Запутанные электроны: Создано устройство, способное генерировать пары «запутанных» электронов

Квантовая запутанность

За последние полтора века произошел значительный скачок в развитии человечества, в особенности в области фундаментальной физики. Не успели ученые окунуться в физику атома, как уже начали строиться атомные станции; научный переворот, совершённый Эйнштейном в скором времени привел нас к полной глобализации с более чем тысячью спутниками на орбите Земли. Примеров – масса, однако осталось еще немало нерешенных задач и необъясненных явлений. Одно из таких явлений скрывается в микромире квантовых процессов, а именно – квантовая запутанность. Что это такое, почему это важно и какие исследования ведутся для решения этого вопроса – разбираем в данной статье.

Содержание:

• 1 Основные сведения
• 2 Противоречие с «принципом локальности»
• 3 Эйнштейн, Нильс Бор и квантовая механика
• 4 ЭПР-парадокс
• 5 Теорема Белла
• 6 Исследования в области квантовой запутанности
• 7 Об эксперименте в Делфтском техническом университете
• 8 Квантовый компьютер и интернет
• 9 Итоги

Основные сведения

Прежде всего, определим само понятие «квантовая запутанность». Вся информация об объекте в микромире описывается неким абстрактным (математическим) состоянием, которое включает, например, вероятность обнаружения частицы в данном объеме, импульс частицы, ее заряд или спин, и тп. Подобное «состояние» может быть описано физическими уравнениями, которые, несмотря на свою абстрактность и сложность, все же способны предсказывать результаты экспериментов.

Квантовой запутанностью называют такое явление, когда квантовые состояния двух и более частиц оказываются взаимосвязаны. То есть, определив состояние одной частицы, можно предсказать некоторые характеристики другой. Примечательно, что изменение некоторого параметра одной частицы приводит к изменению некоторого параметра другой частицы, независимо от расстояния.

Противоречие с «принципом локальности»

Как известно из работ Эйнштейна, в природе имеет место так называемый «принцип локальности», согласно которому любое взаимодействие между телами не может происходить мгновенно, а передается через посредника. Скорость передачи этого взаимодействия не должна превышать скорость света в вакууме. В то же время, как было упомянуто ранее, квантовая запутанность может наблюдаться на огромных расстояниях с «мгновенной передачей информации», что является прямым нарушением принципа локальности.

Эйнштейн, Нильс Бор и квантовая механика

В 1927-м году в Брюсселе состоялся Пятый Сольвеевский конгресс — международная конференция на тему актуальных проблем в области физики и химии. Одна из состоявшихся дискуссий была на тему так называемой Копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Нильс Бор и Альберт Эйнштейн

Данная теория была разработана Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и  утверждает о вероятностной природе волновой функции. Несмотря на решение некоторых тогдашних проблем физики, например, связанных с корпускулярно-волновым дуализмом, данная теория также вызывала и ряд вопросов. В первую очередь, само представление объекта с известным импульсом, не имеющего определенной координаты, а лишь вероятность обнаружения в данной точке, — противоречит нашему опыту жизни в макромире. Кроме того, эта теория подразумевала неопределенность в расположении частицы, до тех пор, пока не будет произведено измерение.

Совместное фото участников Пятого Сольвеевского конгресса

Альберт Эйнштейн не мог принять такую интерпретацию, в результате чего и зародилась его известная фраза «Бог не играет в кости», на что Нильс Бор ответил «Альберт, не указывай Богу, что ему делать». Так начался длительный спор Эйнштейна и Бора.

Ответ Эйнштейна последовал в 1935-м году, когда он, вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал работу, носившую название «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». В данной статье был представлен мысленный эксперимент под названием «парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена» (ЭПР-парадокс).

ЭПР-парадокс

Эксперимент был направлен на опровержение такого фундаментального для квантовой механики утверждения, как принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что нельзя одновременно измерить две характеристики частицы, зачастую имеют ввиду – импульс и координату.

Однако в самой же квантовой механике есть средства для разрешения этого парадокса. Согласно законам квантового мира – любое измерение приводит к изменению характеристик измеряемого тела. Тогда до измерения координаты второй частицы, действительно, может иметь место определенный импульс. Но в момент измерения координаты состояние частицы меняется и нельзя утверждать, что эти характеристики были измерены одновременно.

Тем не менее, в результате корпускулярно-волнового дуализма, находясь на некотором расстоянии, эти возникшие частицы имеют состояния, описываемые одной волновой функцией. Из этого вытекает, что измерение (а значит и изменение) импульса одной частицы приводит и к измерению импульса другой. Причем увеличение расстояния между этими частицами не запрещается, что опять же противоречит принципу локальности.

