Квантовая запутанность - королева парадоксов
Мир вокруг велик и разнообразен – разнообразен настолько, что на одних масштабах проявляются законы, совершенно немыслимые для других. Законы политики и битломания никак не следуют из устройства атома – для их описания требуются свои «формулы» и свои принципы. Трудно представить, чтобы яблоко – макроскопический объект, поведение которого обычно следует законам ньютоновской механики, – взяло и исчезло, слилось с другим яблоком, превратившись в ананас. А между тем именно такие парадоксальные феномены проявляются на уровне элементарных частиц. Узнав, что это яблоко красное, вряд ли мы сделаем зеленым другое, находящееся где-нибудь на орбите. А между тем именно так действует явление квантовой запутанности, и именно это продемонстрировали китайские физики, с работы которых мы начали наш разговор. Попробуем разобраться, что же это такое и чем может помочь человечеству.
Мир вокруг локален – иначе говоря, для того чтобы какой-то далекий объект изменился, он должен провзаимодействовать с другим объектом. При этом никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью быстрее световой: это и делает физическую реальность локальной. Яблоко не может шлепнуть Ньютона по голове, не добравшись до нее физически. Вспышка на Солнце не может мгновенно сказаться на работе спутников: заряженным частицам придется преодолеть расстояние до Земли и провзаимодействовать с электроникой и частицами атмосферы. Но вот в квантовом мире локальность нарушается.
Самым знаменитым из парадоксов мира элементарных частиц можно назвать принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому невозможно точно определить величину обеих «парных» характеристик квантовой системы. Положение в пространстве (координата) или скорость и направление движения (импульс), ток или напряжение, величина электрической или магнитной компоненты поля – все это «взаимодополняющие» параметры, и чем точнее мы измерим один из них, тем менее определенным станет второй.
Когда-то именно принцип неопределенности вызвал непонимание Эйнштейна и его знаменитое скептическое возражение «Бог не играет в кости». Однако, похоже, играет: все известные эксперименты, косвенные и прямые наблюдения и расчеты указывают, что принцип неопределенности является следствием фундаментальной недетерменированности нашего мира. И снова мы приходим к несочетанию масштабов и уровней реальности: там, где существуем мы, все вполне определенно: если разжать пальцы и отпустить яблоко, оно упадет, притянутое гравитацией Земли. Но на уровне более глубинном причин и следствий попросту нет, а существует лишь пляска вероятностей.
Парадоксальность квантово запутанного состояния частиц в том и состоит, что «удар по голове» может произойти ровно одновременно с отрывом яблока от ветки. Запутанность нелокальна, и изменение объекта в одном месте мгновенно – и без всякого очевидного взаимодействия – меняет другой объект совершенно в другом. Теоретически мы можем отнести одну из запутанных частиц хоть на другой конец Вселенной, но все равно стоит нам «коснуться» ее партнера, оставшегося на Земле, и вторая частица откликнется моментально. Самому Эйнштейну поверить в это было непросто, и спор его с Нильсом Бором и коллегами из «лагеря» квантовой механики стал одним из самых увлекательных сюжетов в современной истории науки. «Реальность определенна, – как бы говорили Эйнштейн и его сторонники, – несовершенны лишь наши модели, уравнения и инструменты». «Модели могут быть какими угодно, но сама реальность в основе нашего мира никогда не определена до конца», – возражали адепты квантовой механики.
Выступая против ее парадоксов, в 1935 г. Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал свой парадокс. «Ну хорошо, – рассуждали они, – допустим, узнать одновременно координату и импульс частицы невозможно. Но что, если у нас есть две частицы общего происхождения, состояния которых идентичны? Тогда мы можем измерить импульс одной, что даст нам косвенным образом сведения об импульсе другой, и координату другой, что даст знание координаты первой». Такие частицы были чисто умозрительной конструкцией, мысленным экспериментом – возможно, поэтому достойный ответ Нильсу Бору (а точнее, его последователям) удалось найти только 30 лет спустя.
