Скорость передачи запутанных состояний впервые превысила скорость их разрушения. Скорость квантовой запутанности

Четыре способа преодолеть вселенское ограничение скорости

Когда Альберт Эйнштейн впервые установил, что свет движется с одинаковой скоростью по нашей Вселенной, он, по сути, установил ограничение скорости на 299 792 458 метров в секунду. Но это не конец. На самом деле это только начало. До Эйнштейна масса — атомы, из которых вы, я и все вокруг состоим — и энергия рассматривались как отдельные величины. Но в 1905 году Эйнштейн навсегда изменил способ физического восприятия Вселенной.

Специальная теория относительности связала массу и энергию вместе в простом, но фундаментальном уравнении E=mc^2. Это маленькое уравнение означает, что никакая масса не может двигаться так же быстро, как свет, или быстрее.

Человечество ближе всего подходило к пределу скорости света в мощных ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера и Тэватрона. Эти колоссальные машины ускоряют субатомные частицы до 99,99% скорости света, но, как объясняет нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс, эти частицы никогда не достигают космического предела скорости.

Для этого понадобится бесконечное количество энергии, а масса объекта станет бесконечной, что невозможно. (Частицы света фотоны могут двигаться со скоростью света, потому что массы не имеют).

После Эйнштейна физики обнаружили, что некоторые величины могут достигать сверхлюминальных (или сверхсветовых) скоростей и по-прежнему соблюдать космические правила, установленные специальной теорией относительности. Хотя это не опровергает теорию Эйнштейна, оно дает нам представление о своеобразном поведении света и квантовом пространстве.

Световой эквивалент звукового удара

Когда объекты движутся быстрее скорости звука, они создают звуковой удар. Таким образом, в теории, если что-то движется быстрее скорости света, оно должно производить нечто вроде «светового удара».

По факту этот световой удар происходит ежедневно и по всему миру — его можно даже увидеть глазами. Он называется излучением Черенкова (эффектом Черенкова — Вавилова) и выглядит как голубоватое свечение внутри ядерных реакторов (на снимке ниже — Продвинутого испытательного реактора).

Излучение Черенкова названо в честь советского ученого Павла Алексеевича Черенкова, который впервые измерил его в 1934 году и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1958 году за свое открытие.

Излучение Черенкова светится, потому что ядро реактора погружено в воду с целью охлаждения. В воде свет движется медленнее, его скорость составляет 75% скорости света в вакууме космоса, но электроны, которые рождаются в процессе реакции внутри ядра, движутся в воде быстрее света.

Частицы вроде этих электронов, которые превосходят в скорости свет в воде или какой-либо другой среде вроде стекла, создают ударную волну, подобную ударной волне от звукового удара.

Когда ракета, например, проходит через воздух, она генерирует волны давления перед собой, которые толкают воздух со скоростью звука, и чем ближе ракета к звуковому барьеру, тем меньше времени остается у волн, чтобы уйти с пути объекта. Достигнув скорости звука, ракета смалывает волны в кучу, создавая ударный фронт, который приводит к мощному звуковому удару.

Аналогичным образом, когда электроны движутся сквозь воду со скоростью, превышающую скорость света в воде, они порождают ударную волну света, которая иногда светится синим цветом, но может светиться и в ультрафиолете.

Хотя эти частицы движутся быстрее света в воде, на деле же они не нарушают космического ограничения скорости в 300 000 км/с.

Когда правила не учитываются

Не стоит забывать, что специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто с массой не может двигаться быстрее скорости света; и, насколько физики могут утверждать, вселенная соблюдает это правило. Но как быть с тем, что без массы?

Фотоны по своей природе не могут превзойти скорость света, но частицы света — не единственные безмассовые вещи во вселенной. Пустое пространство не содержит материальную субстанцию, а значит не имеет массы по определению.

«Поскольку ничто не может быть более пустым, чем вакуум, он может расширяться быстрее скорости света, поскольку ни один материальный объект не нарушает световой барьер, — считает астрофизик-теоретик Мичио Каку. — Таким образом, пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света».

Физики считают, что так и произошло сразу после Большого Взрыва в эпоху инфляции, которую впервые предположили физики Алан Гут и Андрей Линде в 1980-х годах. В течение триллионной триллионной доли секунды Вселенная умножалась на два в размерах и в результате расширилась экспоненциально очень быстро, значительно превысив скорость света.

Квантовая запутанность срезает углы

Квантовая запутанность кажется сложной и пугающей, но в самом простом смысле запутанность — это просто способ взаимодействия субатомных частиц. И что самое интересное в этом явлении, так это то, что процесс этой связи может происходить быстрее света.

«Если два электрона свести достаточно близко, они начнут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Потом, если разделить эти электроны сотнями или даже тысячами световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой моментально почувствует эту вибрацию, быстрее скорости света. Эйнштейн думал, что это явление должно опровергнуть квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света».

Но в 1935 году Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен попытались опровергнуть квантовую теорию в ходе мысленного эксперимента, который Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».

По иронии судьбы, их работа легла в основу так называемого парадокса ЭПР (Эйнштейна — Подольского — Розена), который описывает эту мгновенную связь в процессе квантовой запутанности. Это, в свою очередь, может лечь (и постепенно ложится) в основу многих передовых технологий, таких как квантовая криптография.

Мечты о кротовых норах

Поскольку ничто с массой не может двигаться быстрее света, вы можете распрощаться с межзвездными путешествиями — во всяком случае в классическом смысле, с ракетами и обычными полетами.

Хотя Эйнштейн и похоронил наши мечты о глубоком космосе со своей специальной теорией относительности, он дал нам новую надежду на межзвездные путешествия со своей общей теорией относительности в 1916 году.

В то время как специальная теория относительности «женит» массу и энергию, общая теория относительно смыкает вместе пространство и время.

«Единственный возможный способ преодолеть световой барьер может быть скрыт в общей теории относительности и искривлении пространства времени, — считает Каку. — Это искривление мы называем «червоточиной», и она теоретически может позволить нам преодолевать огромные расстояния мгновенно, буквально пронзая насквозь ткань пространства-времени».