Теорема Белла

В 1964-м году Джон Стюарт Белл сформулировал свои неравенства, позже называемые теоремой, которые позволяют провести эксперимент, позволяющий точно определить – имеют ли место некие скрытые параметры. То есть если частицы имели скрытые параметры до своего разделения, то выполнилось бы одно неравенство, а если их состояния связаны и неопределенны до измерения одной из частиц – другое неравенство Белла.

Исследования в области квантовой запутанности

Почему вновь поднимается эта давно известная тема? Дело в том, что за последние несколько лет разработки в области квантовых компьютеров, работающих на основе квантовой запутанности, заметно шагнули вперед. Так в марте 2018-го года Google заявила об успешном создании 72-кубитного квантового процессора под названием Bristlecone, который достигает «квантового превосходства». То есть  способен выполнять задачи, которые недоступны для обычных компьютеров.

Квантовый процессор Bristlecone компании Google (слева) и схематическое изображение кубитов, где каждый кубит связан с соседними (справа)

Также летом 2018-го года в журнале Nature была опубликована научная работа, которая рассказывает о создании первого квантового процессора с долговременной памятью. Ранее, в 2015-м году, эта же исследовательская группа из Делфтского технического университета вместе с главой организации QUTech — Рональдом Хэнсоном представили еще более убедительные доказательства существования квантовой запутанности.

Об эксперименте в Делфтском техническом университете

Эксперимент, результаты которого были опубликованы в 2015-м году, происходил следующим образом. В эксперименте использовались алмазные листы с решеткой полостей, которые заполняются азотом.  Такая технология была разработана исследователями Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в 2010-м году. Два таких кристалла алмаза расположили на расстоянии 1.3 км друг от друга. В результате облучения обоих пластин микроволновым излучением и лазерами электроны этих «алмазных ловушек» переходили в возбужденное состояние и испускали пару фотонов, которые взаимодействовали друг с другом. Как следствие этого взаимодействия – возникала квантовая запутанность между электронами, которые излучали эти фотоны.

Точки расположения алмазных листов на территории кампуса Делфтского технического университета

Для обнаружения данного явления ученые проводили измерение спинов электронов с разных пластин практически одновременно, что не допустило бы обмен информацией между ними со скоростью света. Однако, как оказалось, спины двух электронов были синхронизированы, что говорит о передачи информации неким образом, который позволяет превысить скорость света. Конечно, сама процедура определения характеристик электронов намного сложнее, и потребовалось провести немало расчетов и сравнить их волновые функции. Несмотря на все сложности эксперимента, он проводился 245 раз в течение 18-ти дней, и был запланирован таким образом, чтобы избежать всех возможных ошибок, как со стороны измерительных приборов, так и со стороны окружающей среды.

Бас Хенсен и Рональд Хэнсон устанавливают оборудование для эксперимента по проверке неравенств Белла

Окончательно закроет эту тему будущий крупный эксперимент в Массачусетском технологическом институте в течение ближайших трех лет. Исследовательская группа планирует собирать электромагнитное излучение пульсаров, а также свет, приходящий из дальних галактик. Подобный эксперимент позволит избежать какой-либо связи измерительных приборов и источников сигнала, тем самым устраняя последнюю возможность наличия скрытых параметров.

Схематическое изображение пульсара

Квантовый компьютер и интернет

Разработки QUTech вышли далеко за пределы теоретической физики и двинулись в сторону квантового компьютера. Так в 2012-м году несколько научных групп разработали двухкубитный квантовый процессор на основе вышеупомянутых кристаллов, а в 2018-м – была опубликована работа, в которой исследователи описали созданный ими квантовый процессор с долговременной памятью. Проблема создания такого процессора состояла в том, что связи между квантовыми битами («кубитами») пропадали быстрее, чем ученым удавалось их обнаружить. Очередной эксперимент в Делфтском техническом университете показал, что новый процессор не обладает данной проблемой.

Исследовательская группа использовала вышеупомянутые алмазные пластины, где среди атомов углерода «спрятался» атом азота. Место, в котором располагается атом азота, обладает специфическими свойствами, как если бы в этой ячейке кристаллической решетки находился атом углерода, но в неком «замороженном» состоянии. Такой подход заметно продлевает жизнь алмазным кубитам (300-500 миллисекунд). Кроме того, был разработан и новый метод «запутывания» электронов в этих дефектных точках.