Пожалуй, первый призрак квантово-механических парадоксов наблюдал еще Генрих Герц, заметивший, что если электроды разрядника осветить ультрафиолетом, то прохождение искры заметно облегчается. Эксперименты Столетова, Томсона и других великих физиков позволили понять, что происходит это благодаря тому, что под действием излучения вещество испускает электроны. Однако происходит это совершенно не так, как подсказывает логика; например, энергия высвободившихся электронов не будет выше, если мы увеличим интенсивность излучения, зато возрастет, если мы уменьшим его частоту. Увеличивая же эту частоту, мы придем к границе, за которой никакого фотоэффекта вещество не проявляет – этот уровень у разных веществ разный.
Объяснить эти феномены удалось Эйнштейну, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Связаны они с квантованием энергии – с тем, что она может передаваться лишь определенными «микропорциями», квантами. Каждый фотон излучения несет определенную энергию, и если ее достаточно, то электрон поглотившего его атома вылетит на свободу. Энергия фотонов обратно пропорциональна длине волны, и при достижении границы фотоэффекта ее уже недостаточно даже для сообщения электрону минимально нужной для выхода энергии. Сегодня это явление встречается нам повсеместно – в виде солнечных батарей, фотоэлементы которых работают именно на основе этого эффекта.
В середине 1960-х Джон Белл заинтересовался проблемой нелокальности в квантовой механике. Ему удалось предложить математическую основу для вполне осуществимого эксперимента, который должен заканчиваться одним из альтернативных результатов. Первый итог «срабатывал», если принцип локальности действительно нарушается, второй – если все-таки он действует всегда и нам придется искать какую-то другую теорию для описания мира частиц. Уже в начале 1970-х такие эксперименты были поставлены Стюартом Фридманом и Джоном Клаузером, а затем – Аленом Аспэном. Упрощенно говоря, задача состояла в создании пар спутанных фотонов и измерении их спинов, одного за другим. Статистические наблюдения показали, что спины оказываются не свободными, а скоррелированными друг с другом. Такие опыты проводятся с тех пор почти непрерывно, все более точные и совершенные – и результат один и тот же.
Стоит добавить, что механизм, объясняющий квантовую запутанность, неясен до сих пор, существует лишь явление – и различные интерпретации дают свои объяснения. Так, в многомировой интерпретации квантовой механики запутанные частицы – это лишь проекции возможных состояний одной-единственной частицы в других параллельных вселенных. В транзакционной интерпретации эти частицы связывают стоячие волны времени. Для «квантовых мистиков» феномен запутанности – еще один повод рассматривать парадоксальный базис мира как способ объяснения всему непонятному, от самих элементарных частиц до человеческого сознания. Мистиков можно понять: если вдуматься, то от последствий кружится голова.
Простой опыт Клаузера–Фридмана указывает на то, что локальность физического мира в масштабе элементарных частиц может нарушаться, и сама основа реальности оказывается – к ужасу Эйнштейна – расплывчатой и неопределенной. Это не значит, что взаимодействие или информация могут передаваться мгновенно, за счет запутанности. Разнесение запутанных частиц в пространстве идет с обычной скоростью, результаты измерения случайны, и пока мы не измерим одну частицу, вторая не будет содержать никакой информации о будущем результате. С точки зрения получателя второй частицы, результат совершенно случаен. Почему же все это нас интересует?
Кажется, при разговоре о принципе неопределенности мы уронили яблоко? Поднимите его и бросьте об стену – разумеется, оно разобьется, ведь в макромире не работает еще один квантово-механический парадокс – туннелирование. При туннелировании частица способна преодолевать энергетический барьер более высокий, чем ее собственная энергия. Аналогия с яблоком и стеной, конечно, очень приблизительная, зато наглядная: туннельный эффект позволяет фотонам проникать внутрь отражающей среды, а электронам – «не замечать» тонкой пленки оксида алюминия, которая покрывает провода и вообще-то является диэлектриком.
Наша бытовая логика и законы классической физики к квантовым парадоксам не слишком-то приложимы, но они все равно работают и широко применяются в технике. Физики как будто (временно) решили: пусть мы пока не знаем до конца, как это работает, но пользу из этого можно извлечь уже сегодня. Туннельный эффект лежит в основе работы некоторых современных микрочипов – в виде туннельных диодов и транзисторов, туннельных переходов и т. д. И, конечно, нельзя забывать о сканирующих туннельных микроскопах, в которых туннелирование частиц обеспечивает наблюдение за отдельными молекулами и атомами – и даже манипуляцию ими.
