Механику запутали на четверть миллиметра

ТЕКСТ: Артём Тунцов

ФОТО: J.Jost/J.Amini

Физикам удалось квантовым образом запутать механические колебания двух систем. Где проходит граница между классическим и квантовым описанием мира, и есть ли она вообще, стало совсем непонятно. Зато методы, которые при этом использовались, пригодятся в создании квантовых компьютеров.

Изобретатель знаменитого кота и один из отцов квантовой механики Эрвин Шрёдингер считал явление квантовой запутанности штукой ещё более удивительной, чем способность элементарных частиц быть одновременно в двух местах или двигаться сразу в нескольких направлениях. Запутанные частицы, разнеси их хоть на километры, каким-то образом «чувствуют» друг друга, и изменение состояния одной мгновенно сказывается на состоянии другой. Это-то и поражает – если, конечно, рассматривать их, как две частицы, а не единую систему.

Собственно, именно со Шрёдингера начались исследования запутанности: он первым привлёк внимание к тому факту, что система из двух и более квантовых объектов может оказаться в состоянии, которому не соответствует никакое из состояний составляющих её частей по отдельности. По словам самого австрийского физика, это «нельзя назвать иначе, как полный отход от классического мышления».

Однако активная работа и понимание важности запутывания начали развиваться лишь с 1980-х годов, когда экспериментаторы на опыте проверили выполнение неравенства Белла и выяснили, что запутанность нельзя заменить никакими сколь угодно сложными изысками классической физики. Примерно в то же время теоретики начали придумывать запутанности разнообразные приложения, и к настоящему времени их список включает квантовую телепортацию, квантовую криптографию и, во многом, квантовые вычисления.

Тем не менее до сих пор физики ограничивались лишь запутыванием сугубо квантовых свойств частиц, не проявляющихся в классическом мире, например, спинов – внутренних моментов вращения квантовых частиц. Обычно про спин говорят, что он может быть направлен вверх или вниз, хотя со знакомыми нам вертикальными направлениями эта квантовая эзотерика имеет мало общего.

И хотя принципиальных отличий в описании запутывания спина от запутывания, скажем, энергии не существует, у скептиков оставалась лазейка. Может быть, запутывание, которое Эйнштейн презрительно назвал «призрачным дальнодействием», может касаться лишь сугубо квантовых величин, не имеющих классических аналогов? Ведь даже сам Шрёдингер считал, что в природе должен существовать какой-то закон, который не позволит запутанности проявляться в классическом мире. Тем не менее он не был прав.

Сегодня запутывание стало чуть ближе к знакомой нам реальности: физики из Национального института стандартов и технологий США под руководством аспиранта Университета Колорадо Джона Джоста смогли запутать механические колебания двух пар ионов.

Работа Джоста и его коллег опубликована в последнем номере Nature.

Учёные поместили два иона бериллия ⁹Be⁺ друг рядом с другом в специальную электромагнитную ловушку и для начала с помощью серии лазерных импульсов запутали как раз спиновые состояния двух ионов. То есть спины каждой из частиц по отдельности оставались неопределёнными, а вся система в целом состояла из равной смеси двух состояний, допускающих классическую интерпретацию – спин первой частицы вверх, а второй вниз и первой частицы вниз, а второй вверх.

После этого физики засунули между двумя ионами бериллия пару других ионов – магния ²⁴Mg⁺, и с помощью электрического поля развели пары Be–Mg на расстояние в четверть миллиметра (точнее, 240 мкм). Обе пары за счёт электрического притяжения и отталкивания колеблются вокруг общего центра масс, как будто соединённые крохотной пружинкой длиной всего в 4 микрона. Потревоженные перемещением частицы по отдельности вновь охладили до низкой температуры с помощью лазера; при этом лишнюю тепловую энергию движения снимали с тяжёлых ионов магния, однако бериллий, будучи связан с магнием, тоже охлаждался, как выражаются физики, «симпатическим способом».

После этого оставалось сделать финальный трюк – связать спиновое состояние ионов бериллия с механическими колебаниями в паре. Этого учёные также достигли серией лазерных импульсов чётко определённой частоты, интенсивности и продолжительности. Таким образом удалось превратить запутывание спинов в запутанность механических колебаний: состояние всей системы складывается теперь из двух простых состояний: либо это «сильные» колебания в обеих парах, либо «слабые» колебания в обеих парах, да ещё и в унисон в обоих случаях.

