|
Расширяйте кругозор, чтобы постичь квантовую запутанность
|
|
|
|
Моя новая статья "Квантовая запутанность оптических фотонов": Первый эксперимент, 1964-1967" призвана передать дух небольшого исследовательского проекта, который затрагивает неизведанную территорию. Статья нарушает традицию, поскольку в ней от первого лица рассказывается о стратегии и задачах эксперимента, а также дается интерпретация конечного результата и его значимости. В этой гостевой редакционной статье я расскажу о предмете исследования, а также попытаюсь осветить вопрос "Что такое парадокс?".
|
|
|
|
Давайте начнем с гироскопа, который я купил, когда мне было восемь лет, в магазине, где продавались новинки и фокусы. Вращающийся диск, поддерживаемый одним концом своего стержня, не падал, а медленно перемещался в горизонтальной плоскости. Такое поведение кажется загадочным или парадоксальным в контексте обычного опыта, который исключает гироскопы, но имеет полный смысл в контексте ньютоновской механики, которая разрешает этот парадокс, точно предсказывая, как поведут себя гироскопы.
|
|
|
|
Квантовая теория, зародившаяся в середине 1920-х годов, оказалась впечатляюще успешной в объяснении свойств и взаимодействий атомов и молекул. В 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен вызвали споры мысленным экспериментом, в котором две частицы общего происхождения разделяются, отметив, что квантовая теория предсказывает корреляции при последующих измерениях их спинов. Корреляция может показаться довольно загадочной, поскольку измерение одной из частиц, по-видимому, влияет на последующее измерение другой, даже если частицы не взаимодействуют.
|
|
|
В современной терминологии эти корреляции являются примером запутанности, и явление корреляции известно как ЭПР-парадокс. Загадка стала предметом многочисленных дискуссий и анализа, особенно потому, что не было (и есть) известного механизма взаимодействия измерений друг с другом.
|
|
Распутывание запутанности
|
|
|
|
В 1964 году я был заинтригован этим незнакомым эффектом и начал думать о том, как на самом деле провести ЭПР—эксперимент — или, по крайней мере, его версию - путем наблюдения корреляции и запутанности. Это был бы эксперимент с низким потреблением энергии, который можно было бы провести в небольшой лаборатории.
|
|
|
|
В описанном здесь эксперименте интересующие нас частицы представляют собой невзаимодействующие фотоны видимого света, испускаемые возбужденными атомами кальция в двухэтапном процессе спонтанного излучения. Поляризационные состояния фотонов, которые связаны с их спинами, можно просто измерить с помощью обычных линейных поляризаторов. Детекторы с фотоумножителем подсчитывают отдельные фотоны № 1 (зеленый) и № 2 (фиолетовый), а схемы синхронизации позволяют идентифицировать пары фотонов от одного и того же атома. Перед каждым детектором установлен вращающийся линейный поляризатор.
|
|
|
|
Проще говоря, эксперимент включает в себя подсчет скорости, с которой регистрируются пары фотонов, в зависимости от ориентации поляризаторов. Пара фотонов, зарегистрированная от одного и того же атома, регистрируется как "количество совпадений".
|
|
|
|
Квантовая теория дает следующие предсказания:
|
|
|
|
- Каждый фотон, взятый в отдельности, с вероятностью 50% пройдет через свой поляризатор, независимо от угла его ориентации.
|
|
- Если оси поляризатора параллельны, оба фотона от одного и того же атома могут пройти через свои поляризаторы и быть подсчитаны. Будет наблюдаться количество совпадений.
|
|
- Если оси поляризаторов перпендикулярны, то никогда не произойдет так, что оба фотона пройдут через свои поляризаторы. Следовательно, совпадений не будет.
|
|
|
|
Предсказания №1 и №2 не вызывают удивления, поскольку зеленый и фиолетовый лучи света неполяризованы.
|
|
|
|
Предсказание № 3, обсуждаемое далее в моей статье, представляет собой эффект квантовой запутанности, не имеющий аналогов в классической (неквантовой) физике. Это особенно интересно, потому что его можно проверить экспериментально. Я разработал эксперимент специально для этой цели.
|
|
|
|
Результаты эксперимента, проведенного после почти трехлетних лабораторных исследований, ясно демонстрируют, что количество совпадений регистрируется, если оси поляризатора параллельны, и что совпадений не регистрируется, если поляризаторы перпендикулярны. Соответствие между теорией и экспериментом является однозначным и поразительным.
|
|
Итак, есть ли здесь парадокс?
|
|
|
|
В нашем кратком обсуждении гироскопа не было замечено никакого парадокса, поскольку теория Ньютона (классическая динамика) полностью объясняет, как движется гироскоп. Более того, как теория, так и наблюдаемое поведение гироскопов согласуются с нашим жизненным опытом и интуитивной способностью понимать естественные процессы в классической области.
|
|
|
|
В случае запутанности квантовая теория объясняет наблюдаемую корреляцию поляризаций фотонов. Но даже когда теория предсказывает экспериментальные результаты, парадокс может сохраняться, если интуиция не может установить с ним связь.
|
|
|
|
Взгляните еще раз на предсказания № 1 и №3, приведенные выше. Если мы обратимся к нашему опыту жизни в неквантовом мире, мы можем заметить нечто очень странное, когда поляризаторы "пересекаются" под углом 90 градусов. Если вероятность прохождения каждого фотона через его поляризатор составляет 50%, почему мы не наблюдаем совпадений в 25% случаев? Вместо этого мы не наблюдаем их вообще.
|
|
|
|
На первый взгляд, это действительно можно квалифицировать как парадокс. Одно из возможных объяснений может заключаться в недостающем компоненте квантовой теории — возможно, в причинно-следственном механизме, который позволяет одному фотону или одному измерению взаимодействовать с другим. Однако, несмотря на обширные исследования, никаких доказательств существования такого механизма найдено не было.
|
|
|
|
Поскольку мы не живем в чисто квантовом мире, классические явления могут влиять на наши мыслительные процессы — даже когда мы вступаем в квантовую область. Поэтому, возможно, по-прежнему сложно связать запутанность с интуицией. Я верю, что этот парадокс может быть, по крайней мере, частично разрешен, когда дальнейшие размышления и опыт, такие как рассматриваемый здесь эксперимент, "расширят кругозор", чтобы более полно охватить запутанность и другие квантовые явления.
|
|
|
|
Я пришел к выводу, что эти аспекты природы "удивительно прекрасны".
|
|
|
|
Источник
|
