Что такое квантовая запутанность? Физик объясняет науку о «действиях Эйнштейна на расстоянии».
Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем ученым, внесшим новаторский вклад в понимание одного из самых загадочных явлений природы: квантовой запутанности.
Проще говоря, квантовая запутанность означает, что аспекты одной частицы запутанной пары зависят от аспектов другой частицы, независимо от того, как далеко они друг от друга или что находится между ними. Эти частицы могут быть, например, электронами или фотонами, а аспектом может быть состояние, в котором они находятся, например, «вращаются» ли они в том или ином направлении.
Странная часть квантовой запутанности заключается в том, что когда вы измеряете что-то об одной частице в запутанной паре, вы сразу же знаете что-то о другой частице, даже если они разделены миллионами световых лет . Эта странная связь между двумя частицами происходит мгновенно и, по-видимому, нарушает фундаментальный закон Вселенной . Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии».
Проведя большую часть двух десятилетий, проводя эксперименты, основанные на квантовой механике , я пришел к выводу, что это странность. Благодаря еще более точным и надежным приборам и работе лауреатов Нобелевской премии этого года Алена Аспекта, Джона Клаузера и Антона Цайлингера физики теперь с исключительной степенью уверенности интегрируют квантовые явления в свои знания о мире.
Однако даже до 1970-х годов мнения исследователей по-прежнему расходились во мнениях относительно того, является ли квантовая запутанность реальным явлением. И не зря — кто посмеет противоречить великому Эйнштейну, который сам в этом сомневался? Потребовались разработка новых экспериментальных технологий и смелые исследователи, чтобы наконец разрешить эту тайну.
Существование в нескольких состояниях одновременно
Чтобы по-настоящему понять пугающую природу квантовой запутанности, важно сначала понять квантовую суперпозицию . Квантовая суперпозиция — это идея о том, что частицы существуют одновременно в нескольких состояниях. Когда выполняется измерение, частица как бы выбирает одно из состояний в суперпозиции.
Например, у многих частиц есть атрибут, называемый спином, который измеряется либо как «вверх», либо «вниз» для данной ориентации анализатора. Но пока вы не измерите спин частицы, она одновременно существует в суперпозиции спина вверх и спина вниз.
Каждому состоянию присваивается вероятность, и можно предсказать средний результат на основе многих измерений. Вероятность того, что отдельное измерение будет положительным или отрицательным, зависит от этих вероятностей, но сама по себе непредсказуема.
Хотя это очень странно, математика и огромное количество экспериментов показали, что квантовая механика правильно описывает физическую реальность.
Две запутанные частицы
Жуткость квантовой запутанности проистекает из реальности квантовой суперпозиции и была очевидна для отцов-основателей квантовой механики, разработавших эту теорию в 1920-х и 1930-х годах.
Чтобы создать запутанные частицы, вы, по сути, разбиваете систему на две части, сумма частей которых известна. Например, вы можете разделить частицу со спином, равным нулю, на две частицы, которые обязательно будут иметь противоположные спины, так что их сумма будет равна нулю.
В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью , в которой описывается мысленный эксперимент , предназначенный для иллюстрации кажущейся абсурдности квантовой запутанности , бросающей вызов фундаментальному закону Вселенной.
Упрощенная версия этого мысленного эксперимента , приписываемая Дэвиду Бому, рассматривает распад частицы, называемой пи-мезоном. Когда эта частица распадается, она производит электрон и позитрон, которые имеют противоположный спин и удаляются друг от друга. Следовательно, если измеренный спин электрона направлен вверх, то измеренный спин позитрона может быть только направлен вниз, и наоборот. Это верно, даже если частицы находятся на расстоянии миллиардов миль друг от друга.
Это было бы хорошо, если бы измерение спина электрона всегда было вверху, а измерение спина позитрона всегда внизу. Но из-за квантовой механики спин каждой частицы одновременно направлен вверх и вниз, пока не будет измерен. Только когда происходит измерение, квантовое состояние спина «коллапсирует» либо вверх, либо вниз — мгновенно коллапсируя другую частицу в противоположный спин. Кажется, это говорит о том, что частицы общаются друг с другом каким-то образом, движущимся быстрее скорости света. Но по законам физики ничто не может двигаться быстрее скорости света. Разве измеренное состояние одной частицы не может мгновенно определить состояние другой частицы на дальнем конце Вселенной?
Физики, включая Эйнштейна, предложили ряд альтернативных интерпретаций квантовой запутанности в 1930-х годах. Они предположили, что существует какое-то неизвестное свойство — так называемые скрытые переменные — которое определяет состояние частицы до измерения . Но в то время у физиков не было ни технологии, ни определения четкого измерения, которое могло бы проверить, нужно ли модифицировать квантовую теорию, чтобы включить скрытые переменные.
Опровержение теории
Только в 1960-х годах появились какие-либо подсказки к ответу. Джон Белл, блестящий ирландский физик, не доживший до Нобелевской премии, разработал схему, чтобы проверить, имеет ли смысл понятие скрытых переменных.
Белл вывел уравнение, известное теперь как неравенство Белла, которое всегда правильно — и только правильно — для теорий скрытых переменных, но не всегда для квантовой механики. Таким образом, если окажется, что уравнение Белла не удовлетворяется в реальном эксперименте, теории локальных скрытых переменных можно исключить как объяснение квантовой запутанности.
Эксперименты лауреатов Нобелевской премии 2022 года, особенно Алена Аспекта , были первыми проверками неравенства Белла . В экспериментах использовались запутанные фотоны, а не пары электрона и позитрона, как во многих мысленных экспериментах. Результаты окончательно исключили существование скрытых переменных — загадочного атрибута, который предопределяет состояния запутанных частиц. В совокупности эти и многие последующие эксперименты подтвердили квантовую механику. Объекты могут коррелировать на больших расстояниях таким образом, что физика до квантовой механики не может объяснить.
Важно отметить, что также нет конфликта со специальной теорией относительности, которая запрещает общение со скоростью, превышающей скорость света . Тот факт, что измерения на огромных расстояниях коррелированы, не означает, что информация передается между частицами. Две стороны, находящиеся далеко друг от друга и выполняющие измерения запутанных частиц , не могут использовать это явление для передачи информации со скоростью, превышающей скорость света.
Сегодня физики продолжают исследовать квантовую запутанность и исследовать потенциальные практические приложения. Хотя квантовая механика может предсказать вероятность измерения с невероятной точностью, многие исследователи по-прежнему скептически относятся к тому, что она дает полное описание реальности. Однако одно можно сказать наверняка. Многое еще предстоит сказать о загадочном мире квантовой механики.