В самом деле, давайте представим, что мы «квантово запутали» два яблока: если первое яблоко окажется красным, то второе обязательно зеленым, и наоборот. Мы можем отправить одно из Петербурга в Москву, сохранив их спутанное состояние, но это, казалось бы, все. Только когда в Петербурге яблоко будет измерено как красное, второе станет зеленым в Москве. До момента измерения возможности предсказать состояние яблока нет, потому что (все те же парадоксы!) самого определенного состояния они не имеют. Какой же в этом запутывании толк?.. А толк нашелся уже в 2000?х, когда Эндрю Джордан и Александр Коротков, опираясь на идеи советских физиков, нашли способ как бы «не до конца» измерять, а значит, и фиксировать состояния частиц.
Используя «слабые квантовые измерения», можно как бы взглянуть на яблоко вполглаза, мельком, стараясь угадать его цвет. Можно проделывать такое снова и снова, фактически не посмотрев на яблоко как следует, но вполне уверенно определиться с тем, что оно, например, красное, а значит, спутанное с ним яблоко в Москве будет зеленым. Это позволяет использовать спутанные частицы снова и снова, а предложенные около 10 лет назад методы позволяют хранить их, запустив бегать по кругу неопределенно долгое время. Остается унести одну из частиц подальше – и получить исключительно полезную систему.
Откровенно говоря, создается ощущение, что пользы в запутанных частицах куда больше, чем принято думать, просто наша скудная фантазия, скованная все тем же макроскопическим масштабом реальности, не позволяет придумать им настоящие применения. Впрочем, и уже существующие предложения вполне фантастичны. Так, на основе спутанных частиц можно организовать канал для квантовой телепортации, полного «считывания» квантового состояния одного объекта и «записи» его в другой, как если бы первый просто перенесся на соответствующее расстояние. Более реалистичны перспективы квантовой криптографии, алгоритмы которой обещают почти «невзламываемые» каналы связи: любое вмешательство в их работу скажется на состоянии запутанных частиц и будет тут же замечено владельцем. Тут-то на сцену и выходит китайский эксперимент QESS (Quantum Experiments at Space Scale – «Квантовые эксперименты в космическом масштабе»).
Проблема в том, что на Земле трудно создать надежную связь для разнесенных на большое расстояние запутанных частиц. Даже в самом совершенном оптоволокне, по которому идет передача фотонов, сигнал постепенно затухает, а требования к нему здесь особенно высокие. Китайские ученые даже подсчитали, что если создавать запутанные фотоны и рассылать их в две стороны с плечами длиной около 600 км – по половине расстояния от центра квантовой науки в Дэлинхе до центров в Шэньчжэне и Лицзяне, – то можно рассчитывать поймать по спутанной паре примерно за 30 тыс. лет. Иное дело космос, в глубоком вакууме которого фотоны пролетают такое расстояние, не встречая каких-либо преград. И тут на сцену выходит экспериментальный спутник Mozi («Мо-Цзы»).
На космическом орбитальном аппарате установили источник (лазер и нелинейный кристалл), каждую секунду выдававший несколько миллионов пар запутанных фотонов. С дистанции от 500 до 1700 км одни эти фотоны направлялись в наземную обсерваторию в Дэлинхе на Тибете, а вторые – в Шэньчжэне и Лицзяне на юге Китая. Как и можно было ожидать, основные потери частиц происходили в нижних слоях атмосферы, однако это лишь около 10 км пути каждого пучка фотонов. В результате же канал запутанных частиц покрыл расстояние от Тибета до юга страны – около 1200 км, а в ноябре этого года была открыта новая линия, которая соединяет провинцию Аньхой на востоке с центральной провинцией Хубэй. Пока что каналу не хватает надежности, но это уже дело техники.
В ближайшее время китайцы планируют запуск более совершенных спутников для организации таких каналов и обещают, что уже скоро мы увидим действующую квантовую связь между Пекином и Брюсселем, фактически с одного конца континента до другого. Очередной «невозможный» парадокс квантовой механики обещает очередной скачок в технологиях.
Источник
Подписка на новостой RSS-канал сайта
Получать новости сайта по почте
Контактный адрес для любых сообщений
МЕНЮ
Архив материалов
Подписка на новости
Новости криптозоологии
Хроники природных катастроф
ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ
25.12.2017 - 04.02.2018 (990)
05.02.2018 - 17.03.2018 (1000)
18.03.2018 - 02.05.2018 (990)
03.05.2018 - 11.06.2018 (1000)
12.06.2018 - 18.07.2018 (990)
19.07.2018 - 24.08.2018 (1000)
25.08.2018 - 02.10.2018 (1000)
03.10.2018 - 07.11.2018 (990)
08.11.2018 - 13.12.2018 (990)
14.12.2018 - ...
Последние аномальные новости

