Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане



Не толкова отдавна физиците показали първите резултати от мисията QUESS и спътникът Mozi изстреляни в орбитата си, осигурявайки рекордно разделяне на квантово заплетените фотони с разстояние повече от 1200 км. В бъдеще това би могло да доведе до създаването на квантова комуникационна линия между Пекин и Европа.

Светът наоколо е голям и разнообразен – толкова разнообразен, че законите се появяват на някои мащаби, които са напълно немислими за други. Трудно е да си представим, че ябълката – макроскопичен обект, чието поведение обикновено следва законите на Нютоновата механика ще се слее с друга ябълка, превръщайки се в ананас. Междувременно именно такива парадоксални явления се проявяват на ниво елементарни частици. Когато научим, че тази ябълка е червена, е малко вероятно да направим зелена друга, разположена някъде в орбита.

Бор, Айнщайн и другите

Светът наоколо е локален – с други думи, за да се промени някой далечен обект, той трябва да си взаимодейства с друг обект. Освен това, никое взаимодействие не може да се разпространява по-бързо от светлината, като това прави физическата реалност местна. Една ябълка не може да удари Нютон по главата, без да я достигне физически. Светкавицата на Слънцето не може незабавно да повлияе на работата на спътниците. Заредените частици ще трябва да покрият разстоянието до Земята и да взаимодействат с електрониката и частиците от атмосферата. Но в квантовия свят местността е нарушена.

Кралицата на парадокса - Квантовото заплитане
Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

Най-известният от парадоксите на света на елементарните частици може да се нарече принципът на несигурността на Хайзенберг, според който е невъзможно да се определи точно стойността на двете „двойни“ характеристики на квантовата система. Положението в пространството (координата) или скоростта и посоката на движение (импулс), ток или напрежение, величината на компонентите на електрическото или магнитното поле са всички „допълващи се“ параметри и колкото по-точно измерваме един от тях, толкова по-малко сигурен ще стане вторият.

Веднъж именно принципът на несигурност предизвикало неразбирането на Айнщайн и известното му скептично възражение „Бог не играе на зарове“. Изглежда обаче, че играе. Всички известни експерименти, косвени и директни наблюдения и изчисления показват, че принципът на несигурност е следствие от фундаменталния недетерминизъм на нашия свят. И отново стигаме до несъответствие на мащабите и нивата на реалността. Там, където съществуваме, всичко е съвсем сигурно. Ако пуснете ябълката, тя ще падне изтеглена от гравитацията на Земята. Но на по-дълбоко ниво просто няма причини и последици, а има само вероятности.

Кралицата на парадокса - Квантовото заплитане
Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

Парадоксът на квантовото заплетено състояние

на частиците се състои в това, че „удара в главата“ може да възникне точно едновременно с отделянето на ябълката от клона. Заплитането е нелокално и промяната на обекта на едно място мигновено и без очевидно взаимодействие променя друг обект по съвсем различен начин. Теоретично можем да отведем една от заплетените частици поне до другия край на Вселената, но така или иначе трябва да „докоснем“ партньора му, останал на Земята, а втората частица ще реагира мигновено. На Айнщайн не му било лесно да повярва в това и спорът му с Нийлс Бор и колегите му от „лагера“ на квантовата механика станала една от най-завладяващите теми в съвременната история на науката.

Реалността е сигурна“, както би казал Айнщайн и неговите привърженици, „само нашите модели, уравнения и инструменти са несъвършени“. „Моделите могат да бъдат всичко, което харесвате, но самата реалност в основата на нашия свят никога не е била напълно определена“, възразили привържениците на квантовата механика.

Противопоставяйки се на парадоксите й, през 1935 г. Айнщайн формулирал парадокса си заедно с Борис Подолски и Нейтън Росен. „Ами“, разсъждаваха те, „да кажем, че е невъзможно да се познаят както координатата, така и импулсът на една частица. Но какво ще стане, ако имаме две частици с общ произход, чиито състояния са идентични? Тогава можем да измерим импулса на единия, който ще ни даде косвена информация за импулса на другата и координатата на другата, която ще даде знания за координатите на първата. ” Тези частици били чисто спекулативна конструкция, мисловен експеримент, който дал на Нилс Бор да намери достоен отговор само 30 години по-късно.