Данная технология не только является прорывной в области квантовых компьютеров, но и приближает нас на шаг к квантовому интернету. Взаимодействие нескольких отдельных квантовых компьютеров позволит организовать между ними сеть, работающую посредством передачи запутанных кубитов. Преимущество состоит в скорости: пусть имеется k квантовых компьютеров, каждый из которых состоит из n кубитов. Тогда для передачи по обычной сети полного состояния одного такого компьютера понадобится 2n бит данных, в то время как для квантовой сети потребуется лишь n кубитов. Запутанность между всеми компьютерами в масштабах целой сети дает преимущество в скорости передачи информации на несколько порядков.

Итоги

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 33056

Запись опубликована: 17.04.2019
Автор: Владимир Соловьев

Тайны квантовой механики – что такое квантовая запутанность?

Около 100 лет назад ученые впервые задумались о природе некоторых необычных свойств света. Например, света, исходящего от газов, когда их нагревают в пробирке. Если посмотреть на этот свет сквозь призму, можно заметить кое-что необычное. Не спектр, в котором цвета плавно переходят один в другой, отражаясь в хрустальном бокале, а отчетливые линии, цвета которых не смешиваются, как в радуге. Речь идет о вертикальных лучах света, похожих на карандаши – каждый своего цвета. Однако объяснить столь странное свойство света ученые не могли. Поиски ответов безуспешно продолжались, пока физик Нильс Бор в начале ХХ века не выдвинул самую невероятную и фантастическую гипотезу. Бор был убежден, что разгадка отчетливых линий кроется в самом сердце материи – структуре атома.

Если нагреть газ в пробирке и посмотреть на исходящий от него свет через призму, вы увидите непересекающиеся вертикальные линии

Фантастическая гипотеза

По мнению ученого атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но электроны, в отличие от планет, двигаются по одной определенной орбите и ни по какой другой. Бор утверждал, что когда атом нагревается, электроны приходят в движение и перескакивают с одной орбиты на другую. При этом, каждый скачок сопровождается выбросом энергии в форме света с определенной длиной волны. Вот откуда взялись те странные вертикальные линии и понятие «квантовый скачок».

В документальном фильме National Geographic о квантовой теории, физик Брайан Грин рассказывает об удивительных свойствах квантового скачка, которые заключаются в том, что электрон перемещается с одной орбиты сразу на другую, будто бы не пересекая пространство между ними. Как если бы Земля в одно мгновенье поменялась орбитами с Марсом или Юпитером. Бор считал, что из-за странных свойств электронов в атоме, они излучают энергию определенными, неделимыми порциями, которые называются кванты. Именно поэтому электроны могут двигаться строго по определенным орбитам и могут находиться либо в одной точке, либо в другой, но никак не посередине. В повседневной жизни мы не сталкиваемся ни с чем подобным.

Если бы бейсбольный мяч оказался в двух местах одновременно, мы могли бы поверить, что нас обманывает волшебник. Но в квантовой механике наличие частицы в двух местах одновременно – это именно то, что заставляет нас считать эксперимент истинным.

При нагреве атомов электроны начинают перескакивать с одной орбиты на другую.

Каким бы невероятным ни казалось предположение Бора, физики довольно быстро нашли большое количество доказательств в пользу его теории – электроны действительно ведут себя по совершенно иным законам, нежели планеты Солнечной системы или шарики для пинг-понга. Открытие Бора и его коллег, однако, противоречило общеизвестным законам физики и вскоре привело к столкновению с идеями, высказанными Альбертом Эйнштейном.

Квантовая запутанность

Эйнштейн не мог смириться с неопределенностью Вселенной, вытекающей из квантовой механики. Физик считал, что объект существует не только когда за ним наблюдают (как утверждал Нильс Бор), но и все остальное время. Ученый писал: «Мне хочется верить, что Луна светит даже когда я на нее не смотрю.» Сама мысль о том, что реальность Вселенной определяется когда мы открываем и закрываем глаза казалась ему немыслимой. По мнению Эйнштейна квантовой теории не хватало чего-то, что описало бы все свойства частиц, в том числе их местонахождение даже в тот момент, когда за ними не наблюдают. И в 1935 году Эйнштейну показалось, что он нашел слабое место квантовой механики. Это было невероятно странное явление, противоречащее всем логическим представлениям о Вселенной – квантовая запутанность.

Квантовая запутанность – это теоретическое предположение вытекающее из уравнений квантовой механики, согласно которому две частицы могут запутаться, если находятся довольно близко друг к другу. Их свойства при этом становятся взаимосвязанными.