И вот теперь, если измерение мощности колебаний в одной из пар даёт результат «сильные», то в «сильные» же мгновенно превращаются и колебания второй пары.

Несмотря на то, что она расположена на вполне макроскопическом – при желании можно разглядеть невооружённым глазом – расстоянии в четверть миллиметра. Правда, успешность опыта учёные проверяли всё же не таким наглядным способом: по истечении 50 микросекунд они переводили запутанность механических колебаний в запутанность спинов и измеряли последнюю по корреляции флуоресцентных фотонов, испущенных ионами бериллия.

По словам самого Джоста, «никто не знает, где проходит грань между квантовым и классическим миром». Результаты его нынешней работы показывают, что она точно не расположена между спиновыми степенями свободы и классическими механическими колебаниями.

Однако помимо фундаментальных вопросов о границе между классическим и квантовым описанием реальности, новая работа очень важна и с прикладной точки зрения.

В ходе своих экзерсисов учёные, по сути, создали новый способ передачи запутывания между механическими системами на большое (по меркам микромира) расстояние. Это должно пригодиться в разработке квантовых компьютеров.

Хотя ни одного такого прибора, обещающего неизмеримое преимущество в скорости некоторых вычислений, до сих пор не создано, желаемая архитектура этих устройств примерно понятна. Наиболее удобными элементами квантовой памяти кажутся как раз массивные частицы, вроде тех же ионов металлов, а сама информация будет храниться или в виде спина, или в виде колебаний – в том числе, как теперь кажется вполне возможным, механических. «Проводами» же, которые свяжут эту элементную базу, скорее всего, станут кванты света.

Джосту и его коллегам как раз и удалось приготовить запутанные частицы, разнести их на значительное расстояние, охладить до температур, при которых можно исследовать запутывание, и перевести квантовую информацию из одного вида в другой. Их последователям, которые соберут первый квантовый компьютер, не придётся по новой выдумывать около шестисот лазерных импульсов, способных выполнить эту задачу.

Квантовая скорость запутала Эйнштейна

ТЕКСТ: Артём Тунцов

ФОТО: zamandayolculuk.com

Физики измерили скорость передачи информации между запутанными квантовым образом частицами. Она должна во много раз превышать скорость света. Это не нарушает теорию относительности, но в очередной раз опровергает другое убеждение Эйнштейна. Скорее всего, под квантовой механикой никакой «более глубокой теории» нет.

«Несуразности» квантовой механики – теории, описывающей поведение мира на уровне элементарных частиц, – способны свести с ума любого человека, не потерявшего здравого смысла. Электроны находятся одновременно в нескольких местах, электротоки текут сразу в обе стороны, а простое наблюдение за объективным физическим процессом останавливает его развитие. Тем не менее, эксперимент неизменно показывает, что именно квантовое описание реальности истинно, а наш «здравый смысл» просто неадекватен реалиям микромира, будучи сформирован в мире макроскопических объектов.

Однако это всё ещё цветочки. Ягодки, которые возникают при описании систем из нескольких частиц, не могут проглотить не только далёкие от науки люди. Даже учёные, и иногда великие учёные, считают, что явление квантового запутывания – это уже слишком.

В классической физике, обладая полным знанием о состоянии всех частей системы, мы одновременно обладаем полным знанием о целой системе, а зная состояние целого, всегда знаем состояние его частей. Это утверждение кажется до тупого тривиальным, но лишь до тех пор, пока в дело не вступает квантовая теория. Здесь верна лишь первая его половина – состояние частей всегда определяет состояние целого, но существуют и такие целые, которым не соответствует никакая комбинация составляющих его частей. Такие состояния как раз и называются запутанными.

Запутанные частицы очень сильно связаны друг с другом – притом, что могут совершенно не взаимодействовать между собой. И находиться на сколь угодно большом расстоянии друг от друга.

Квантовая механика утверждает, что, измеряя состояние частицы, мы, по сути, создаём реальность. Например, если запутаны два электрона с суммарным спином ноль, и в результате измерения спина одной из них получилось значение +1/2, то спин этой частицы действительно превращается из неопределённого в положительный. И одновременно спин второй, «запутанной» с первой, частицы при таком измерении тотчас превращается из неопределённого в отрицательный. И если измерить его значение, оно со стопроцентной вероятностью окажется отрицательным.

Притом, что первая частица может находиться у нас в лаборатории, а вторая – на Марсе. Как она узнает о том, что мы что-то там делаем с первой? Какие такие высшие силы зафиксируют её спин, если, например, на Марсе она находится в полной изоляции? И как такое может произойти мгновенно?

Один из отцов квантовой механики, немецкий физик Эрвин Шрёдингер, который сам впервые описал запутанные частицы, но считал это явление ещё более странным, чем саму квантовую механику, сразу поспешил предположить, что у запутывания должен быть какой-то предел. Он выдвинул гипотезу, что запутывание каким-то неизвестным нам пока образом должно распространяться лишь на микроскопические расстояния.

А Альберт Эйнштейн, который и так имел большой зуб на квантовую механику, активно пользовался этой несуразностью, доказывая ограниченность квантового подхода. И описанное выше мгновенное изменение состояния второй частицы удостоилось от великого физика знаменитой презрительной характеристики «призрачное дальнодействие».

Тем не менее, и Эйнштейн, не веривший в завершённость квантовой механики, и Шрёдингер, предполагавший её ограниченность масштабами микромира, были неправы.

Ошибку Шрёдингера показала демонстрация квантового запутывания на расстояниях в метры и даже километры. Это основа популярных в наши дни явлений квантовой телепортации и квантовой криптографии. А не так давно австрийским и испанским физикам удалось телепортировать состояние фотона даже через околоземный спутник.

Опровергнуть Эйнштейна оказалось гораздо сложнее. Он полагал, что квантовая механика – лишь вершина айсберга, что существуют какие-то скрытые параметры, скрытые связи между частицами, которые мы не наблюдаем, но которые каким-то образом определяют такое необычное поведение квантовых систем.

В конце концов, с точки зрения здравого смысла (и это важная оговорка), причин, которые могли бы привести к чёткой корреляции между результатами измерения состояний запутанных частиц («если здесь «+», то там «–», а если здесь «–», то там «+»» в примере со спинами электронов), может быть две. Либо первая из частиц, переходя в фиксированное состояние из неопределённого, как-то сигнализирует второй запутанной с ним частице и заставляет её также перейти в определённое состояние. Либо с самого начала какой-то коварный демон эксперимента разделил все пары на (+ –) и (– +), а мы просто не знаем, какой из вариантов реализуется в данном конкретном опыте.

На первый взгляд кажется, что наше неведение от реальной неопределённости невозможно. Первым придумал, как это сделать, ирландский физик Джон Белл. В 60-х годах прошлого века он вывел своё знаменитое «неравенство Белла», которому должны подчиняться результаты эксперимента в случае, если предположение о наличии «коварного демона» верно.

В 1982 году опыт французских физиков впервые убедительно показал, что неравенство Белла не выполняется. Коварного демона нет. Эйнштейн не прав.

С точки зрения здравого смысла, остаётся одна возможность – посылка одной из частиц сигнала другой частице. Довольно скоро стало ясно, что происходить это должно со скоростью, большей скорости света. Такое, в принципе, возможно и даже не нарушит специальной теории относительности Эйнштейна. Ведь сигнал в данном случае идёт по «скрытым» каналам и передать с его помощью какую-то информацию нельзя.

Швейцарские физики из Женевского университета решили экспериментальным путём выяснить, насколько быстрым должен быть такой сигнал.

В своём опыте Даниэль Салар, аспирант женевского профессора Николя Жизена, и его коллеги использовали вместо пары запутанных электронов два фотона в запутанном состоянии, при этом запутанными у них были не их спины, а энергии. Пары запутанных фотонов появлялись в нелинейном оптическом кристалле, в котором приходящий от лазера фотон разделяется на два фотона немного отличающихся друг от друга частот; к тому же излучаются эти фотоны с небольшой задержкой друг относительно друга.

Такие пары очень удобны для реальных экспериментов, поскольку по световолокну фотоны можно отправлять практически на любые расстояния. Салар и его коллеги изготавливали фотоны в главном кампусе Женевского университета, а детектировали – в деревеньках Сатиньи и Жусси, расположенных к западу и востоку от Женевского озера, на расстоянии 18 километров друг от друга по прямой. До Сатиньи и Жусси фотоны добирались по световодам компании Swisscom. К световоду, ведущему в Сатиньи, учёные дополнительно добавили виток световолокна длиной 4 км, чтобы точно выровнять два пути; общая длина каждого из световодов оказалось равной 17,5 км.

В Сатиньи и Жусси фотоны попадали в интерферометры, а их корреляция измерялась по совпадению моментов прихода двух сигналов. Изменяя длину одного из плеч одного из интерферометров, учёные видели, как число совпадений то увеличивалось, то уменьшалось – классическое поведение, определяющее степень корреляции фотонов.

В эксперименте, результаты которого описаны в последнем номере Nature, степень корреляции составила от 80 до 95%. Это выше предела в 71%, который для такого эксперимента даёт неравенство Белла. А значит, несмотря на 18 км расстояния между двумя деревнями, запутывание никуда не делось.

Точность измерения совпадений – с учётом всех дополнительных факторов вроде дифференциальной задержки в световодах из-за неопределённой точно длины волны каждого фотона – составила около 300 пикосекунд, то есть примерно одну трёхмиллиардную часть секунды.

Разделив 18 км на 300 пикосекунд, получаем скорость распространения тайного сигнала в 200 тысяч раз выше, чем скорость света.

Впрочем, здесь есть одна оговорка. Расстояние в 18 км и время 300 пикосекунд измерены в системе отсчёта, связанной Землёй. А скорость сверхсветового сигнала зависит от системы отсчёта и является постоянной лишь в одной из них, чем-то напоминающей универсальный «светоносный эфир» XIX века. Земля совсем не обязана покоиться относительно этой универсальной системы, а в соответствии со специальной теорией относительности, в других системах отсчёта и расстояние, и интервал времени могут быть другими.

Чтобы устранить эту проблему, учёные продолжали свой эксперимент в течение двух суток, за которые Земля успела дважды развернуть линию Сатиньи–Жусси вокруг своей оси. Перпендикулярная этой линии плоскость, таким образом, дважды просканировала все возможные направления движения Земли относительно «квантового эфира». И квантовое запутывание всё это время никуда не исчезало.

Предполагая, что скорость Земли относительно «квантового эфира» – не больше 300 км/c, учёные смогли показать, что скорость «сигналов запутывания» должна быть как минимум в 10 тысяч раз выше скорости света.

300 км/c учёные, конечно, взяли не с потолка – примерно такова скорость движения Земли относительно реликтового излучения, определяющего систему отсчёта, в которой вещество нашей Вселенной в среднем покоится. Естественно предположить, что и «квантовый эфир» должен покоиться относительно этой системы. Если этого не сделать, то скорость сигналов запутывания может оказаться и меньше, но всё равно должна составить как минимум несколько десятков скоростей света.

Означает ли результат Салара и его коллег, что существуют сверхсветовые сигналы?

Скорее всего, нет. По крайней мере, современная физика предложить какой-то реальной физической модели, объясняющей их существование, не может. А альтернатива «коварный демон против сверхсветового взаимодействия» следует исключительно из здравого смысла, который много раз подводил при попытке объяснения квантовых явлений.

Квантовая же механика отлично обходится и «призрачным дальнодействием», и её не смущает мгновенная передача информации на любое расстояние. По мнению Жизена, проще предположить, что есть некоторое чисто квантовое явление, которому никакое объяснение не нужно. В конце концов, если уж мы взялись объяснять невероятную скорость взаимодействия между запутанными частицами, неплохо бы объяснить и причину, по которой величина этого эффекта не зависит от расстояния между частицами. А как подступиться к этой проблеме, вообще никто не знает.

Возможно, ситуация со скоростью передачи квантовой информации прояснится, когда мы поймём связь квантовой теории с понятиями пространства и времени.

Пока получить приемлемой со всех точек зрения квантовой теории пространства и времени никому не удавалось, а после её появления сам вопрос о скорости может оказаться бессмысленным, а наши расчёты – неверными.

Подобное в истории физики уже случалось. В начале XIX века французский астроном Пьер-Симон Лаплас решил оценить скорость гравитации. Он подсчитал, что если гравитация распространяется с конечной скоростью, то в движении небесных тел появятся возмущения – тем большие, чем меньше скорость гравитации. Поскольку никаких возмущений не наблюдалось – с той точностью, которую в то время позволяли астрономические наблюдения, Лаплас сделал вывод, что скорость гравитации должна быть как минимум в 5–6 миллионов раз больше, чем скорость света, а может быть, и вовсе бесконечной.

Через 100 с небольшим лет после этих попыток была создана общая теория относительности, и сейчас мы знаем, что возмущения гравитационного поля распространяются со скоростью света. А вычисления Лапласа были просто основаны на неправильной теории гравитации. Не исключено, что такая же судьба ждёт и результаты эксперимента швейцарских физиков.