Може би първият признак

на квантово-механичните парадокси бил наблюдаван от Хайнрих Херц, който забелязал, че ако електродите на разрядника са осветени с ултравиолетова светлина, преминаването на искрата е забележимо по-лесно. Експериментите на Столетов, Томсън и други велики физици позволили да се разбере, че това се дължи на факта, че под действието на радиацията вещество излъчва електрони. Това обаче изобщо не се случвало, както предполага логиката. Например енергията на освободените електрони няма да бъде по-висока, ако увеличим интензивността на излъчването, но ще се увеличат ако намалим честотата им.

Айнщайн успял да обясни тези явления, за което е удостоен с Нобелова награда. Те се свързват с квантовата енергията и с факта, че тя може да бъде предадена само от определени кванти. Всеки фотон на излъчване носи определена енергия и ако е достатъчна тогава електронът на абсорбиращия атом ще лети свободно. Енергията на фотона е обратно пропорционална на дължината на вълната. Когато се достигне границата на фотоефекта вече не е достатъчно дори да се даде на електрона минималната енергия, необходима за изхода. Днес това явление се среща навсякъде около нас под формата на слънчеви панели, слънчевите клетки на които работят именно въз основа на този ефект.

Експерименти, интерпретации, мистика

В средата на 60-те години Джон Бел се интересувал от проблема с нелокалността в квантовата механика. Той успял да предложи математическа основа за напълно осъществим експеримент. Първият резултат „ще се изработи“ ако принципът на локалност наистина е нарушен, а вторият – в края на краищата той винаги действал и трябвало да се търси някаква друга теория, която да опише света на частиците. Още в началото на 70-те години подобни експерименти били поставени от Стюарт Фридман и Джон Клаузер, а след това и от Ален Аспан. Просто казано, задачата им била да създадат двойки оплетени фотони и да измерват завъртанията им един след друг.

Статистическите наблюдения показали, че фотоните не са свободни, а са свързани помежду си. Оттогава подобни експерименти се провеждали почти непрекъснато, а резултатите ставали все по-точни и перфектни и резултатът винаги е бил един и същ.

Кралицата на парадокса - Квантовото заплитане
Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

Заслужава да се добави, че механизмът обясняващ квантовото заплитане все още е неясен като има само различни интерпретации, които дават своите обяснения. По този начин в многовариантната интерпретация на квантовата механика заплетените частици са само проекции на възможните състояния на една частица в други паралелни вселени. В транзакционна интерпретация тези частици свързват стоящите вълни на времето.

За „квантовите мистици“ явлението заплитане е друга причина да разгледат парадоксалната основа на света като начин за обяснение на всичко неразбираемо от самите елементарни частици до човешкото съзнание.

Простият експеримент Клаузер – Фридман показал, че локализацията на физическия свят в мащаба на елементарните частици може да бъде нарушена и самата основа на реалността се оказва за ужаса на Айнщайн неясна и несигурна. Това не означава, че взаимодействието или информацията могат да бъдат предадени моментално поради объркване. Разпространението на заплетените частици в пространството протича с обикновена скорост. Резултатите от измерванията са случайни и докато не измерим една частица, втората няма да съдържа информация за бъдещия резултат. От гледна точка на получателя на втората частица резултатът е напълно случаен. Защо всичко това ни интересува?

Кралицата на парадокса - Квантовото заплитане
Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

Изглежда, че когато говорим за принципа на несигурност, изпуснахме ябълка? Повдигнете я и я хвърлете към стената. Разбира се, тя ще се счупи, защото в макрокосмоса друг квантово-механичен парадокс не работи – тунелирането. По време на тунелиране една частица е в състояние да пресече енергийната бариера, по-висока от собствената си енергия. Аналогията с ябълка и стена е разбира се много приблизителна, но очевидна. Тунелният ефект позволява на фотоните да проникнат в светлоотразителната среда, а електроните могат да „игнорират“ тънкия филм от алуминиев оксид, който покрива проводниците и играе ролята на изолатор.

Нашата ежедневна логика и законите на класическата физика не са много приложими за квантовите парадокси, но те все още работят и са широко използвани в технологиите. Ефектът на тунелиране е в основата на работата на някои съвременни микрорешетки под формата на тунелни диоди и транзистори, тунелни кръстовища и т.н. Разбира се, не трябва да забравяме за сканиране на тунелните микроскопи, в които тунелирането на частици осигурява наблюдение на отделни молекули и атоми и дори манипулация с тях.

