Физики окончательно доказали существование "жуткого дальнодействия"

Человеческий опыт и познания в области классической физики заставляют большинство из нас полагать, что удалённые объекты не могут мгновенно повлиять друг на друга. Однако в квантовой механике такие взаимодействия допустимы. То, что одна квантовая частица теоретически может в одно мгновение изменить свойства другой частицы, расположенной на расстоянии нескольких световых лет, жутко раздражало Альберта Эйнштейна. Ведь это полностью противоречит нашим представлениям о мире и заставляет допускать, что какие-то неизвестные силы могут опережать скорость света. Но, похоже, новый эксперимент голландских физиков окончательно заставит учёных пересмотреть свои взгляды.

Поясним.

В квантовой механике объекты могут одновременно существовать в нескольких состояниях. Например, атом может в один и тот же момент времени находится в двух точках пространства или иметь два противоположных спина. При этом, согласно теории, свойства частиц фиксируются (приобретают единственное значение) только в тот момент, когда их пытаются измерить, а до этого существуют в неопределённой области вероятностей. Кроме того, свойства различных квантовых частиц могут быть «запутанными», то есть связанными между собой. Если в такой системе поменять состояние одного объекта, это автоматически приведёт к изменениям у всех его запутанных «близнецов», даже если они находятся очень далеко (и их очень много).

Эйнштейн не мог принять такое положение дел, так как это означало бы, что некий сигнал может двигаться быстрее скорости света. Великий физик назвал это явление «жутким дальнодействием» и, чтобы как-то объяснить его в рамках классической физики, предположил, что квантовые частицы обладают неизвестными науке собственными «скрытыми параметрами», которые наделяют их предустановленным алгоритмом изменения свойств. Пока такие частицы способны физически взаимодействовать друг с другом, измерение свойств одной из них вызывает заложенное сценарием соответствующее изменение у всех остальных.

В 1960 году ирландский физик Джон Белл (John Bell) показал, что

правота одной из двух теорий может быть установлена экспериментальным путём при статистическом измерении свойств запутанных частиц с помощью двух неравенств. Он рассчитал, что если свойства запутанных частиц предопределены «скрытыми параметрами» в момент их появления, сработает одно неравенство.

Рис. 1. Физик Джон Белл – автор теста, позволившего опровергнуть теорию Эйнштейна о скрытых параметрах квантовых частиц.

Если же состояния двух частиц по принципу «жуткого дальнодействия» определяются лишь в момент измерения одной из них, должно выполняться другое неравенство. С помощью формул Белл рассчитал, что вариант, предложенный Эйнштейном, может объяснять синхронное изменение свойств за счёт неизвестных характеристик самих объектов только до определённого предела, после преодоления которого, модель перестаёт действовать.

Впервые тест Белла был выполнен командой французских физиков в 1981 году и с тех пор неоднократно повторялся в разных научных центрах по всему миру. И несмотря на то, что все эксперименты доказывали наличие «жуткого дальнодействия», каждый раз оставались лазейки, которые не позволяли полностью списать со счетов теорию «скрытых параметров».

Так, если в качестве запутанных частиц использовались фотоны, то далеко не все из них удавалось обнаружить (подчас почти 80% из них), а значит, нельзя говорить наверняка, что измеренные свойства были такими же для всей выборки.

Это так называемая «лазейка детектирования».

Чтобы избежать этой неточности в отдельных экспериментах задействовали целые атомы, так как они больше и их легче детектировать. Но их очень сложно удалить друг от друга на большое расстояние, не разрушив запутанность. В этом случае возникает другая проблема: если запутанные атомы расположены близко друг к другу, то измерение состояния одного атома, вызывающее изменение свойств другого, может и не нарушать ограничение, наложенное скоростью света (это «лазейка коммуникации»).

В новом исследовании Рональд Хэнсон (Ronald Hanson) из Делфтского технологического университета и его коллеги использовали необычный метод, который позволили решить как проблему недостаточности измерений, так и проблему коммуникации (то есть прикрыть обе «лазейки»).

Учёные взяли два незапутанных электрона, заключённых в алмазы и хранящихся в разных лабораториях на расстоянии 1,3 километра друг от друга.

Рис. 2. A и B – точки, где располагались алмазы с электронами, С – точка, где запутывались фотоны между собой.

При этом физики могли постоянно наблюдать их спин с помощью детекторов. Затем каждый электрон запутали с фотоном света. Два полученных фотона помещали рядом в третьем отдельном помещении, где пара запутывалась между собой. В результате этого процесса исходные электроны также оказывались запутанными друг с другом и практически на глазах исследователей синхронизировали свой спин.

Таким образом, обе лазейки предыдущих работ оказались закрытыми: электроны было легко наблюдать, а нестандартный подход позволил разнести частицы на достаточно большое расстояние, чтобы исключить возможность их физического взаимодействия.

Каждое изменение спина продолжалось 3,7 микросекунды, в то время как свет преодолевал путь от одного электрона до другого за 4,27 микросекунды.

Успех сопутствовал учёным не всегда, но всё же за девять дней эксперимента им удалось получить 245 запутанных пар электронов.

Учёные надеются, что

в будущих работах они найдут способ чаще получать запутанные пары и повысят точность измерения.

Новое повторение теста Белла имеет большое значение для квантовой криптографии.

Уже сегодня на рынке предлагаются системы, использующие квантовую механику для шифрования данных. Такие устройства создают запутанные пары фотонов и посылают по одному фотону из каждой пары двум пользователям, которые составляют из них ключ. Если кто-то попытается перехватить этот шифр, он нарушит всю квантовую систему и сразу вызовет появление сигнала тревоги.

Проблема в том, что предыдущие эксперименты оставляли вероятность того, что, если свойства запутанных объектов всё-таки изначально заложены в их природу, недобросовестные компании могут продавать устройства, с помощью которых сами смогут получать дубликат шифра и шпионить за пользователями. Теперь работа Хэнсона и его коллег показывает, что подобные системы обеспечивают абсолютно надёжное хранение информации.