В 1988 году физик-теоретик Кип Торн — научный консультант и продюсер фильма «Интерстеллар» — использовал уравнения общей относительности Эйнштейна, чтобы предсказать возможное существование червоточин, которые открыли бы нам дорогу в космос. Но в его случае этим кротовым норам необходима была странная экзотическая материя, которая поддерживала бы их в открытом состоянии.

«Удивительный на сегодня факт: это экзотическое вещество может существовать, благодаря странностям законов квантовой механики», — пишет Торн в своей книге «Наука «Интерстеллара».

И это экзотическое вещество может быть когда-нибудь создано в лабораториях на Земле, хотя и в небольших количествах. Когда Торн предложил свою теорию стабильных червоточин в 1988 году, он призвал сообщество физиков помочь ему определить, может ли во вселенной существовать достаточно экзотического вещества, чтобы сделать существование червоточин возможным.

«Это породило много исследований в сфере физике; но сегодня, спустя тридцать лет, ответ до сих пор неясен, — пишет Торн. Пока все идет к тому, что ответ «нет», но, — Мы пока далеко от окончательного ответа».

hi-news.ru

Подробная история о том, почему квантовой механике разрешают работать быстрее скорости света: Наука и техника: Lenta.ru

Совсем недавно Лента.ру сообщила, что ученые из Женевы провели самый масштабный и точный на сегодняшний день опыт по измерению скорости взаимодействия спутанных (entangled) фотонов. Эта статья вызвала бурную реакцию читателей. Для того, чтобы пояснить представленные в статье факты было решено написать подробный комментарий на эту тему.

Квантовая запутанность

Для начала напомним несколько основных аспектов теории.

Основным объектом, которым оперирует квантовая механика, является волновая функция. Она характеризует вероятность нахождения квантового объекта в том или ином состоянии. Одним из основных отличий квантовой механики от обычной является то, что наблюдатель, проводя измерения, всегда воздействует на изучаемый объект. С точки зрения квантовой механики до измерения объект находится одновременно во всех состояниях сразу. При измерении состояния происходит схлопывание (коллапс) волновой функции, и объект переходит в некоторое конкретное состояние – теряет неопределенность.

Хорошим примером служит так называемый кот Шредингера. Представим, что у нас имеется кот, которого поместили в темный ящик. Помимо кота туда же установлено устройство, которое с вероятностью 50 процентов через минуту выпускает в ящик отравленный газ. Через минуту кота можно смело считать квантовым объектом. Он одновременно находится в двух состояниях – жив и мертв с вероятностью 50 процентов в каждом. Когда ящик откроют, то есть проведут измерение, неопределенность разрушится, и станет точно известно, что случилось с котом.

Явление запутывания означает, что характеристики частиц, входящих в состав квантовой системы, находятся в зависимости друг от друга. Чтобы понять, как работает запутывание, снова обратимся к котам и ящикам. Возьмем два идентичных ящика и в один из них поместим кота. Ящики отправим друзьям авиапочтой: один в Калининград, другой – во Владивосток. При этом получатели не знают, есть ли в их посылке кот. Ящики в данном случае являются квантовыми объектами. Можно считать, что оба ящика содержат по коту с вероятностью 50 процентов. Однако, когда один из ящиков, например, в Калининграде откроют, и волновая функция одного из объектов схлопнется к конкретному значению, то это автоматически приведет к схлопыванию второй функции. Если кота обнаружили в Калининграде, то его точно нет во Владивостоке и наоборот.

Возражения Эйнштейна

В 1935 году Альберт Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном публикуют статью "Может ли описание мира квантовой механикой считаться завершенным?" (Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?), в которой излагают последовательную критику этой науки. В статье были сформулированы критерии, по которым следовало судить о произвольной физической теории. Под "завершенностью" авторы понимали такое состояние теории, что всякий объект из реального мира находит в ней свое отражение (при этом существование реального мира, не зависящего от наблюдателя, постулируется). Прибегнув к некоторому умозрительному эксперименту, ученые доказывали, что квантовая механика не может считаться "полной".

В основе эксперимента лежало явление квантовой запутанности, а в основе аргументации – принцип локальности, который утверждает, что событие, произошедшее в некоторой точке системы, не может одновременно сказаться на всей системе.

Возникающие противоречия Эйнштейн объяснял несовершенством аппарата квантовой механики. Он считал, что эта наука является аппроксимацией более совершенной теории, которая уже не содержит таких "несуразностей", как запутанность, которую он называл "пугающим действием на расстоянии".

Легко видеть, что аргументация не была в достаточной мере математизирована: в ней на равных использовалось явление запутанности, хорошо описываемое математически, и понятие более совершенной теории. А если нет математического аппарата, то невозможно опытным путем проверить выполняется тезис или нет.

Возражения возражениям

Сначала физики пытались подвести математический аппарат под философский аргумент Эйнштейна про более совершенную теорию. Результатом этих попыток стала теория так называемых локальных скрытых переменных. Эти таинственные переменные сообщают частицам как себя вести при измерении. Тут уместно будет снова вернуться ненадолго к котам и ящикам. Роль скрытых переменных в случае с посылками в Калининград и Владивосток играли мы, поскольку нам было известно, в каком ящике кот есть. Никакой неопределенности для нас не существовало.

Достаточно быстро ученые установили, что если дополнительные переменные есть, то их должно быть бесконечно много. В 1964 Джон Белл сформулировал так называемые локальные неравенства, которые получили название неравенств Белла. Оказалось, что в случае наличия скрытых локальных переменных квантовая система не может вести себя произвольным образом. Беллу удалось оценить степень корреляции – численную величину, которая описывает то, насколько сильно взаимосвязаны частицы для некоторых квантовых систем, в частности для запутанных фотонов. Оказалось, что эта величина не может превышать 0,71.

Достаточно быстро выяснилось, что экспериментальные данные противоречат этим неравенствам. Первые подобные тесты (тесты Белла) были выполнены Фридманом и Клаузером в 1972 году. В последовавшей за тестом работе ученые формулировали так называемую теорему о нелокальности, которая утверждает, что всякое изменение объектов входящих в квантовую систему влияет на ее общую эволюцию.

С тех пор было проведено достаточно много тестов Белла. Самыми популярными объектами для них стали фотоны. Это связано с тем, что запутать пару фотонов достаточно просто. Однако вскоре появилась критики подобных экспериментов. Экспериментаторы признают, что возможности теоретических ошибок существуют, но при этом утверждают, что в ближайшие годы стоит ожидать идеального теста Белла, который раз и навсегда решит вопрос с локальностью.

Эксперимент Белла Университета Женевы

Эксперимент, поставленный физиками из Университета Женевы, является очередным шагом на пути к идеальному эксперименту. Напомним, в чем он заключался.

Итак, в лаборатории университета создавалась пара запутанных фотонов. Эти фотоны разделяли, и посылали в две близлежащие деревни Жюсси (Jussy) и Саньи (Sagny), одна из которых находится к востоку, а другая к западу от Женевы. Город находится почти в середине отрезка, соединяющего эти два населенных пункта. Общая длина пути составляет около 18 километров.

Физики в Жюсси и Саньи фотоны получали и измеряли один из параметров – их энергию. После этого считали показатель корреляции. Его значение оказалось в пределах от 0,8 до 0,95 – больше ограничения (0,71), накладываемого неравенством Белла. Большое расстояние было необходимо для того, чтобы исключить эффект локальной запутанности – то есть предположения, что коллапс волновых функций не является одновременным, а происходит в результате того, что одна частица сообщает другой о факте измерения.

Новые результаты швейцарских ученых позволили оценить скорость взаимодействия двух спутанных фотонов. Она оказалась в десятки тысяч раз больше скорости света. Сами ученые считают, что это связано с иными свойствами пространства-времени в механике. По словам физиков, подобное сверхбыстрое взаимодействие совершенно не противоречит классической теории относительности. Напомним, что согласно этой теории, информация (взаимодействие) не может распространяться быстрее скорости света. В рамках запутанности не происходит передачи информации в классическом понимании. Таким образом, признавая существование квантовых эффектов, мы, пользуясь терминологией Эйнштейна, вынуждены заключить, что теория относительности не является "полной".

Сами авторы опыта также не скрывают того факта, что современная теория не в состоянии объяснить механизмы некоторых квантовых взаимодействий. Исследователи считают, что это связано с нашим примитивным пониманием пространства и времени. Практические работы в этом направлении, однако, ведутся. Недавно ученым сначала удалось уменьшить квантовую неопределенность, а потом обратить процесс схлопывания волновой функции

Многоликие кванты

Хочется отметить еще одну вещь. Существует несколько интерпретаций квантовой механики, некоторые из которых кажутся совершенно экзотическими. При этом математический аппарат разных механик схож – отличается то, каким образом результаты описывают окружающую действительность. При этом вопрос интерпретации – это в первую очередь философский вопрос. Наиболее сложными являются объяснения коллапса волновой функции и квантовой запутанности.

Например, существует теоретическая основа называемая формализмом фон Неймана. Немного изменив интерпретацию аксиом, можно добиться того, что явление запутанности не влечет за собой теорему Фридмана-Краузера о нелокальности. Кроме этого не сдаются люди, поддерживающие теорию скрытых локальных переменных. Например, предлагается добавить к переменным так называемое скрытое время. По словам создателей, это позволит решить многие проблемы, присущие квантовой механике, и для подобной теории не будут выполняться неравенства Белла. Непонятно, правда, не вызовет ли скрытое время появление еще более глобальных проблем.

В заключение необходимо напомнить, что со времени публикации работы Эйнштейна прошло более 70 лет, а физики до сих пор не пришли к единому мнению: есть локальность, или ее нет.

lenta.ru

4 способа преодолеть скорость света | Futurist

Автор: Екатерина Бруй | 20 января 2016, 16:15

Cкорость распространения света равна 299 792 458 метров в секунду, но предельной величиной она давно уже не является. «Футурист» собрал 4 теории, где свет уже не Михаэль Шумахер.

Американский ученый японского происхождения, специалист в области теоретической физики Митио Каку уверен, что скорость света вполне может быть преодолена.

Большой взрыв

Самым известным примером, когда был преодолен световой барьер, Митио Каку называет Большой взрыв – сверхбыстрый «хлопок», ставший началом расширения Вселенной, до которого она находилась в сингулярном состоянии.

«Ни один материальный объект не может преодолеть световой барьер. Но пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света. Ничто не может быть более пустым, чем вакуум, значит он может расширяться быстрее скорости света», -– уверен ученый.

Фонарик в ночном небе

Если светить фонарем в ночном небе, то в принципе луч, который идет из одной части Вселенной в другую, находящуюся на расстоянии многих световых лет, может двигаться быстрее скорости света. Проблема в том, что в этом случае не будет материального объекта, который действительно движется быстрее света. Представьте, что вы окружены гигантской сферой диаметром один световой год. Изображение луча света промчится по этой сфере за считанные секунды, несмотря на ее размеры. Но только изображение луча может двигаться по ночному небу быстрее света, а не информация или материальный объект.

Квантовая запутанность

Быстрее скорости света может быть не какой-то объект, а целое явление, а точнее взаимосвязь, которая называется квантовой запутанностью. Это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или нескольких объектов взаимозависимы. Чтобы получить пару квантовозапутанных фотонов, можно посветить на нелинейный кристалл лазером с определенными частотой и интенсивностью. В результате рассеивания лазерного луча, возникнут фотоны в двух разных конусах поляризации, связь между которыми и будет называться квантовой запутанностью. Итак, квантовая запутанность – это один способов взаимодействия субатомных частиц, и процесс этой связи может происходить быстрее света.

«Если два электрона свести вместе, они будут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Но если затем разделить эти электроны множеством световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой почувствует эту вибрацию, причем произойдет это быстрее скорости света. Альберт Эйнштейн думал, что это явление опровергнет квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света, но на самом деле он ошибался», -– говорит Митио Каку.