Но даже если разделить эти частицы и отправить в разные концы света, как предлагает квантовая механика, они все равно могут остаться запутанными и неразрывно связанными. Эйнштейну такая связь между частицами казалась невозможной, он так ее и назвал – «сверхъестественная связь на расстоянии». Ученый допускал, что запутанные частицы могут существовать, но считал, что никакой «сверхъестественной связи на расстоянии» нет. Напротив, все предопределено задолго до момента измерения.

Допустим, кто-то взял пару перчаток, разделил их и положил каждую в отдельный чемодан. Затем один чемодан отправили вам, а второй в Антарктиду. До того момента, пока чемоданы закрыты, вы не знаете, какая из перчаток там лежит. Но открыв чемодан и обнаружив в нем левую перчатку, мы со 100% уверенностью узнаем, что в чемодане в Антарктиде лежит правая перчатка, даже если в него никто не заглядывал.

Нильс Бор, в свою очередь, полагался на уравнения, доказывающие, что частицы ведут себя как два колеса, которые могут мгновенно связать случайные результаты своего вращения, даже находясь на огромном расстоянии друг от друга. Так кто же прав?

Определить, действительно ли между запутанными частицами существует «сверхъестественная связь» как между вращающимися колесами, или же никакой связи нет и свойства частиц предопределены заранее, как в случае с парой перчаток, удалось физику Джону Белл. С помощью сложных математических вычислений Белл показал, что если сверхъестественной связи нет, то квантовая механика неверна. Однако физик-теоретик также доказал, что вопрос можно решить, построив машину, которая создавала и сравнивала бы много пар запутанных частиц.

Основываясь на инструкциях Белла физик, специалист по квантовой механике Джон Клаузер собрал машину, способную проделывать эту работу. Машина Клаузера могла измерять тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по очень многим параметрам. Полученные результаты заставили ученого думать, что он допустил ошибку. Вскоре французский физик Ален Аспе подобрался к самой сути спора Эйнштейна и Бора.

Ален Аспе – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности.

В опыте Аспе измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от первой частицы ко второй прошел бы со скоростью, превышающей скорость света. Что, как мы знаем, невозможно. Таким образом оставалось только одной объяснение – сверхъестественная связь. Более того, проведенные эксперименты доказали, что математическая основа квантовой механики верна.

Запутанность квантовых состояний – это реальность.

Выходит, квантовые частицы могут быть связаны несмотря на огромные расстояния, а измерение одной частицы действительно может повлиять на ее далекую пару, как если бы пространства между ними никогда не существовало. Но ответить на вопрос о том как работает эта связь сегодня не может никто.

Квантовая запутанность частиц также не исключает того факта, что когда-нибудь телепортация станет реальностью. Так, ученые уже сегодня телепортируют сотни частиц, о чем подробнее писала моя коллега Дарья Елецкая. А как вы думаете, удастся ли ученым создать единую теорию квантовой гравитации? Ответ будем ждать в комментариях к этой статье, а также в нашем Telegram-чате.

Физики попытались измерить скорость тайных квантовых сигналов

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.

Причина

такой несуразности – так называемый принцип суперпозиции, утверждающий, что если частица может находиться в одном из двух состояний, то может находиться и, скажем, на 30% в одном из них, а на 70% в другом – одновременно…

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.

Как отличить неведение от неопределнности?

Белл и последователи, обобщившие его результаты, обратили внимание на то обстоятельство, что в случае предопределнности с самого начала могут быть заданы результаты только одного опыта – определения направления спина в…

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.

Казалось бы,

квантовое запутывание дает возможность передать информацию быстрее скорости света. Однако существует теорема, показывающая, что это невозможно.

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.

Как запутываются электроны?

(PhysOrg.com) — Исследователь из Принстона и его международные сотрудники использовали лазеры, чтобы заглянуть в сложную взаимосвязь между отдельным электроном и его окружением. Это прорыв, который может помочь в разработке квантовых компьютеров.

Этот метод показывает, как между изолированным электроном и его окружением возникает взаимосвязь, известная как состояние Кондо — состояние материи, представляющее большой интерес для физиков и инженеров. Результаты не только дают представление о давнем затруднительном положении в теоретической физике, но также могут помочь ученым понять, как хранить информацию в наименьших возможных масштабах, что откроет новые огромные области вычислительной мощности.

«Мы пролили свет на частную жизнь одного электрона», — сказал Хакан Туречи, доцент кафедры электротехники в Принстоне и ведущий исследователь проекта. «Потребовалось почти столетие, чтобы таким образом изолировать, контролировать и исследовать один электрон — выдающийся подвиг, возможный благодаря квантовой теории, криогенике и нанотехнологиям».

Исследование провела международная группа ученых из США, Германии и Швейцарии. В число исследователей проекта входили Туречи, Атак Имамоглу, профессор Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе в Швейцарии, Ян фон Дельфт, профессор LMU в Мюнхене, и Леонид Глазман, профессор Йельского университета.

Ключевые теоретические результаты и предложение экспериментальной проверки идей были опубликованы 11 марта в журнале Physical Review Letters.

Эти теоретические прогнозы были недавно подтверждены в экспериментах под руководством Имамоглу, которые были опубликованы сегодня в журнале Nature .

Исследование привносит новый взгляд в изучение проблемы Кондо, явления, впервые обнаруженного в 1930-х годах, когда исследователи были удивлены, обнаружив, что сопротивление электричеству, протекающему через определенные металлы, увеличивается при очень низких температурах. Обычно сопротивление металлов уменьшается при понижении температуры, но с этими металлами дело обстоит иначе.

Это явление было объяснено 30 лет спустя японским ученым Джун Кондо как результат присутствия кобальта или других магнитных примесей в металлах.

Ученые также поняли, что эффект Кондо возникает из-за взаимосвязи между электронами, известной как «запутанность», при которой квантовое состояние одного электрона связано с состоянием соседних электронов, даже если частицы позже разделены значительными расстояниями. В случае эффекта Кондо захваченный электрон сложным образом запутывается с облаком окружающих электронов.

Исследователи были заинтригованы эффектом Кондо отчасти потому, что понимание того, как захваченный электрон запутывается в окружающей среде, может помочь преодолеть барьеры на пути к квантовым вычислениям, что может привести к созданию гораздо более мощных компьютеров, чем существующие в настоящее время.

Предыдущие методы наблюдения позволяли ученым проводить измерения состояния Кондо, но не могли предоставить информацию о том, как электроны установили такие отношения с окружающей средой.

Чтобы лучше понять, как электрон постепенно таким образом запутывается в своем окружении, Туречи и его сотрудники исследовали идею использования лазера для исследования электронов, переходящих в состояние Кондо. Сначала они разработали теорию о том, как лазерный свет, рассеянный электронами, может нести информацию об этом процессе.

В зависимости от состояния электрона, предположили они, он должен поглощать разные цвета лазерного света в разной степени. Свет, отраженный назад, будет нести сигнатуру запутанного квантового состояния, открывая окно в отношения между пойманным в ловушку электроном и его окружением.

Чтобы изолировать электроны, они предложили использовать наноструктурированные устройства, небольшие машины, строящие по одному атому за раз, которые улавливают электроны в небольших ямах. Частицы имеют лишь ограниченную изоляцию в лунках и поэтому в конечном итоге запутываются с облаком окружающих электронов в устройстве.

Сотрудники Туречи в Швейцарии проверили идею, направив лазерный луч на устройство и измерив прошедший свет.

Световая сигнатура совпала с теоретическими предсказаниями. Исследователи также обнаружили, что они могут использовать световые сигнатуры, чтобы подтвердить, когда они отключили состояние Кондо с помощью магнитного поля.

«Проведя этот эксперимент, — сказал Туречи, — мы показали, что можно извлечь информацию, которая ранее была недоступна в более ранних экспериментах по эффекту Кондо».

Он сказал, что открытие может дать представление о квантовых вычислениях, потому что запутанность, в зависимости от ее природы, может открыть новые способы хранения и обработки информации или может угрожать дестабилизацией вычислительного процесса.

В то время как современные компьютеры используют транзисторы для хранения «битов» информации в виде единиц или нулей, ученые полагают, что квантовые компьютеры могут однажды использовать захваченные электроны, которые запутаны друг с другом, как «кубиты», основные информационные единицы квантовых вычислений, которые могут имеют странное качество представления смеси «единицы» и «ноля» одновременно.

Таким образом, последовательность кубитов может хранить экспоненциально больше информации, чем комбинация 0 и 1 классических битов.

Хотя теоретически квантовые компьютеры могут быть намного меньше и быстрее, чем машины на основе транзисторов, использование электронов или других субатомных частиц в качестве запоминающих устройств — нетривиальное достижение.

Нежелательные запутанные отношения между электронами и их окружением, подобные наблюдаемым в эффекте Кондо, могут дестабилизировать желаемые отношения между захваченными электронами, формирующими кубиты, и постепенно разрушать информацию, которую они хранят.

