Реферат
Зміст
1. Квантова заплутаність-королева парадоксів 2. Бор, Ейнштейн та інші 3. Експерименти, інтерпретації, містика 4. Комунікація, телепортація та супутник 5. Комп'ютери та супутники Перелік посилань
Квантова заплутаність-королева парадоксів
Не так давно фізики показали перші результати роботи місії QUESS і запущеного в її рамках на орбіту супутника Mozi, забезпечивши рекордний поділ квантово заплутаних фотонів відстанню більше 1200 км.у майбутньому це може привести до створення квантової лінії зв'язку між Пекіном і Європою.
З точки зору науки
Бор, Ейнштейн та інші
Світ навколо локальний-інакше кажучи, для того щоб якийсь далекий об'єкт змінився, він повинен провзаємодействовать з іншим об'єктом[2]. При цьому ніяке взаємодія не може поширюватися зі швидкістю швидше світловий: це і робить фізичну реальність локальної. Яблуко не може ляпнути Ньютона по голові, не діставшись до неї фізично. Спалах на сонці не може миттєво позначитися на роботі супутників: зарядженим частинкам доведеться подолати відстань до землі і провзаємодействовать з електронікою і частинками атмосфери. Але ось в квантовому світі локальність порушується.
Найзнаменитішим з парадоксів світу елементарних частинок можна назвати принцип невизначеності Гейзенберга, згідно з яким неможливо точно визначити величину обох «парних» характеристик квантової системи. Положення в просторі (координата) або швидкість і напрямок руху (імпульс), струм або напруга, величина електричної або магнітної компоненти поля – все це «взаємодоповнюючі» параметри, і чим точніше ми виміряємо один з них, тим менш певним стане другий[1].
Колись саме принцип невизначеності викликав нерозуміння Ейнштейна і його знамените скептичне заперечення «Бог не грає в кості». Однак, схоже, грає: всі відомі експерименти, непрямі і прямі спостереження і розрахунки вказують, що принцип невизначеності є наслідком фундаментальної недетерменированности нашого світу. І знову ми приходимо до непоєднанню масштабів і рівнів реальності: там, де існуємо ми, все цілком виразно: якщо розтиснути пальці і відпустити яблуко, воно впаде, притягнуте гравітацією Землі. Але на рівні більш глибинному причин і наслідків просто немає, а існує лише танець ймовірностей.
Парадоксальність квантово заплутаного стану частинок в тому і полягає, що «удар по голові» може статися рівно одночасно з відривом яблука від гілки. Заплутаність нелокальна, і зміна об'єкта в одному місці миттєво – і без будь – якої очевидної взаємодії-змінює інший об'єкт зовсім в іншому[8]. Теоретично ми можемо віднести одну із заплутаних частинок хоч на інший кінець Всесвіту, але все одно варто нам «торкнутися» її партнера, що залишився на землі, і друга частка відгукнеться моментально. Самому Ейнштейну повірити в це було непросто, і суперечка його з Нільсом Бором і колегами з «табору» квантової механіки став одним з найбільш захоплюючих сюжетів в сучасній історії науки. "Реальність визначена, – як би говорили Ейнштейн і його прихильники, - недосконалі лише наші моделі, рівняння і інструменти». "Моделі можуть бути якими завгодно, але сама реальність в основі нашого світу ніколи не визначена до кінця», – заперечували адепти квантової механіки.
Мабуть, перший привид квантово-механічних парадоксів спостерігав ще Генріх Герц, який помітив, що якщо електроди розрядника висвітлити ультрафіолетом, то проходження іскри помітно полегшується. Експерименти Столєтова, