Проверка реальности: Закрытие квантовых лазеек

 Энил Анатхасвами,

  консультант New Scientist

  на фотографии: След луча лазера наведения над обсерваторией Тенерифе. Автор Руперт Урсин

  Действительно Вселенная настолько сверхъестественна, насколько это предполагается  квантовой  теорией?  Современные  эксперименты приближают нас к ответу на этот вопрос.

            Когда Руперт Урсин стоял в полной темноте на самой высокой точке Ла Пальмы, Канарские острова,  ему было  страшно.  ”Действительно страшно” - говорил он. Это была абсолютная темнота, протянувшаяся  к Атлантическому океану и  бросавшая им  вызов. Урсин и его коллеги из Института Квантовой Оптики, Вена,  Австрия,  должны были той ночью  убедиться, смогут ли они  зарегистрировать единичные фотоны света,  испущенные с помощью телескопа с метровой  апертурой, расположенного на  острове Тенерифе,  отстоящего от них на расстоянии 144 километра. Даже в ясный день,  когда Тейде, вулканический пик  Тенерифе ясно виден из Ла Пальмы, это было бы подвигом ошеломляющей точности.  Попытка  осуществить это в полной темноте выглядела просто смехотворной. “Ночью Вы просто не знаете, где  находится  другой остров”, - говорит Урсин. “Вы потеряны в темноте и у Вас нет никаких соображений, как это можно сделать”. Тем не  менее, днем огромное количество фотонов вокруг Вас сделали бы этот эксперимент просто невозможным.  И так, безлунной  ночью исследователи выключили свет в своей лаборатории и обратились к ночному небу, освещенному только Млечным  путем.

            Исследователи сделали еще одну попытку завершить одну из самых длительных дискуссий в современной физике.  Избавиться от еще одной неопределенности в нашем понимании природы реальности. Ответить на один из фундаментальнейших вопросов в науке –  реальна ли квантовая действительность?

Истоки этой дискуссии были заложены в середине 1920-х годов двумя зубрами современной физики, Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном (см. “Квантовые дуэлянты”), впервые сформулировавшими этот вопрос. К середине 1920-х годов стало понятно, что классическая физика не в состоянии была объяснить целый перечень явлений, таких, например, каким образом свет взаимодействует с веществом, или  почему электроны не движутся по спиральным орбитам и не сталкиваются с атомным ядром.     Недавно возникшая квантовая механика давала ответы на эти вопросы, но она была слишком горькой пилюлей, что бы ее можно было безропотно проглотить. В ней исчезали старые положения, полагавшиеся несомненными, и в итоге в ней исчезала, работавшая до сего момента как часы, Ньютоновская Вселенная. Ее место занял нечеткий мир, населенный частицами, которые одновременно являлись и волнами. Эти частицы влияли друг на друга без всяких видимых причин и могли существовать сразу во многих состояниях, пока осторожный глаз наблюдателя не тревожил их.

            Согласно Бору, проблема восприятия такого мира связана только с тем, что наш разум “настроен” на классическое восприятие мира и не более того. А квантовая теория есть полное и фундаментальное описание окружающего мира.

            Эйнштейн не согласился с таким утверждением.  Он полагал, что необычность квантовой механики означала, что теория кое - что пропускала.  Он был убежден, что существует более глубокий слой реальности, управляемый еще не открытыми “скрытыми переменными”, знание которых восстановит классическую физику в своих правах (см. “Скрытый мир Эйнштейна”).

            Спор Бора и Эйнштейна продолжался в течение многих десятилетий, но они так и не пришли к конкретному результату. Только в 1964 году, уже после того, как оба гения скончались, появился первый намек на возможность разрешения этого спора.  И этот намек связан с именем Джона Белла, 36-летнего исследователя из ЦЕРНа, Женева, Швейцария.  Его идея заключалась в утверждении, что почти философский аргумент Эйнштейна в этом споре может быть сформулирован математически. Белл рассмотрел запутанные частицы, связанные в том смысле, что измерение состояния одной частицы говорит Вам о состоянии другой. Существование таких корреляций само по себе не является удивительным, поскольку существуют законы сохранения энергии или импульса и можно ожидать, что свойства  вроде скорости или координаты частиц, испускаемых их одного источника в одно и то же время, будут связаны. Белл получил математическое выражение, названное впоследствии неравенствами Белла, описывающие максимально возможные корреляции свойств обоих частиц, если они описываются с позиций классической физики. Однако это неравенство оказывалось неверным, если реальность нашего мира подчиняется законам локальной квантовой механики.  При этом подразумевается, что если объект обладает, какими бы то ни было свойствами, поддающимися измерениям, значение этих измерений не зависит от того, кто эти измерения проводил. Локальность теории предполагает, что эти свойства могут быть изменены  телами, расположенными в непосредственной близости к объекту и не могут изменяться телами, расположенными далеко.

            Неравенства Белла дали в руки физиков инструмент для экспериментального разрешения этой проблемы. Все, что было для этого необходимо – две частицы, испущенные одновременно из одного источника. Если корреляции между ними нарушали неравенства Белла, отсюда следовало бы, что реальность нашего мира определяется законами квантовой механики. Если же неравенства Белла оказались бы справедливыми, это означало бы, что прав Эйнштейн и наш мир управляется классическими законами, а вероятности являются следствием наличия, например, неких скрытых параметров, как утверждал Эйнштейн. Однако, реализовать идеальные условия для экспериментальной проверки неравенств Белла оказалось очень сложно. И ни один из проведенных в то время экспериментов, нельзя было назвать окончательным.

            В начале 1970-х годов на сцене появляется молодой французский студент Алэйн Аспект. Он только что завершил обязательную военную службу в качестве преподавателя в Камеруне и искал тему для своей работы на соискание степени доктора философии (PhD). Случайно наткнувшись на работу Белла и познакомившись с историей дискуссии между Бором и Эйнштейном, он был просто очарован. “Это была самая захватывающая задача для экспериментатора – показать, кто же из них был прав”,- говорил Аспект, работавший в Институте Оптики, Palaiseau, France.

            Аспект посетил Белла, ища его благословения. Белл предупредил Аспекта, что исследование корней квантовой действительности является, по сути ”сумасшедшей физикой” и спросил, есть ли у него безопасная работа. “Есть. Пусть и незначительная, но постоянная”, - ответил Аспект. “Они не могут уволить меня”. И эта работа позволила ему предпринять семилетний поиск ответа на вопрос, кто же был прав, Борн или Эйнштейн.

            Эксперименты Аспекта были построены по образцу предыдущих экспериментов, направленных на проверку неравенств Белла. Сначала возбуждались атомы, испускающие пару фотонов с коррелированными поляризациями. Эти поляризации измерялись двумя отдельными датчиками. Результат эксперимента зависел от большого количества пар фотонов, для того, что бы результаты были статистически достоверны. К тому времени, когда Аспект со своими студентами Филиппом Грангиром и Жаном Далибардом был готов провести решающий эксперимент, благодаря развитию лазерных технологий проблема генерации запутанных фотонов была разрешена. “К 1980 году у меня был лучший в мире источник запутанных фотонов”,- говорил Аспект. Если раньше для воспроизводства нужного числа запутанных фотонов требовались часы или даже дни, то теперь для этого требовалась всего минута.

            Кропотливая работа продолжалась. И к 1982 году исследователи получили убедительный ответ на вопрос. Не было никакого сомнения, что Борн был прав. Неравенства Белла нарушались (Physical Review Letters, vol 49, p 91)., следовательно, мир являлся столь же сверхъестественным, как и квантовая теория.

Мелкие сомнения

            Думаете, на этом история завершилась? Ничего подобного. В физике эксперименты редко бывают окончательными. И в этой истории под влиянием авторитета Эйнштейна оставались мелкие сомнения, заключавшиеся в том, что природа дурачила экспериментаторов, заставляя думать, что квантовая теория истинна. Даже если исследованные корреляции превышали максимум Белла, оставались во множестве лазейки в экспериментах, заставляющие сомневаться, что

квантовая природа определяет реальность.

            “Вопрос о том, является ли природа реальности классической или кантовомеханической настолько глубок и столь важен, что мы должны провести эти эксперименты настолько чисто и без различных лазеек, насколько это возможно”, говорил Иоганн Кофлер, физик-теоретик из Венской команды. ”Этот вопрос является основой теории заговора природы против нас”.

            Эксперименты Аспекта были проведены с учетом одной лазейки, на которую указывал Белл – лазейки с локальностью. Если датчики, используемые для регистрации запутанных фотонов, расположены друг от друга не достаточно далеко, чтобы предотвратить связь между ними, осуществляемую на скорости света или даже меньше, тогда эта связь, осуществляемая через скрытый слой реальности, может изменить результат эксперимента. Иначе говоря, один датчик может показать результаты измерения другого датчика, прежде, чем свои результаты, и возможно изменит его параметры настройки, что так же изменит результат измерений.  “Если вы позволяете наличие такой связи, то нарушить неравенства Белла будет легко, поскольку нарушается требование локальности”, - говорил Кофлер.

            Очень эффективный источник запутанных фотонов и превосходная оптика, использовавшаяся Аспектом, позволили его команде разнести датчики примерно на 6 метров. Это дало им возможность изменить параметры настройки датчиков, после того, как фотоны покинули источник, что дало основание говорить о блокировании взаимодействия датчиков через скрытый канал (Physical Review Letters, vol 49, p 1804). Но этого момента было недостаточно. Команда имела в своем распоряжении только наносекунды, что бы изменить параметры настройки датчиков. Но этого времени было недостаточно, что бы изменить эти настройки хаотичным образом. Вместо этого, они были вынуждены использовать при таких изменениях периодический, предсказуемый алгоритм. Если бы скрытый канал связи существовал, то используемые датчики могли бы выяснить параметры настройки друг друга и снова сбить с толку эксперимент.

            Чтобы в корне пресечь такую возможность, в 1998 году Грегор Вайс, Антон Зайлинжер и их коллеги разнесли датчики на расстояние 400 метров по университетскому городку в Инсбруке, Австрия, используя для соединения источника запутанных фотонов с датчиками оптические волокна. Это дало им приблизительно 1,3 микросекунды для хаотического изменения настроек датчиков.  Что бы закрыть лазейку нелокальности точные атомные часы гарантировали, что измерения обоих датчиков были сделаны во временном интервале, порядка 5 наносекунд, что говорило об отсутствии скрытого канала связи между ними. Проведенный эксперимент указал на нарушение неравенств Белла (Physical Review Letters, vol 81, p 5039). Квантовая механика властвовала безраздельно.

            И все же это был не окончательный ответ. Лазейка нелокальности закрылась, и все внимание теперь было направлено на другие лазейки. Следующая лазейка была связана с осуществлением выборки фотонов. Дело в том, что датчики, использовавшиеся во всех экспериментах, были неэффективными и выбирали только незначительную часть фотонов, испущенных источником. А что если маленького подмножества спутанных фотонов было достаточно для нарушения неравенств Белла, а на большем их количестве неравенства Белла выполнялись? Неправдоподобно, но не невозможно.

            Эта лазейка была закрыта в 2001 году группой, возглавляемой Дэвидом Винеландом, Национальный Институт Стандартов и Технологии, Боулдер, Колорадо. Вместо фотонов исследователи запутывали пару ионов бериллия, каждый из которых мог находиться в квантовомеханической суперпозиции двух энергетических состояний.  В зависимости от того, в каком состоянии находился ион, он мог рассеивать либо много фотонов, либо малое их количество. Облучая ионы лазерным излучением и измеряя рассеиваемые им фотоны, состояния ионов, могли быть определены почти со 100% эффективностью (Nature, vol 409, p 791).

            Снова корреляции, найденные между состояниями ионов бериллия были намного большими, чем это предполагалось неравенствами Белла, и могли быть объяснены только с квантовомеханической точки зрения. Но и эти результаты могли быть оспорены, поскольку расстояние между ионами было порядка 3 микрон. Хотя лазейка с регистрацией была в этом эксперименте закрытой, лазейка с нелокальностью имела в нем место.

Свобода выбора

            Кроме того существовала еще одна, довольно тонкая лазейка, о которой мы и поговорим. Дело в том, что проверка неравенств Белла предполагает,  что исследователи обладают определенной свободой выбора параметров настройки своих датчиков. Но есть ли она? Что если есть некий способ, с помощью которого источник частиц может влиять на параметры настройки обоих датчиков, используя некий скрытый слой реальности? Тогда используя эту возможность, источник мог испустить фотоны, которые только лишь ”подражали” бы квантовомеханической запутанности. Закрытие этой лазейки приводит нас к Канарским островам.

            Цель эксперимента, охватившего пространство от Ла Пальмы до Тенерифе, объединяющего в себе эксперименты Арсина, Кофлера, Зайлингера и других заключалась в том, что бы закрыть все лазейки, подвергавшие сомнению ранние эксперименты.  В то время, как один из запутанных фотонов двигался над Атлантикой и достигал одного из датчиков в течение 479 миллисекунд, другой двигался по 6 километровому оптическому волокну, достигая второго датчика за 29,6 миллисекунды. Генераторы случайных чисел изменяли настройки обоих датчиков во время, пока фотоны были в пути.