Кротовые норы

Тема преодоления скорости света обыгрывается во многих научно-фантастических фильмах. Сейчас даже у тех, кто далек от астрофизики, на слуху словосочетание «кротовая нора», благодаря фильму «Интерстеллар». Это особое искривление в системе пространство-время, туннель в пространстве, позволяющий преодолевать огромные расстояния за ничтожно малое время.

О таких искривлениях говорят не только сценаристы фильмов, но и ученые. Митио Каку считает, что кротовая нора (wormhole), или, как ее еще называют, червоточина – один из двух наиболее реальных способов передавать информацию быстрее, чем со скоростью света.

Второй способ, связанный также с изменениями материи – сжатие пространства впереди вас и расширение позади. В этом деформированном пространстве возникает волна, которая движется быстрее скорости света, если управляется темной материей.

Таким образом, единственный реальный шанс для человека научиться преодолевать световой барьер может скрываться в общей теории относительности и искривлении пространства и времени. Однако все упирается в ту самую темную материю: никто так и не знает, существует ли она точно, и стабильны ли кротовые норы.

Оригинал статьи

Понравилась статья?

Поделись с друзьями!

Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0

Подпишись на еженедельную рассылку

futurist.ru

Скорость передачи запутанных состояний впервые превысила скорость их разрушения

P. Humphreys et al. / Nature

Физики из Технического университета Делфта (Нидерланды) построили первую квантовую сеть, в которой скорость передачи квантовых состояний между кубитами превысила время их декогеренции (разрушения). В качестве кубитов ученые использовали NV-центры в алмазах, а для повышения эффективности сети исследователи модифицировали стандартную двухфотонную схему и максимально уменьшили влияние фоновых шумов. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Основная задача квантовой связи — запутывание» систем, находящихся на противоположных концах линии, то есть синхронизация их квантовых состояний. Как правило, такую синхронизацию выполняют по следующей схеме. Сначала ученые случайным образом изменяют квантовое состояние системы, которую нужно запутать с системой на противоположном конце линии, и заставляют ее излучать фотоны, состояние которых связано с состоянием системы. Затем полученные фотоны передают по оптоволоконным кабелям (или любым другим способом) и сравнивают, дожидаясь момента, пока их состояния не совпадут. Как только такой момент наступает, синхронизация считается оконченной. Подробнее про квантовую запутанность и работу квантовых линий связи можно прочитать в наших материалах «Квантовая азбука: „Нелокальность“» и «Квантовая азбука: „Телепортация“».

Ключевыми параметрами квантовой сети, определяющими ее эффективность, является скорость генерации фотонов и скорость декогеренции (разрушения) квантовых систем. Первый из параметров определяет, как часто по линии связи можно передавать квантовые состояния (сто раз в секунду или один раз в час), а второй — как долго состояния сохраняются после передачи. Отношение этих скоростей называют эффективностью квантовой связи; чем выше эффективность, тем больше совпадают квантовые состояния систем на противоположных концах линии. В физике степень совпадения измеряют с помощью параметра «верности» (fidelity), который равен единице для запутанных состояний и нулю для абсолютно случайных состояний. Соответственно, в пределе нулевой эффективности линии «верность» равна одной четвертой (то есть квантовой запутанности нет), а в пределе бесконечно большой эффективности стремится к единице по довольно сложной формуле. Переломный момент, при котором «верность» становится больше ½, наступает при эффективности линии более 0,83. Проще говоря, при высокой частоте генерации фотонов и низкой скорости распада состояний запутать системы на противоположных концах линии легко, а в противоположном случае — сложно.

Зависимость «верности» при синхронизации квантовых состояний систем от эффективности квантовой сети

P. Humphreys et al. / Nature

Таким образом, для создания полноценной квантовой сети необходимо повысить скорость генерации фотонов и научиться как можно дольше сохранять состояния систем на противоположных концах линии, причем за обоими параметрами нужно следить одновременно. К сожалению, в настоящее время эффективность линий квантовой связи не превышает единицы, и непрерывно передавать состояния не получается — вместо этого ученые используют постобработку, то есть дополнительно отслеживают моменты, в которые системы были запутаны. Например, частота генерации фотонов полупроводниковыми квантовыми точками достигает несколько килогерц, однако частота декогеренции подобных систем еще в десять тысяч раз больше, и итоговая эффективность квантовой сети исчезающе мала. Более перспективными квантовыми системами служат NV-центры — точечные дефекты в алмазе, которые получаются при удалении из его кристаллической решетки атома углерода и связывании возникшей вакансии с атомом азота. Частота генерации фотонов в подобных системах достигает десяти миллигерц, а частота декогеренции находится на уровне одного герца.

Именно такие системы группа физиков под руководством Рональда Хансона (Ronald Hanson) использовала для создания квантовой сети с рекордно большой эффективностью. В поставленном ими эксперименте NV-центры моделировали кубиты, состояние которых определялось проекцией спина центра, и находились на расстоянии около двух метров друг от друга. Изначально каждый из кубитов переводился путем оптической накачки в состояние «спин вверх», а затем когерентно «поворачивался» в произвольное состояние под действием микроволнового импульса. Другими словами, итоговое состояние кубита представляло собой комбинацию состояний «вверх» и «вниз» с некоторыми коэффициентами, которые определялись параметрами импульса. После этого ученые облучали кубит лазером и заставляли его излучать запутанные фотоны — так, что вероятность обнаружить эти фотоны в сети определялись теми же коэффициентами, что и состояние кубита.

Схема синхронизации квантовых состояний

P. Humphreys et al. / Nature

Схема стандартной (слева) и модифицированной (справа) экспериментальной установки

P. Humphreys et al. / Nature

Кроме того, чтобы повысить скорость генерации фотонов и уменьшить частоту декогеренции, ученые модифицировали стандартную двухфотонную схему для передачи квантовой запутанности, добавив в нее стадию стабилизации состояний. На этом этапе ученые снова облучали кубиты лазером, использованном для оптической накачки, и ловили отраженные фотоны детектором, с помощью которого подтверждалась квантовая запутанность систем на одном из предыдущих этапов. На основании этих измерений физики подстраивали фазу фотонов, растягивая оптоволокно с помощью специальных пьезоэлектрических растяжителей. Кроме того, исследователи как можно сильнее снизили влияние внешних фоновых шумов на состояние NV-центров. Это позволило им добиться увеличения времени декогеренции систем с пяти микросекунд до нескольких сотен миллисекунд (то есть примерно в сто тысяч раз). Частота генерации фотонов при этом находилась на уровне нескольких герц, что более чем в сто раз превышало результаты предыдущих экспериментов.

Более подробное описание этапа, на котором происходит стабилизация состояний

P. Humphreys et al. / Nature

В результате эффективность построенной физиками линии связи достигала десяти, что позволяло им получать запутанные состояния с высокой степенью «верности» и «на лету» корректировать возникающие расхождения между кубитами. Например, при частоте генерации фотонов около шести герц «верность» примерно равнялась F ≈ 0,82, а на частоте порядка сорока герц F ≈ 0,62. Постобработка данных при этом не требовалось. Таким образом, ученые впервые научились запутывать состояния быстрее, чем они начинали разрушаться. По словам авторов статьи, это достижение позволит в ближайшем будущем подключить к сети третье устройство и создать настоящий «квантовый интернет», по которому системы будут обмениваться квантовыми состояниями. Напомним, что в настоящее время все квантовые сети соединяют не более двух систем.

За последние десять лет дальность передачи информации по квантовым каналам связи выросла в несколько миллионов раз. Так, в 2009 году физикам удавалось передать квантовые состояния ионов на расстояние всего одного метра, а в сентябре 2017 года рекорд дальности квантовой связи, установленный китайскими физиками, составил более 7500 километров. Кроме того, ученые постоянно совершенствуют каналы связи, уменьшая в них число потерь и ускоряя исправление ошибок, которые неизбежно возникают при передаче запутанных фотонов. Эти достижения позволили ученым построить простейшие квантовые сети, которые работают в условиях мегаполиса. В частности, одна из таких сетей работает в Москве и используется для передачи ключей шифрования между двумя отделениями «Газпромбанка». Подробнее прочитать, как устроена эта линия, можно в нашем интервью с учеными, которые участвовали в ее постройке.

Дмитрий Трунин

nplus1.ru

они передали информацию быстрее скорости света

В новом эксперименте ученые "запутали" два фотона, затем разделили их и послали по оптоволоконному кабелю из Женевы в две разные деревни - Сатиньи и Жюсси, расположенные в 18 километрах друг от друга

ВСЕ ФОТО

Швейцарские ученые опровергли Эйнштейна: они передали информацию быстрее скорости света Архив NEWSru.com В новом эксперименте ученые "запутали" два фотона, затем разделили их и послали по оптоволоконному кабелю из Женевы в две разные деревни - Сатиньи и Жюсси, расположенные в 18 километрах друг от друга nature.com Запутанные частицы отличаются от обычных тем, что ряд их характеристик находятся в зависимости между собой Архив NEWSru.com

Швейцарские исследователи из Университета Женевы провели эксперимент, в котором информация передавалась быстрее скорости света, тем самым опровергнув Альберта Эйнштейна

Ученые изучали так называемую "квантовую запутанность" - явление, при котором квантовое состояние частиц должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если частицы разнесены в пространстве, сообщает Полит.ру со ссылкой на журнал Nature. Вследствие этого явления возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами частиц. До сих пор неизвестно, что же в действительности происходит во время квантового запутывания.

- Квантовая запутанность и почему ее не любил Эйнштейн (СПРАВКА)

Запутанные частицы отличаются от обычных тем, что ряд их характеристик находятся в зависимости между собой. Например, спин фотона может принимать всего два значения: единица и минус единица. Квантовая механика утверждает, что если одновременно измерить спины запутанных частиц, то один всегда окажется единицей, а другой - минус единицей. При этом теория не накладывает ограничение на скорость взаимодействия частиц и не объясняет его механизмы.

В новом эксперименте ученые "запутали" два фотона, затем разделили их и послали по оптоволоконному кабелю из Женевы в две разные деревни - Сатиньи и Жюсси, расположенные в 18 километрах друг от друга. Во время прохождения пути у фотонов измеряли их "цвет" (длину волны). В соответствии с представлениями квантовой механики, "цвет" менялся. Необычным оказалось то, что характеристики обеих частиц менялись одновременно, словно каждый фотон мог "чувствовать" поведение другого.

Расчеты показали, что гипотетический фактор, согласующий характеристики фотонов, должен был двигаться со скоростью, в 100 тысяч раз превышающей скорость света. По мнению авторов работы, "физики должны принять, что в природе существует такая возможность и разработать соответствующие модели". Возможно также, что фотоны приобрели одну и ту же информацию до того, как покинули Женеву, но измерения ученых свидетельствуют, что это не так.

По словам физиков, возможность передачи информации со скоростью, превышающей скорость света, не противоречит квантовой теории, но механизм этого явления еще должен быть выяснен.

Согласно теории относительности, скорость любого процесса в природе не превосходит скорости света, и за время измерения фотоны не успевают повлиять друг на друга. Запутанные фотоны должны вести себя как независимые частицы, но многочисленные измерения показали, что параметры все равно остаются взаимосвязаны.

Квантовая запутанность и почему ее не любил Эйнштейн (СПРАВКА)

"Квантовая запутанность" (англ. Entanglement) - квантовомеханическое явление, при котором квантовое состояние двух или большего количества объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве.

Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз, и наоборот, и это несмотря на то, что согласно квантовой механике, предсказать, какие фактически каждый раз получатся направления, невозможно.

Иными словами, создаётся впечатление, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на запутанную с ней. Однако то, что понимается под информацией в классическом смысле, всё-таки не может быть передано через запутанность быстрее, чем со скоростью света.

Раньше исходный термин "entanglement" переводился противоположно по смыслу - как запу́танность, но смысл слова заключается в сохранении связи даже после сложной биографии квантовой частицы. Так что при наличии связи между двумя частицами в клубке физической системы, "подергав" одну частицу, можно было определить другую.

Квантовая запутанность является основой таких будущих технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В теоретическом и философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как можно видеть, что корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения.