«Наша методика открывает окно в состояние Кондо, позволяя нам изучать электроны, сильно запутанные со своим окружением, и понимать, как они к этому пришли», — сказал Туречи.

Узнать больше

Надежный случай запутывания

Дополнительная информация:
Латта К. , Хаупт Ф., Ханл М., Вейхсельбаум А., Клаассен М., Вустер В., Фаллахи П., Фаэлт С., Глазман Л., фон Дельфт Дж. , Türeci, HE, & Imamoglu, A. Квантовое подавление корреляций Кондо в оптическом поглощении, Природа .

Хакан Э. Туречи, М. Ханл, М. Клаассен, А. Вейхсельбаум, Т. Хехт, Б. Браунекер, А. Говоров, Л. Глазман, А. Имамоглу и Дж. фон Делфт Многочастичная динамика экситона Создание в квантовой точке путем оптического поглощения: квантовое подавление в направлении корреляций Кондо Phys. Преподобный Летт. 106, 107402. Ссылка: prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i10/e107402.

Предоставлено
Университет Принстон

Цитата :
Как запутываются электроны? (2011, 29 июня)
получено 6 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2011-06-electrons-entangled.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

частиц впервые запутались «по требованию», и это изменило правила игры: ScienceAlert

(саккместке/исток)

Квантовая технология обещает большие успехи в области цифровой безопасности и вычислительной мощности, но сама вещь, на которую она опирается, — квантовая запутанность — до сих пор оказалась слишком непостоянной, чтобы ее можно было надежно контролировать.

Новый метод запутывания частиц призван изменить это, обеспечивая все важные квантовые состояния, когда мы этого хотим, и так долго, как нам это нужно.

Физики из QuTech в Делфте в Нидерландах знакомы с причудами квантовой запутанности — явления, когда две частицы становятся неразрывно связанными, так что все, что происходит с одной, мгновенно влияет на другую, независимо от того, как далеко она находится. Известно, что Эйнштейн назвал запутанность «жутким действием на расстоянии», потому что…

В 2015 году физики Делфта заткнули надоедливую лазейку, которая могла показать, что он менее «жуткий», чем когда-либо предполагал Эйнштейн.

В своем эксперименте 2015 года они использовали переданные фотоны, чтобы запутать два электрона на расстоянии 1,3 километра.

Происхождение фотонов и расстояния друг от друга были использованы, чтобы показать, что весь этот магический акт действительно был действительно странным, но реальным, впервые экспериментально подтвердив квантовую запутанность без каких-либо лазеек.

Но тот же самый метод смешивания фотонов с электронами теперь оказался полезным в другом отношении — они играют ключевую роль в методе, который может генерировать 40 запутываний по запросу за одну секунду.

«Это в тысячу раз быстрее, чем при использовании старого метода», — говорит физик Питер Хамфрис, рассматривая это в перспективе.

Сама запутанность формируется по их оригинальному методу – два разделенных электрона, находящихся в неопределенном состоянии, сталкиваются с фотоном.

Затем два фотона объединяются в единую волну и интерпретируются, раскрывая информацию о состояниях двух электронов. Если все пойдет хорошо, электроны можно считать запутанными.

Это не всегда срабатывает так, как планировалось, но если настроить сборочную линию с некоторыми умными сдержками и противовесами, весь процесс можно повторить достаточно быстро, чтобы обещать запутанные частицы.

«Эти проверки занимают лишь часть общего времени эксперимента, позволяя нам убедиться, что наша система готова к запутыванию, без каких-либо ручных действий», — говорит руководитель проекта Рональд Хэнсон.

Чтобы лучше понять, как работает этот процесс, этот мультфильм отлично объясняет.

Так как же это работает? Сам процесс запутывания не так уж и странен. Нет, правда. Потерпите меня.

Представьте, что вы купили пару туфель, но случайно забыли одну из них (левую или правую) в магазине. Когда вы вернетесь домой, вы сразу узнаете, какой из них вы оставили, заглянув в коробку.

Это более или менее похоже на квантовую запутанность. Когда любые две частицы взаимодействуют, каждая из них влияет на другую предсказуемым образом. Вы можете посмотреть на один, чтобы определить что-то о состоянии другого, будь то импульс, вращение или положение.

Что привело Эйнштейна в замешательство, так это предположение коллег-физиков, что, прежде чем заглянуть внутрь коробки, этот ботинок одновременно и левый, и правый. Так и тот, что остался позади.

Другими словами, реальность в том виде, в каком мы ее воспринимаем, не имеет конкретного состояния до тех пор, пока она не будет помещена в перспективу путем ее измерения. Частицы вращаются вверх и вниз, находятся в нескольких положениях и не имеют определенного импульса.

Таким образом, с квантовой точки зрения, как только вы видите левый ботинок в своей коробке, тот, который остался позади, сразу становится правым ботинок.

Эйнштейн думал, что это смешно. Он полагал, что туфли были там все это время. Другие не соглашались, полагая, что между двумя туфлями существует какой-то естественный заговор, из-за которого они соглашаются в тот же момент, когда вы смотрите.

Как ни странно, Эйнштейн почти наверняка ошибается. И нам просто нужно разобраться с этим, потому что квантовая запутанность доказывалась снова и снова.

К счастью, вся эта нерешенная проблема с левым ботинком и правым ботинком полезна. Или, скорее, математика, описывающая это возможное состояние, полезна, если вы применяете правильные статистические инструменты для его анализа.

Вот что стоит за бизнес-целью квантового компьютера — неопределенные квантовые состояния, называемые кубитами, быстро решают проблемы, которые были бы почти невозможны, если бы вам приходилось обрабатывать те же самые статистические данные старомодным способом, используя обычные единицы и нули.

А «жуткий» заговор Эйнштейна за кулисами реальности? Это также полезно, если вы хотите убедиться, что никто не подсмотрел ваше сверхсекретное зашифрованное сообщение или не передал запутанное состояние в чем-то вроде квантовой сети.

Но удерживать частицы в состоянии «левый/правый ботинок» далеко не просто. Реальность стремится открыть эту коробку для вас.

Вот почему этот последний эксперимент так захватывающий.

Этот быстрый метод проб и ошибок сочетается со способами защиты квантового состояния от внешнего вмешательства, а это означает, что впервые запутанность может быть создана быстрее, чем потеряна.

Наращивание темпов развития квантовых технологий важно, если мы хотим преодолеть многочисленные препятствия на пути превращения квантовых вычислений в реальность. Страшно это или нет, но мы постепенно покоряем хрупкую природу реальности, шаг за шагом.

Это исследование было опубликовано в Nature .

Что такое квантовая запутанность? | Живая наука

(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

Квантовая запутанность — одно из сверхпричудливых явлений, наблюдаемых, когда вещи становятся крошечными или внутри квантового царства. Когда две или более частиц соединяются определенным образом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга в пространстве, их состояния остаются связанными. Это означает, что они имеют общее, единое квантовое состояние. Таким образом, наблюдения за одной из частиц могут автоматически предоставлять информацию о других запутанных частицах, независимо от расстояния между ними. И любое действие на одну из этих частиц неизменно повлияет на другие в запутанной системе.

Кто открыл квантовую запутанность?

Физики разработали фундаментальные идеи, лежащие в основе запутанности, когда они разрабатывали механику квантового мира в первые десятилетия 20-го века. Они обнаружили, что для правильного описания субатомных систем необходимо использовать нечто, называемое квантовым состоянием.

В квантовом мире ничего нельзя знать наверняка; например, вы никогда точно не знаете, где находится электрон в атоме , только где он может быть . Квантовое состояние суммирует вероятность измерения определенного свойства частицы, такого как ее положение или угловой момент. Так, например, квантовое состояние электрона описывает все места, где вы можете его найти, вместе с вероятностью найти электрон в этих местах.

Еще одна особенность квантовых состояний заключается в том, что они могут коррелировать с другими квантовыми состояниями, а это означает, что измерения одного состояния могут влиять на другое. В статье 1935 года Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен исследовали, как сильно коррелированные квантовые состояния будут взаимодействовать друг с другом. Они обнаружили, что когда две частицы сильно коррелированы, они теряют свои индивидуальные квантовые состояния и вместо этого разделяют единое, объединенное состояние. Другой способ думать об этом состоит в том, что единый математический «контейнер» может описывать все частицы одновременно, независимо от их индивидуальных свойств. Это единое состояние стало известно как квантовая запутанность.

Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». (Изображение предоставлено НАСА)

Они обнаружили, что если две частицы запутаны, то есть их квантовые состояния сильно коррелированы и становятся едиными, то измерения одной из частиц автоматически влияют на другую, независимо от того, как далеко частицы друг от друга, согласно Стэнфордской энциклопедии философии .

Первым физиком, употребившим слово «запутанность», был Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики . Он описал запутанность как наиболее важный аспект квантовой механики, заявив, что ее существование — это полный отход от классического направления мысли.