            Что бы гарантировать свободу выбора параметров для второго датчика, генератор случайных чисел, определяющий его настройку, находился на расстоянии 1,2 километра от источника фотонов и его работа и эмиссия пар фотонов были рассчитаны так, что бы исключить их влияние друг на друга. На Тенерифе генератор случайных чисел выбирал настройку датчика прежде, чем его достигал фотон, прибывающий из Ла Пальмы, гарантируя тем самым, что источник фотонов не мог на него влиять. При этом, естественно, полагалось, что никакое стороннее влияние не может распространяться быстрее, чем движущийся фотон. Что было получено в результате? И снова эксперимент эффектно подтвердил нарушение неравенств Белла (Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 107, p 19708).

            Этот эксперимент, по-видимому, закрыл все три основные лазейки – нелокальность, справедливую выборку и свободу выбора. Дискуссия между Эйнштейном и Бором, наконец, разрешилась в пользу Бора?

            Возможно и так. В то время как некоторые исследователи обнаруживают все большее количество квантовых лазеек, педанты отмечают, что пока еще никто не осуществлял эксперимента, закрыв все три главные лазейки одновременно. Пол Квайат и Нобелевский лауреат Энтони Леджетт, оба из Иллинойского университета, Urbana-Champaign, возглавляют команду, только пытающуюся провести подобный эксперимент. Используя мощный источник света, очень быстрые генераторы случайных чисел и высокоэффективные датчики они надеются провести эксперимент без единой лазейки.

            Леджетт не ожидает от этого эксперимента никаких неожиданностей. “Это был бы самый сверхъестественный заговор природы, если бы все работало, когда вы перекрыли две лазейки из трех в одном эксперименте и затем, когда вы перекрыли бы все три лазейки одновременно – его результат изменился”, - говорит он.

            Более провокационным является вопрос, а можем ли мы в принципе перекрыть последнюю лазейку? А что, если мы живем в детерминированном мире, где даже результат работы квантового генератора случайных чисел предопределен? Положительный ответ сделал бы нас простыми заложниками в большой игре. “Если Вселенной управляет детерминированность, в ней не существует ничего, что бы Вы могли сделать, как экспериментатор”, - говорит Кофлер.

            Но для огромного большинства физиков этот вопрос не вызывает большого беспокойства, утверждает Леджетт. Дело в том, что теория скрытых параметров, которой придерживался Эйнштейн, не жизнеспособна. В то время, как квантовая механика, которая возможно не является истиной в первой инстанции, является лучшим описанием действительности, которое мы имеем в настоящее время.

            Так Эйнштейн был неправ?  На этом можно поставить точку, говорит Зайлингер. “Да, Эйнштейн был неправ в своем понимании реальности”, - утверждает он. “И я многое бы отдал, что бы услышать его комментарии к происходящему”. Вынуждая нас исследовать самые основания квантовой механики, проблемы, сформулированные Эйнштейном, привели нас к лучшему пониманию реальности, утверждает он.

            Эта проблема явилась достойной причиной для того, что бы исследователи провели множество темных ночей в самой верхней точке Ла Пальмы. Если бы призраки Эйнштейна и Бора присутствовали на этих звездных вахтах, они бы испытали чувство удовлетворения. Бор, вследствие того, что исследователи подтвердили его воззрения на природу реальности, а Эйнштейн вследствие того, что исследовалась сама природа реальности.           

Скрытый мир Эйнштейна

            Эйнштейн не признавал соответствия квантовой теории реальному миру и в 1935 году он высказал свои сомнения в статье «Может ли квантовомеханическое описание физической системы считаться полным?» (Physical Review A, vol 47, p 777), написанной совместно с двумя молодыми физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном. В своей статье они сформулировали основные положения, известные ныне как парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена. Они утверждали, что теория полна, если она в состоянии достаточно полно описать любой элемент физической системы. Если движущееся тело имеет в определенный момент времени координату и импульс, то теория должна включать в себя некие “переменные”, которые будут говорить Вам об их значении. Это положение прекрасно срабатывает, если речь идет, скажем, об автомобилях, но в квантовом мире все оказывается не таким простым. Согласно известному принципу неопределенности, установленному в 1927 году Вернером Гейзенбергом, Вы можете получить точное значение координаты частицы, но об ее импульсе Вы не сможете сказать ничего. И наоборот. Отсюда, как говорил Эйнштейн, может следовать два вывода. Либо координата и импульс не существуют одновременно, либо квантовомеханическое описание неполно. Есть ситуации, в которых ситуация еще более сложна. Рассмотрим, например, случай, когда взрыв шрапнели, разделяет ее на два осколка, разлетающихся в противоположных направлениях. Этот случай легко описывается классической физикой. Существует связь, легко поддающаяся проверке, между скоростью осколков, направлением их движения и их массами, которая легко устанавливается из закона сохранения импульса.

            В квантовой механике аналогичная ситуация приводит к проблемам. Представьте себе частицу, которая, находясь в состоянии покоя, распадается на две частицы, разлетающиеся в противоположных направлениях. Согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, установленной Нильсом Бором и другими пионерами квантовой теории, физические свойства частицы не определены, пока не проведено измерение этих свойств. Но проведенные измерения положения или импульса одной из разлетающихся частиц немедленно определяют положение или импульс второй частицы, несмотря на то, что эти свойства до измерения были неопределены. Каким образом, информация о второй частице может быть мгновенно передана через произвольное расстояние?

            Эйнштейн утверждал, что в квантовой механике заложено “похожее на привидение, жуткое взаимодействие на расстоянии”. Вместо этого он полагал, что должен существовать некий элемент теории, “скрытая переменная”, которая и устанавливает результаты обоих измерений заранее, точно так, как это устанавливает закон сохранения импульса в классическом случае. Таким образом, он приходил к выводу, что квантовая механика содержит в себе неполное описание окружающей нас реальности.

Квантовые дуэлянты

            Альберт Эйнштейн, родился 14 марта 1879 года в городе Ульм, Германия. Умер 18 апреля 1955 года в Принстоне, Нью – Джерси.

 В наиболее плодотворный для него, 1905 год, Эйнштейн не только публикует специальную теорию относительности и свое знаменитое уравнение, устанавливающее эквивалентность массы и энергии E=mc², но и становится первым человеком, который соединяет физическую реальность с понятием кванта, введенного Максом Планком пятью годами ранее. Эйнштейн описал процесс отрыва электронов от поверхности освещенного металла, фотоэлектрический эффект, в терминах крошечных дискретных пакетов энергии света – фотонов. Именно за это описание фотоэлектрического эффекта в 1921 году он был удостоен Нобелевской премией.

            Нильс Бор, родился 7 октября 1885 года в городе Копенгаген, Дания. Умер 18 ноября 1962 года в городе Копенгаген, Дания.

 В 1913 году Бор использовал принцип квантования, что бы сформулировать постулат, гласивший, что электроны в атомах могут существовать только в дискретных энергетических состояниях и таким образом он объяснил спектр излучения атома водорода. За эту работу в 1922 году он получил Нобелевскую премию по физике, вслед за Эйнштейном.

            Бор продолжал развивать принцип корпускулярно-волнового дуализма, лежащий в основе наиболее признанной Копенгагенской интерпретации квантовой теории. Этот принцип утверждает, что квантовая частица является и волной и частицей и только акт измерения заставляет ее проявлять либо волновые, либо корпускулярные свойства.

Коллапс реальности

            В то время, как главные лазейки в экспериментах закрываются, другие исследователи открывают новые. Рассмотрим, например, “коллапс локальности”, детище Адриана Кента, Университет Кембриджа.

            Согласно многим интерпретациям квантовой теории, пара запутанных фотонов существует в суперпозиции квантовых состояний до момента измерения. Но в какой интервал времени эта суперпозиция переходит в определенное состояние? Эксперименты, проведенные на настоящий момент, позволяют утверждать, что этот переход осуществляется мгновенно. Но в некоторых интерпретациях это не так. Некоторые из них полагают, что для того, что бы быть зарегистрированным человеческим сознанием, процесс разрушения суперпозиции должен занимать целых 0,1 секунды. Это означает, что одно квантовое состояние может сигнализировать о своем распаде другому, прежде, чем оно может быть зарегистрировано. Что бы закрыть эту лазейку экспериментаторы должны сделать запись событий, разнесенных друг от друга на расстояние больше, чем 0,1 световая секунды. А это приблизительно 30 000 километров (Physical Review A, vol 72, p 012107).

            “Это кажется неправдоподобным”,- утверждает Нобелевский лауреат Энтони Леджетт,  Иллинойский университет, Urbana-Champaign. “Но с другой стороны, если бы Вы сказали мне в 1985 году, что подобный эксперимент будет проведен на расстоянии более 100 километров, я бы решил, что Вы шутите”.

Перевод gopman