Комуникация, телепортация и сателит

Всъщност нека си представим, че „квантово объркахме“ две ябълки. Ако първата ябълка се окаже червена, втората задължително е зелена и обратното. Можем да изпратим такава ябълка от София до Пекин например, запазвайки обърканото им състояние. Само когато в София едната ябълка бъде измерена като червена, вторият ще стане задължително зелена в Пекин. До момента на измерване нямаме възможност да предвидим състоянието на ябълката, защото (всички те са едни и същи парадокси!) те нямат най-точното състояние. Каква е ползата от това объркване? ..

Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

Използвайки „слаби квантови измервания“, можем да погледнем ябълката в средата на окото, опитвайки се да познаете нейния цвят. Можете да правите това отново и отново, без всъщност да погледнете ябълката правилно, но съвсем уверено да решите, че тя например е червена, което означава, че ябълката объркана с нея в Пекин, ще бъде зелена. Това ви позволява да използвате заплетените частици отново и отново, а методите предложени преди около 10 години ви позволяват да ги съхранявате като бягате наоколо за неопределено дълго време.

Честно казано, човек получава усещането, че ползите от заплетените частици са много по-големи, отколкото обикновено се смята. Нашата слаба фантазия е ограничена от същия макроскопичен мащаб на реалността, като не ни позволява да излезем с реални приложения. Въпреки това, вече съществуващите предложения са доста фантастични. Така, че въз основа на заплетените частици е възможно да се организира канал за квантова телепортация. Тоест пълното „четене“ на квантовото състояние на един обект и „записването“ на друг обект. Това прави първите обекти да се прехвърлят на съответното разстояние. Перспективите на квантовата криптография са по-реалистични. Тогава на сцената излиза китайският експеримент QESS (квантови експерименти в космическа скала – „квантови експерименти на космическата скала“).

Компютри и сателити

Проблемът е, че на Земята е трудно да се създаде надеждна връзка за заплетени частици разположени на голямо разстояние. Дори и в най-модерното оптично влакно, чрез което се предават фотоните, сигналът постепенно затихва, а изискванията към него са особено високи. Китайските учени дори изчислили, че ако създадете сложни фотони и ги изпратите в двете посоки с рамене на около 600 км – половината разстояние от центъра за квантово наука в Далингхе до центровете в Шенжен и Лицзян тогава можете да очаквате да хванете заплетена двойка на около 30 хиляда години.

Кралицата на парадокса - Квантовото заплитане
Кралицата на парадокса – Квантовото заплитане

На космическата орбита е инсталиран източник (лазер и нелинеен кристал), като всяка секунда произвежда няколко милиона двойки заплетени фотони. От разстояние от 500 до 1700 км, някои от тези фотони са изпратени в наземната обсерватория в Делинг в Тибет, а вторият – в Шенжен и Лицзян в Южен Китай. Както може да се очаква, основните загуби на частици са настъпили в долната атмосфера, но това е само на около 10 км от пътя на всеки фотонен лъч.

В близко бъдеще китайците планирали да изстрелят по-модерни спътници, които да организират такива канали и обещават, че скоро ще видим настоящата квантова връзка между Пекин и Брюксел, всъщност от единия край на света до другия. Друг „невъзможен“ парадокс на квантовата механика обещава още един скок в технологиите.

Просвещението ©

Внимание! Всяко пълно или частично копиране на материали на Просвещението без писмено разрешение и директен линк към оригиналната публикация на Просвещението, включително от други електронни ресурси, ще се смята за грубо нарушение на Закона за защита на интелектуалната собственост на Република България. Просвещението си запазва правото да реагира на подобни нарушения включително по съдебен ред.

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Next Post

Свещеното значение на Пирамидата

Влезте във всеки магазин за кристали и най-вероятно ще видите пирамидални форми на върха на кристалните клъстери, оргонови пирамиди или дори кристали, оформени във формата на пирамида. Това не е само, защото пирамидите са с доста дълбока символика, която се връща векове назад, чак до времената на древните египтяни и […]
Свещеното значение на Пирамидата
error: Съдържанието е защитено!!!