно соотнести с представлениями о классическом мире. В то время как положение и импульс классической частицы могут быть одновременно измерены, в квантовом случае можно узнать лишь вероятность нахождения частицы в том или ином состоянии. Более того, квантовая теория утверждает, что, когда две системы запутаны, измерение состояния одной из них мгновенно сказывается на другой. В 2015 году три группы физиков достигли существенного прогресса в непонимании понимании природы квантовых запутанности и телепортации. О достижениях ученых рассказывают Physics Today и «Лента.ру».

Альберт Эйнштейн был не согласен с вероятностной интерпретацией квантовой механики. Именно в связи с этим он говорил, что «бог не играет в кости» (на это датский физик Нильс Бор позднее ответил, что не Эйнштейну решать, чем заниматься богу). Немецкий ученый не принимал неопределенности, свойственной микромиру, и считал верным классический детерминизм. Создатель общей теории относительности полагал, что при описании микромира квантовая механика не учитывает некоторых скрытых переменных, без которых сама квантовая теория является неполной. Искать скрытые параметры ученый предлагал при измерении квантового состояния классическим прибором: этот процесс предполагает изменение первого вторым, и Эйнштейн считал возможным эксперимент, где такого изменения нет.

С тех пор ученые пытались определить, существуют ли скрытые переменные в квантовой механике или это выдумка Эйнштейна. Формализовать проблему скрытых переменных удалось в 1964 году американскому физику-теоретику Джону Беллу. Он предложил идею эксперимента, в котором наличие какого-либо скрытого параметра в системе можно узнать, проведя статистический анализ серии специальных опытов. Эксперимент был такой. Во внешнее поле помещался атом, единовременно испускающий пару фотонов, которые разлетались в противоположных направлениях. Задача экспериментаторов заключается в проведении многократного измерения направления спинов фотонов.

Это позволило бы набрать необходимую статистику и при помощи неравенств Белла, являющихся математическим описанием наличия скрытых параметров в квантовой механике, проверить точку зрения Эйнштейна. Главная трудность заключалась в практической реализации эксперимента, который впоследствии физикам все же удалось воспроизвести. Исследователи показали, что в квантовой механике, скорее всего, нет скрытых параметров. Между тем в теории оставались две лазейки (местоположение и обнаружение), которые могли доказать правоту Эйнштейна. Вообще, лазеек больше. Эксперименты 2015 года их закрыли и подтвердили, что в микромире локального реализма скорее всего нет.

[«Жуткое дальнодействие» между Бобом и Алисой]
«Жуткое дальнодействие» между Бобом и Алисой
Изображение: JPL-Caltech / NASA

Речь идет об опытах трех групп физиков: из Делфтского технического университета в Нидерландах, Национального института стандартов и технологий в США и Венского университета в Австрии. Эксперименты ученых не только подтвердили полноту квантовой механики и отсутствие в ней скрытых параметров, но и открыли новые возможности квантовой криптографии — метода шифрования информации (ее защиты) при помощи квантовой запутанности, использующего квантовые протоколы, — и привели к созданию невзламываемых пока еще алгоритмов для генерации случайных чисел.

Квантовой запутанностью называется явление, при котором квантовые состояния частиц (например, спин электрона или поляризация фотона), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Процедура измерения состояния одной частицы приводит к изменению состояния другой. В типичном эксперименте по квантовой запутанности разнесенные на расстояние взаимодействующие агенты — Алиса и Боб — обладают каждый одной частицей (фотонов или электронов) из пары запутанных. Измерение частицы одним из агентов, например Алисой, коррелируется с состоянием другой, хотя Алиса и Боб заранее не знают о манипуляциях друг друга.

Это означает, что частицы каким-то образом сохраняют информацию друг о друге, а не обмениваются ею, скажем, со световой скоростью при помощи какого-либо известного науке фундаментального взаимодействия. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Запутанные частицы нарушают принцип локальности, согласно которому на состояние объекта может оказывать влияние только его близкое окружение. Это противоречие связано с парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена (предполагающим упомянутую выше неполноту квантовой механики и наличие скрытых параметров) и составляет одну из основных концептуальных трудностей (которая, впрочем, уже не считается парадоксом) квантовой механики (по крайней мере, в ее копенгагенской интерпретации).

[Схема эксперимента нидерландских ученых]
Схема эксперимента нидерландских ученых
Фото: arXiv.org

Сторонники локального реализма утверждают, что на частицы могут оказывать влияние только локальные переменные, а корреляция между частицами Алисы и Боба осуществляется при помощи некоторого скрытого способа, который ученым до сих пор не известен. Задачей ученых стало опровергнуть эту возможность на опыте, в частности не допустить распространения скрытого сигнала от одного агента к другому (в предположении его перемещения со скоростью света в вакууме — максимально возможной в природе), и таким образом показать, что изменение квантового состояния второй частицы произошло до того, как скрытый сигнал от первой частицы мог бы достигнуть второй.

На практике это означает размещение Боба и Алисы на значительном удалении друг от друга (как минимум десятки метров). Это позволяет не допустить распространения какого-либо сигнала об изменении состояния одной из частиц до измерения состояния другой (ловушку местоположения). Между тем несовершенство детектирования квантового состояния единичных частиц (особенно фотонов) оставляет возможность для реализации лазейки выборки (или обнаружения). Физикам из Делфтского технологического университета впервые удалось обойти сразу два затруднения.

В эксперименте использовали пару алмазных детекторов с разделителем сигнала между ними. Ученые взяли пару незапутанных фотонов и разнесли их в разные пространства. Затем каждый из электронов запутали с парой фотонов, которые после переместили в третье пространство. В ходе экспериментов можно было наблюдать, что изменение состояния (спина) одного из электронов сказывалось на другом. Всего за 220 часов (в течение 18 суток) физики 245 раз протестировали неравенство Белла. Наблюдаемые величины электронов измерялись при помощи лазерных лучей.

В эксперименте удалось измерить квантовые состояния разнесенных на расстояние около 1,3 километра частиц и показать справедливость неравенства Белла (то есть справедливость квантовой теории и ошибочность концепции локального реализма). Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature. Его авторам предрекают Нобелевскую премию по физике.

[Положение детекторов в нидерландском эксперименте]
Положение детекторов в нидерландском эксперименте
Фото: arXiv.org

Группы из США и Австрии проводили эксперименты с фотонами. Так, ученые из Национального института стандартов и технологий смогли побить рекорд дальности квантовой телепортации (передачу квантового состояния системы на расстояние) по оптоволоконному кабелю, осуществив ее на расстоянии 102 километра. Для этого ученые использовали четыре однофотонных детектора, созданных в том же институте на основе сверхпроводящих нанопроводов (охлажденных до минус 272 градусов по Цельсию) из кремнистого молибдена. Расстояние в 102 километра преодолевал только один процент фотонов. Предыдущий рекорд дальности квантовой телепортации по оптоволокну составлял 25 километров (для сравнения: рекорд дальности квантовой телепортации по воздуху — 144 километра).

Австрийские ученые использовали более эффективные датчики, чем американские, однако временное разрешение в экспериментах физиков из США намного выше. В отличие от нидерландских физиков, чья установка регистрировала примерно одно событие в час, ученые из США и Австрии смогли проводить более тысячи испытаний в секунду, что практически исключает любую случайную корреляцию в результатах экспериментов.

В настоящее время ученые пытаются повысить эффективность экспериментов — разносят частицы на все более дальние расстояния и увеличивают частоту измерения. К сожалению, удлинение оптического канала приводит к потере доли регистрируемых частиц и снова актуализирует опасность лазейки обнаружения. Ученые из Национального института стандартов и технологий пытаются бороться с этим, используя в опытах квантовый генератор случайных чисел. В этом случае нет необходимости разносить фотоны на большие расстояния, а созданная технология окажется полезной в квантовой криптографии.