Белая медуза пролетела над Бразилией

Большинство привидений безразличны к людям

Вопли из гроба прервали похороны

Встречи с привидениями происходят не так уж редко

Гости из иных миров

Драконы древнего мира

Жители Зеленограда сняли восход Нибиру

Загадочная Застывшая Зоя

Зачарованные горы и пещеры

Инопланетяне облучают Землю сверхяркими лазерами

Какие технологии предсказал Филип Дик

Лекарь от Бога сдался властям

Летающие тарелки над Ростовом-на-Дону

Мегалодон вымер в результате взрыва сверхновой

Мистические тайны шаманов

Найден способ построить машину времени

Нашли частицы крови Зинаиды Колмогоровой из группы Дятлова

Нелюди среди нас

НЛО столкнулось c пассажирским лайнером

НЛО чуть не послужили причиной начала Третьей мировой войны

Одесская Барби стала масоном

Привидения Екатеринбурга

Редактор Битвы экстрасенсов раскрыл правду о проекте

Рядом с Зоной 51 обнаружили странный кратер

Сбылось еще одно пророчество Конца Света

Третья мировая война начнется в 2019 году

Третья мировая война начнется с военных действий в Донбасе

Три вероятных сценария инопланетного вторжения

Чистим денежную ауру

Шерпы - другая кровь

Актер Микки Рурк о фильме с участием Боба Лазара

Актриса Дженнифер Энистон жила в доме с привидениями

Гадания и пророчества. Когда им нельзя верить

Город инопланетян нашли на Марсе

Демон у кровати

Инопланетяне в черных комбинезонах напали на семью

Йови сняли в австралийском лесу

Как ведьма в белом запугала город

Какие предсказания Артура Кларка о будущем сбылись

Конец света и Армагеддон уже сегодня пугает людей

Морское чудовище видели у полуострова Новая Шотландия

НАСА начало поиски марсиан

НАСА снимает марсианские пейзажи в Казахстане

Научились извлекать информацию непосредственно из мозга работников

Нашли нетронутую гробницу возрастом более 4000 лет

Необычные места Владимирской области

Письма из Гипербореи

Плазмоид напугал дикого лиса

Предсказатели рассказали, каким видят мир в 2019 году

Сведения о философском камне сохранились до нашего времени

Сверхмощный лазер доставит корабль на Марс за несколько дней

Сдвиг полюсов уже начался. На него реагируют птицы

Странные звуки пугают жителей всего мира

Телефонный звонок из ночного кошмара

Фильмы и сериалы о предсказаниях

Французскую Вангу уличили во лжи

Часть дома с привидениями продали в центре Москвы

Что заставило прессу прислушаться к пророчествам Ванги

Что предсказал Нострадамус на 21 век

Ясновидящие рассказали о ближайшем будущем

Наиболее удобный вариант обмена Zcash (ZEC) на Advanced Cash

Ангела сняли около Солнца

Атака инопланетян решит судьбу Европы

Загадочная смерть на станции Мак-Мердо

Земляне увидят Нибиру без телескопов и биноклей

Какие знаки зодиака наделены сверхспособностями

Какие предсказания Нострадамуса сбылись

Нибиру обрушит на Землю апокалиптический циклон до конца года

Нострадамус стал ясновидящим после смерти жены и детей

Обнаружили алмаз размером с куриное яйцо

Обнаружили формирование необычной двойной системы

Огненного дракона заметили над Италией

Орангутан помог родить женщине после шести выкидышей

Правительство США контролирует погоду

Пророчества Нострадамуса. Верить ли предсказаниям

Протопланетные диски обнаружили у молодых звезд

Рассчитали параметры для поиска инопланетян

Секретные помещения нашли под замком Дракулы

Стоунхендж помогали строить коровы

Телепортация в прямом эфире ВВС

Что сбылось и не сбылось. Предсказания Ванги и Нострадамуса на 2018 год

Бразильского целителя обвинили в насилии над сотнями женщин

Женщина стала есть одни сигареты

Завершающие работы перед грандиозным светопредставлением

Загадочное свечение в парке Нового Орлеана

Кем был на самом деле великий пророк Нострадамус

Корабль инопланетян пролетел около зонда SpaceX

Корова-каратистка чуть не убила байкера

Мистические Ворота Солнца воссоздали в 3D

Мишель Нострадамус ничего не предсказал, но ему верят

Могла ли жизнь упасть на Землю

Мужчина забил гвоздь в голову и выжил

Нибиру вплотную приблизилась к Земле

Новая опасность секс-роботов будущего

