Фізики квантово заплутали фотони, які одночасно не існують.
Схоже, вони знущаються з нас. Фізикам давно було відомо, що квантова механіка дозволяє створювати тонкий зв'язок між двома квантовими частинками -заплутаність. Це ситуація, в якій одна частка може миттєво визначати стан іншої — де б вона не знаходилася. Тепер експерименти показали, що можна заплутати два фотони, які навіть не існують одночасно.
Парадокси квантової фізики, що не дають фізикам спати, проте дають нам і практичні результати. Хто знає, можливо, квантова заплутаність якось ляже в основу елементарної телепортації?
«Ви знаєте, це кльово», — кажеДжеремі О'Брайєн, експериментатор Університету Брістоля у Великій Британії, який не має відношення до роботи. Такий стан заплутаності, розділений часом, передбачається в рамках стандартної квантової теорії, проте «воно широко не поширювалося, і я навіть не знаю, чи було сформульовано чітко до цього моменту».
Заплутаність це парадокс, який повністю захований у невизначеності квантової механіки. Уявіть: у вас є квантова частка світла, або фотон. Її можна розташувати таким чином, що вона обертатиметься вертикально або горизонтально. Квантова механіка любить невизначеності, і завдяки ній фотон може обертатися одночасно і по вертикалі, і по горизонталі. Якщо потім ви виміряєте стан фотона, ви виявите, що він крутиться або горизонтально, або вертикально, оскільки подвійний стан зникне в один (колапс хвильової функції): тільки в один. Тільки якщо виміряти, звичайно.
Заплутаність з'являється, коли ви берете два фотони. Кожен з них можна поставити у стан невизначеної вертикальності чи горизонтальності. Але оскільки фотони заплутуються, їхній стан будеідентичним, навіть якщо ви не виміряєте його. Наприклад, ви вимірюєте перший фотон і виявляєте, що він поляризований горизонтально. У той же момент ви розумієте, що другий фотон хлопається і крутиться у вертикальному положенні незалежно від того, як далеко він знаходиться. І оскільки цей розпад відбувається миттєво, сам Альберт Ейнштейн охрестив заплутаність «жахливою дією на відстані». Все це не суперечить загальній теорії відносності: ви не можете контролювати результати вимірювання першого фотона, тому квантовий зв'язок не може передавати повідомлення, яке рухається швидше за світло. Втім, чи можливий рух швидше за світло, ми вже з'ясовували.
На малюнку зображено наступне: заплутування із заміною (нагорі), де стан (синій колір) передається фотонам 1 та 4 з твором вимірювань на фотонах 2 та 3. У новому експерименті (внизу) з'ясувалося, що схема працює, навіть якщо фотон 1 знищується до того, як створюється фотон 4.
Ілій Мегідіш,Хагаї Айзенберг та колеги з Єврейського університету Єрусалима заплутали два фотони, які не існували в один і той же час. Вони почали зі схеми, відомої як заплутування із заміною. Для початку дослідники опромінювали лазером спеціальний кристал кілька разів, щоб створити дві пари фотонів, 1-2 та 3-4. На початку фотони 1 та 4 не були заплутані. Але вони будуть такими, якщо вчені зроблять особливий трюк із 2 і 3.
Суть у тому, що вимір «проектує» частинку у певне положення — так само, як вимір фотона змушує його колапсувати у вертикальне чи горизонтальне положення. Тому, навіть якщо фотони 2 і 3 починають, не будучи заплутаними, фізики можуть зробити «вимірювання, що проектує», яке встановить заплутаний зв'язок між двома різними парами.Цей вимір заплутає фотони, навіть шляхом поглинання та знищення їх. Якщо вчені виміряють лише події, в яких заплутаності фотонів 2 і 3 приходить кінець, вимір також заплутає фотони 1 і 4. Ефект нагадує роботу чотирьох ланцюгових шестерень: дві внутрішні задають зв'язок зовнішнім двом.
Останнім часом фізики працювали у рамках звичайного часу. Наприклад, минулого року було показано, що заплутування із заміною працюватиме навіть після того, як стан фотонів 1 і 4 буде виміряно. Тепер Айзенберг і його колеги показали, що фотони 1 і 4 можуть взагалі не існувати одночасно, про що й поспішили повідомити Physical Review Letters.
Щоб зробити це, вони спочатку заплутали пару 1 і 2, а потім виміряли поляризацію 1. Відразу після цього була створена заплутана пара 3 і 4, і виконано проектуючий вимір. Нарешті, вчені виміряли поляризацію фотона 4. І хоча фотони 1 і 4 ніколи не існували одночасно, вимірювання показали, що їх поляризації зрештою заплуталися. Айзенберг наголосив, що хоча в теорії відносності час вимірюється по-різному спостерігачами, які рухаються з різною швидкістю, жоден спостерігач ніколи не бачив два фотона співіснуючими.
Експеримент показав, що думати про природу заплутаності як про фізично відчутний зв'язок, зовсім неправильно.
"Там немає моменту в часі, коли два фотони існують одночасно", - каже фізик. — «Отже, ви не можете сказати, що система заплутана в цей чи в той момент».
Проте явище існує.Антон Цайлінгер, фізик з Віденського університету, погодився з тим, що експеримент показує, наскільки слизькою залишається квантова механіка.
«Вона невловима, тому що демонструє більшою чи меншою мірою, щоквантові події знаходяться за межами наших повсякденних уявлень про простір та час».
Чим же добрий цей експеримент? Фізики сподіваються створити квантові мережі, в яких протоколи з використанням заплутування із заміною допоможуть віддаленим користувачам отримати шифрований зв'язок, що не зламується. Нові висновки дозволяють припустити, що при спільному використанні заплутаних пар фотонів у таких мережах користувачеві не доведеться чекати, щоб побачити, що відбувається з фотонами, які залишилися позаду.
Крім того, такі експерименти відкривають уми людей. Раптом комусь спаде на думку ідея, як її використовувати.