Различные взгляды на то, что в действительности происходит во время процесса квантовомеханического запутывания, ведут к различным интерпретациям квантовой механики.

Связность - это одно из тех свойств квантовой теории, за которое её не любил Альберт Эйнштейн и некоторые другие учёные. В 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали знаменитый ЭПР парадокс, который показал, что из-за связности квантовая механика становится нелокальной теорией. Известно, как Эйнштейн высмеивал связность, называя его "кошмарным дальнодействием" и считал основным препятствием всеобщей применимости теории относительности. (По материалам Wikipedia.)

Отметим, что за прошедшие годы выдвигалось множество гипотез, которые пытались объяснить запутанность. Многие ученые даже сомневались в том, что подобный эффект существуют. Новые опыты однозначно доказывают существование квантовой запутанности, однако ничего не могут сказать о механизмах взаимодействия.

www.newsru.com

Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности

Геометрия эксперимента. Пары запутанных фотонов порождались в Женеве, затем фотоны посылались вдоль оптоволоконных кабелей одинаковой длины (отмечены красным цветом) в два приемника (отмечены буквами APD), отстоящими друг от друга на 18 км. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Подавляющее большинство физиков считает бесперспективными попытки объяснения квантовых корреляций в запутанных состояниях гипотетическим влиянием одной частицы на другую. Эксперименты швейцарских физиков лишний раз показали, насколько «неуклюжим» должно быть такое влияние.

Вначале — комментарий

14 августа в журнале Nature была опубликована статья швейцарских физиков с броским заголовком «Testing the speed of 'spooky action at a distance'» («Проверка скорости 'призрачного взаимодействия на расстоянии'»). В разделе News & Views был также опубликован популярный рассказ об этой статье, а спустя несколько часов в самых разных СМИ стали появляться новости одна нелепее другой, вплоть до утверждения, что физикам удалось (уже в который раз!) преодолеть скорость света.

Те издания, которые попытались разобраться в работе, начали с подробных (и в разной степени неудачных) рассуждений про законы квантовой механики, среди которых совершенно затерялась основная суть работы. У читателя, продиравшегося сквозь терминологические заросли, создавалось впечатление, что в этой работе было обнаружено какое-то новое явление, измерена какая-то новая величина — словом, было открыто что-то новое. На самом же деле всё обстоит в точности наоборот — в этой работе ничего нового не было обнаружено, и именно этот факт позволил получить ограничение снизу на некоторую гипотетическую величину (а вовсе не измерить ее!).

Квантовые корреляции

Для того чтобы понять общий смысл работы, не требуется вникать во все квантовомеханические подробности. Достаточно лишь знать, что в нашем мире существуют особые состояния нескольких квантовых частиц — запутанные состояния, у которых наблюдаются квантовые корреляции (вообще, корреляция — это взаимосвязь между событиями выше уровня случайных совпадений). Эти корреляции можно обнаружить экспериментально, что было сделано впервые свыше двадцати лет назад и сейчас уже рутинно используется в разнообразных экспериментах. Подробности этого метода здесь несущественны.

Теперь перейдем непосредственно к работе. Прямо в аннотации к обсуждаемой статье говорится, что в классическом (то есть неквантовом) мире существует два типа корреляций — когда одно событие является причиной другого или же когда у них обоих есть общая причина. В квантовой теории возникает третий тип корреляций, связанный с нелокальными свойствами запутанных состояний нескольких частиц. Этот третий тип корреляций трудно представить себе, пользуясь привычными бытовыми аналогиями, но важно понимать, что для самой теории это и неважно. Главное, чтобы она описывала эксперимент, чтобы она делала нетривиальные предсказания и чтобы они подтверждались. Квантовая механика со всем этим прекрасно справляется.

Однако какой бы стройной ни была теория, ее необходимо проверять всеми доступными способами. Например, в случае квантовой теории уже давно была высказана «крамольная» мысль: а может быть, эти квантовые корреляции есть результат какого-то нового, неизвестного до сих пор взаимодействия, благодаря которому запутанные частицы (и только они!) влияют друг на друга?

Сразу стоит подчеркнуть «ненормальность» такого гипотетического взаимодействия. Квантовые корреляции наблюдаются, даже если детектирование двух разнесенных на большое расстояние частиц происходит одновременно (в пределах погрешностей эксперимента). Значит, если такое взаимодействие и имеет место, то оно должно распространяться в лабораторной системе отсчета чрезвычайно быстро, со сверхсветовой скоростью. А из этого неизбежно следует, что в других системах отсчета это взаимодействие будет вообще мгновенным и даже будет действовать из будущего в прошлое (правда, не нарушая принцип причинности).

Надо сказать, что пока нет никаких серьезных аргументов в пользу такого взаимодействия. Согласно стандартной квантовой механике, квантовые корреляции не передаются ни через какое взаимодействие, они являются проявлением нелокальности (см., например, новость В квантовом мире нет места реализму?). Однако «закрыть» эту возможность может только хорошо поставленный эксперимент. Обсуждаемая статья как раз и была шагом на пути к этому — она хоть и не закрыла, но по крайней мере ограничила эту возможность.

Суть эксперимента

Идея эксперимента состоит вот в чём. Создадим два запутанных фотона и отправим их в два детектора, отстоящих как можно дальше друг от друга (в описываемом эксперименте расстояние между двумя детекторами было 18 км). При этом пути фотонов до детекторов сделаем по возможности одинаковыми, так чтобы моменты их детектирования были максимально близкими. В этой работе моменты детектирования совпадали с точностью примерно 0,3 наносекунды. Квантовые корреляции в этих условиях по-прежнему наблюдались. Значит, если предположить, что они «работают» за счет описанного выше взаимодействия, то его скорость должна превышать скорость света в сотню тысяч раз.

Такой эксперимент, на самом деле, проводился этой же группой и раньше, см., например, статьи The speed of quantum information and the preferred frame: analysis of experimental data и Experimental test of nonlocal quantum correlation in relativistic configurations, опубликованные в 2000-2001 годах. Новизна данной работы лишь в том, что эксперимент длился долго. Квантовые корреляции наблюдались непрерывно и не исчезали ни в какое время суток.

Почему это важно? Если гипотетическое взаимодействие переносится некоторой средой, то у этой среды будет выделенная система отсчета. Из-за вращения Земли лабораторная система отсчета движется относительно этой системы отсчета с разной скоростью. Это значит, что промежуток времени между двумя событиями детектирования двух фотонов будет для этой среды всё время разным, в зависимости от времени суток. В частности, будет и такой момент, когда эти два события для этой среды будут казаться одновременными. (Тут, кстати, используется тот факт из теории относительности, что два одновременных события будут одновременными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся перпендикулярно соединяющей их линии).

Если квантовые корреляции осуществляются за счет описанного выше гипотетического взаимодействия и если скорость этого взаимодействия конечна (пусть и сколь угодно большая), то в этот момент корреляции бы исчезли. Поэтому непрерывное наблюдение корреляций в течение суток полностью закрыло бы эту возможность. А повторение такого эксперимента в разные времена года закрыло бы эту гипотезу даже с бесконечно быстрым взаимодействием в своей, выделенной системе отсчета.

К сожалению, этого достичь не удалось из-за неидеальности эксперимента. В этом эксперименте для того, чтобы сказать, что корреляции действительно наблюдаются, требуется накапливать сигнал в течение нескольких минут. Исчезновение корреляций, например, на 1 секунду этот эксперимент не смог бы заметить. Именно поэтому авторы не смогли полностью закрыть гипотетическое взаимодействие, а лишь получили ограничение на скорость его распространения в своей выделенной системе отсчета, что, конечно, сильно снижает ценность полученного результата.

А может быть...?

Читатель может спросить: а если всё же описанная выше гипотетическая возможность реализуется, но просто эксперимент из-за своей неидеальности ее проглядел, то означает ли это, что теория относительности неверна? Можно ли использовать этот эффект для сверхсветовой передачи информации или даже для перемещения в пространстве?

Нет. Описанное выше гипотетическое взаимодействие по построению служит единственной цели — это те «шестеренки», которые заставляют «работать» квантовые корреляции. Но уже доказано, что с помощью квантовых корреляций невозможно передать информацию быстрее скорости света. Поэтому каков бы ни был механизм квантовых корреляций, нарушить теорию относительности он не может.

Измениться положение вещей смогло бы, только если бы было открыто что-то принципиально новое, какое-то явление из микромира, никаким боком не вписывающееся в рамки квантовой механики. Но до сих пор ничего подобного в эксперименте не наблюдалось.

Источник: D. Salart et al. Testing the speed of 'spooky action at a distance' // Nature. V. 454. P. 861-864 (14 August 2008).

Игорь Иванов

elementy.ru

Чего такого пугающего есть в квантовой запутанности? – Журнал "Все о Космосе"

13:19 27/08/2017

👁 279

Создав два запутанных фотона в существующей системе, а затем разделив их на большое расстояние, мы сможем получить информацию о состоянии одного из них, измерив состояние другого

Квантовая физика полна загадок, печально известных тем, что они противоречат нашей интуиции. Частицы, кажется, знают, смотрите ли вы на них, или нет, и демонстрируют различное поведение, в зависимости от того, наблюдаете вы за ними, или нет, проходя через двойную щель. Измерение одной величины, допустим, положения частицы, создаёт присущую ей неопределённость в дополняющей величине, к примеру, импульсе. А если вы измерите её спин в вертикальном направлении, то уничтожите информацию о спине в горизонтальном направлении. Но самым «пугающим» из всех квантовых явлений будет квантовая запутанность, когда одна частица, кажется, мгновенно «узнаёт», измерили ли спутанного с ней партнёра, даже если это проделают на другом конце Вселенной. На этой неделе мы рассмотрим вопрос читателя, заинтригованного тем, почему это вообще считается загадкой.

С точки зрения фотонов они прошли нулевое расстояние за нулевое время. Так что в этом пугающего? Пока один из них не измерят, они находятся в одном и том же месте и в одно и то же время (если верить им), так что нельзя назвать загадкой то, что они координируют свои состояния.

Разумные рассуждения: замедление времени для быстро двигающихся частиц означает, что они могут координировать свои состояния с любой скоростью. Но эту загадку не так просто решить.

Схема третьего эксперимента Аспе по проверке квантовой нелокальности. Запутанные фотоны из источника отправляются к двум переключателям, направляющим их к поляризующим датчикам. Переключатели очень быстро переключают свои состояния, меняя настройки детектора во время полёта фотонов.

Для начала пройдёмся по вопросу запутанности. Эксперимент обычно проводят с фотонами: вы передаёте один квант света через специальный материал (рассеивающий кристалл), расщепляющий его на два фотона. Эти фотоны будут запутаны в определённом смысле, то есть, если у одного будет спин, внутренний момент импульса, +1, тогда у другого он будет -1. Но у какого какой, нам неизвестно. Можно даже проделать эксперименты, в которых после рассмотрения большого числа фотонов будет визно разницу между• статистическими результатами в случае, если спин +1,• статистическими результатами в случае, если спин -1,• и статистическими результатами в случае, если спин остался неопределённым.

Очень сложно визуализировать эти результаты, но в квантовой механике есть прекрасная аналогия: прохождение частицы через двойную щель.

Если пропускать электроны, фотоны или любые другие частицы через двойную щель, возникает картина интерференции. Но это происходит, только если вы не проверяете, через какую щель они проходят!

Если пропустить частицу через двойную щель – то есть, экран с двумя узкими щелями, находящимися очень близко друг от друга – и она пройдёт сквозь них, вместо того, чтобы быть задержанной экраном, вы легко можете определить, где она окажется с другой стороны. Если вы будете запускать множество частиц по одной через двойную зель, вы обнаружите, что прошедшие через щели частицы формируют интерференционную картину. Иначе говоря, каждая частица ведёт себя не так, будто она прошла через одну или другую щель; она ведёт себя так, будто она прошла через обе щели сразу, проинтерферировала сама с собой на манер волны, и продолжила движение.

Если вы определяете, через какую щель проходит частица, оставив весь остальной эксперимент без изменений, вы вообще не получаете интерференционную картину.

Если вы вместо этого вы измеряете частицу на проходе через одну из щелей – это можно сделать через установку счётчика – вы не получите интерференционную картину. Вы получите кучу частиц, соответствующую прохождению через щель 1, и кучу для щели 2. 440397a2cc049ca873cc6aa036493c81[1]

Волновой рисунок электронов, проходящих через двойную щель по одному. Если вы измерите, через какую щель прошёл электрон, вы уничтожаете квантовую интерференционную картину. Отметим, что для создания такой картины требуется больше одного электрона.

Иначе говоря, проводя измерение, определяющее избранный частицей путь, вы меняете результат этого выбора! Для одной частицы вы сможете только определить вероятность прохождения через щель 1, щель 2, или интерференции с самой собой. Для открытия реального состояния вашего эксперимента потребуется больше статистики. 3b8d96e96fab2d07dc108cb93ca99a82[1]

Квантовомеханический тест Белла для частиц с полуцелым спином

Вернёмся к запутанным фотонам. Или вообще к любым запутанным частицам. Вы создаёте две запутанные частицы, у которых вам известна общая сумма их свойств, но не свойства каждой из них. Простейшим примером будет спин – у двух фотонов он получится либо (+1 и -1), либо (-1 и +1), у двух электронов — (+½ и -½) или (-½ и +½) – и вы не знаете, у какого из них будет какой спин, пока не измерите. Вместо щелей можно отправлять их через поляризатор. И как только вы измеряете один, вы определяете другой. Иначе говоря, знаете это мгновенно. e4dc072378271af8d3fd74654677b7e6[1]

Эксперимент квантового стирания, в котором две запутанных частицы разделяются и измеряются. Никакие действия с одной из частиц в точке назначения не влияют на другую.

«Пугающим» становится тот факт, что в физике ничто другое не происходит мгновенно. Самая большая скорость передачи любого сигнала будет равна с, скорости света в вакууме. Но эти две запутанные частицы можно разделить на метры, километры, астрономические единицы или световые года, и измерение одной из них мгновенно определяет состояние другой. Неважно, двигаются ли запутанные частицы со скоростью света или нет, обладают они массой или нет, много ли у них энергии, и изолируете ли вы их друг от друга, чтобы они не отправляли друг другу фотоны. Нет никаких лазеек, позволяющих скорости взаимодействия в любой системе отсчёта как-то это компенсировать. В конце 1990-х эксперименты с разделением и одновременным измерением этих частиц определили, что если какая-либо информация и передаётся между ними, то она двигается быстрее скорости света в 10000 раз.

Квантовая телепортация, которую часто путают с путешествием быстрее света. В реальности информация быстрее скорости света не передаётся.

Но этого не может быть! В реальности никакой информации не передаётся. Нельзя провести измерение частицы в одном месте и использовать это для передачи чего-либо частице, расположенной очень далеко. Было разработано множество хитроумных схем, задуманных так, чтобы, используя это свойство, передавать информацию быстрее света, но в 1993 году доказали, что этот механизм не допустит передачи информации. Тому есть простое объяснение:

• Если вы измерите «каково состояние имеющейся у меня частицы», вы узнаете состояние другой частицы, но с этой информацией нельзя ничего сделать до тех пор, пока либо вы доберётесь до другой частицы, либо она доберётся до нас, и передача сообщений должна будет идти со скоростью света или медленнее.• Если же вы заставите имеющуюся у вас частицу принять определённое состояние, это не изменит состояние запутанной частицы. Наоборот, это разрушит запутанность, так что вы не узнаете ничего о второй частице.

[Итан немного не до конца раскрыл суть проблемы. Всё вышеописанное может и не удивить вас, если представить себе аналогию с перчатками. Некто отправил вам одну перчатку из пары, а вашему другу – другую. И вы, открыв свою посылку, мгновенно узнаёте не только то, какую перчатку, левую или правую, вы получили, но и то, какую получил ваш друг. Однако в случае с запутанными частицами состояние «перчаток» изначально не определено. И мы его не просто не знаем или не умеем определять – оно на самом деле определяется случайным образом, и именно в момент измерения одной из «перчаток». Тогда другая «перчатка» мгновенно принимает противоположное состояние. Именно это Эйнштейн и называл «пугающим дальнодействием» / прим. перев.]

Если две частицы запутаны, свойства их волновых функций дополняют друг друга, и измерение одной из них определяет свойства другой. Но является ли волновая функция абстрактным математическим описанием, или же она лежит в основе более глубокой истины Вселенной и детерминистской, фундаментальной реальности – вопрос открытый.

Это философская проблема для реалистов. Это значит, что волновая функция частицы – или запутанная волновая функция нескольких частиц – представляет собой реальный, физический объект, существующий и эволюционирующий во Вселенной, но для этого требуется большое количество неудобных предположений. Нужно предположить, что существует бесконечное число возможных реальностей, и что мы живём только в одной из них, хотя никаких свидетельств о существовании других нет. Если вы инструменталист (как автор; это проще и практичнее), у вас нет этой философской проблемы. Вы просто принимаете, как данность, что волновая функция – это инструмент для расчётов.

Эйнштейн был убеждённым реалистом в вопросах квантовой механики, и это предубеждение он унёс с собой в могилу. Никаких свидетельств в поддержку его интерпретации квантовой механики обнаружено не было, хотя у неё до сих пор есть много приверженцев

Стивен Вайнберг, нобелевский лауреат, сооснователь Стандартной Модели и гениальный во многих областях физик-теоретик, недавно осудил подход инструментализма в журнале Science News, описывая его так:

Это так ужасно, представлять, что у нас нет знаний по поводу всего, что существует – мы можем сказать, что произошло, только проведя измерение.

Но вне зависимости от ваших философских увиливаний, квантовая механика работает, и волновая функция, запутывающая частицы, позволяет разрушать эту запутанность, даже на космических расстояниях. Это единственный мгновенный процесс во Вселенной, известный нам, и поэтому он действительно стоит особняком!

По материалам Geektimes

Журнал "Все о Космосе" рекомендует:

aboutspacejornal.net