Что такое парадокс ЭПР?

Как обнаружили Эйнштейн, Подольский и Розен, запутанность возникает мгновенно: когда вы знаете одно квантовое состояние, вы автоматически знаете квантовое состояние любых запутанных частиц. В принципе, вы могли бы поместить две запутанные частицы на противоположных концах галактики и при этом иметь это мгновенное знание, которое, по-видимому, нарушает предел скорости света.

Этот результат известен как парадокс ЭПР (сокращение от Эйнштейна, Подольского и Розена), согласно Американскому физическому обществу — эффект, который Эйнштейн назвал «призрачным действием на расстоянии». Он использовал этот парадокс как доказательство неполноты квантовой теории. Но эксперименты неоднократно подтверждали, что запутанные частицы действительно влияют друг на друга независимо от расстояния, и квантовая механика остается подтвержденной и по сей день.

Общепринятого решения парадокса нет. Однако, хотя запутанные системы не сохраняют локальности (это означает, что одна часть запутанной системы может немедленно воздействовать на удаленную частицу), они соблюдают причинно-следственную связь, а это означает, что следствия всегда имеют причины. Наблюдатель за далекой частицей не знает, потревожил ли локальный наблюдатель запутанную систему, и наоборот. Они должны обмениваться информацией друг с другом не быстрее скорости света для подтверждения.

Другими словами, ограничения, накладываемые скоростью света, все еще действуют в запутанных системах. Хотя вы можете знать состояние удаленной частицы, вы не можете передать эту информацию быстрее скорости света.

Как создать квантовую запутанность?

Есть много способов запутать частицы. Один из методов состоит в том, чтобы охладить частицы и поместить их достаточно близко друг к другу, чтобы их квантовые состояния (представляющие неопределенность положения) перекрывались, что делает невозможным отличить одну частицу от другой.

Другой способ — полагаться на какой-то субатомный процесс, такой как ядерный распад, который автоматически производит запутанные частицы. Согласно НАСА , также возможно создавать запутанные пары фотонов или частиц света, либо расщепляя один фотон и генерируя в процессе пару фотонов, либо смешивая пары фотонов в оптоволоконном кабеле.

Художественное изображение облака атомов с парами запутанных между собой частиц, представленных желто-синими линиями. (Изображение предоставлено ICFO)

(откроется в новой вкладке)

Для чего можно использовать квантовую запутанность?

Вероятно, квантовая запутанность наиболее широко используется в криптографии. Согласно журналу Caltech Magazine , , в этом сценарии отправитель и получатель создают безопасный канал связи, который включает в себя пары запутанных частиц. Отправитель и получатель используют запутанные частицы для генерации закрытых ключей, известных только им, которые они могут использовать для кодирования своих сообщений. Если кто-то перехватит сигнал и попытается прочитать закрытые ключи, запутанность разорвется, потому что измерение запутанной частицы изменяет ее состояние. Это означает, что отправитель и получатель будут знать, что их сообщения были скомпрометированы. 910 традиционных бит.

Что такое телепортация с квантовой запутанностью?

Вопреки обычному использованию слова «телепорт», квантовая телепортация не связана с перемещением или перемещением самих частиц. Вместо этого при квантовой телепортации информация об одном квантовом состоянии переносится на большие расстояния и воспроизводится где-то еще, согласно Nature News (открывается в новой вкладке).

Лучше всего рассматривать квантовую телепортацию как квантовую версию традиционной связи.

Сначала отправитель подготавливает частицу, содержащую информацию (т. е. квантовое состояние), которую он хочет передать. Затем они комбинируют это квантовое состояние с одной из запутанных пар частиц. Это вызывает соответствующее изменение в другой запутанной паре, которая может находиться на произвольном расстоянии.

Затем приемник записывает изменение запутанного партнера пары. Наконец, отправитель должен передать по обычным каналам (т. е. ограниченным скоростью света) исходное изменение, внесенное в запутанную пару. Это позволяет приемнику реконструировать квантовое состояние в новом месте.

Может показаться, что передача одной ничтожной части информации требует много работы, но квантовая телепортация обеспечивает полностью безопасную связь. Если подслушиватель перехватит сигнал, он разорвет запутанность, что обнаружится, когда приемник сравнит традиционный сигнал с изменениями, внесенными в запутанную пару.

Узнайте больше:

• Массачусетский технологический институт предлагает отличное объяснение на: Что такое квантовый компьютер?
• Узнайте обо всех современных применениях квантовой запутанности в этот университет Ватерлоо страница .