Оптическая иллюзия со столбом разделила один город на два

Почему Николая Рериха называли Антихристом

Почему у землеподобных экзопланет почти нет Нептунов

Ранних христиан посещали инопланетяне

Самые необычные и странные научные работы уходящего года

Серп и молот заметили над Россией

Частота наблюдения аномалий нарастает с пугающей силой

Бегство инопланетян с Земли сняли с МКС

Белое существо с мордой как у свиньи замечено в Миссури

Бремя Апокалипсиса

Возле Земли взорвалась сверхновая, которая грозит убить всё живое

Вселенная - это компьютерная игра Абсолюта

Вход в базу инопланетян нашли на поверхности Луны

Дальнобойщик 40 лет похищал людей, выдавая себя за инопланетян

Девочка записала голос умершего дедушки

Жуткая фигура на крыше дома

Замки с привидениями в России

Из атмосферы Марса загадочно исчез весь метан

Изучение органов инопланетян в Зоне 51

Колдунья расплатилась за ЖКХ магическими книгами

Летающую тарелку заметили над Нью-Йорком

Мистический Новороссийск

Народный целитель устал есть человечину и сдался полиции

Нашли способ омолодить человеческие клетки

НЛО заметили над островом Кенгуру

Охота на меленковскую чупакабру

Получен первый снимок с экзопланетного телескопа

Призрак в пустом офисе

Пять знаков Зодиака с самой сильной интуицией

Рогатую жабу и сома в форме блина нашли у реки Меконг

Секретный ангар в Зоне 51

Стаю птиц сняли на Марсе

Теория плоской Земли

Уникальный дольмен реставрируют в Адыгее

Феномен искривленного пространства-времени

Черный треугольный НЛО заметили над Нью-Джерси

Что-то странное происходит в Антарктиде

Металлическая сварная лестница для дома

Киндзмараули - лучшее грузинское вино

К чему снятся сны с пятницы на субботу

Башню старинного замка нашли в Антарктиде

Возможно, мы все живем в Матрице

Все, что нужно знать о Молебской аномальной зоне

Десять главных предсказаний Нострадамуса на 2019 год

Инопланетный робот обнаружен на Марсе

Инопланетяне уже давно нас изучили

К женщине пришел умерший отец и обнял ее

Ковчег Завета в Эфиопии оказался подделкой

Летающий светящийся шар появился в квартире

Луна обладает множеством пока не объяснимых загадок

Люди вернут Землю на десятки миллионов лет в прошлое

Могут ли на Землю покуситься внеземные агрессоры

Настоящая причина гибели группы Игоря Дятлова

Начинается новый Ледниковый период

Огнеопасный Плачущий мальчик

Огромный НЛО перепугал Национальную метеорологическую службу

Потусторонние миры Иеронима Босха

Призрачный город замечен около Ямбурга

Пришествие Девонширского дьявола

Прогнозы Ванги на 2019 год

Проклятая картина Билла Стоунхэма

Проклятые фильмы Голливуда

Робот пронзил рабочего десятью штырями

Розовый пончик летал над Ирландией

Сбор средств на бордель с секс-роботами провалился

Сверхновая вызвала массовое вымирание в конце плиоцена

Странный обьект в небе Аризоны

Теорию Эйнштейна доказали неправильно запущенными спутниками

Тунгусский метеорит. Тайна пришельца из Космоса

Что ждет Россию в 2019 году. Предсказания Эдгapа Кeйси

Казино Вулкан открыто для всех

Актриса пожаловалась на полтергейст

Аппарат Voyager 2 покинул Солнечную систему

Астрономы близки к открытию загадочной Планеты Икс

Бигфут навестил семью в Миннесоте

Битва за Землю началась в космосе

Где находился замок короля Артура

Грядёт Третья мировая война

Загадочное животное распотрошило 40 уток

Инсценировать высадку на Луну было бы дороже, чем ее осуществить

Искусственный интеллект EVE Online вышел из-под контроля

Кошка месяц прождала хозяев у сгоревшего дома

Могилу древнего вампира раскопали в Англии

Мужчина три месяца питается лишь воздухом

На протяжении тысячелетий кто-то старательно избавлял человечество от знаний

Население США начали готовить к шести месяцам тьмы

Неразгаданные тайны земли Кыштовской

НЛО заметили над Фиджи

НЛО попал в прямой эфир с МКС

Обнаружен новый предок человека

Образцы лунного грунта подделать невозможно

Огненный шар в телестудии сорвал прямой эфир

Подписка на новости сайта
Наверх
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика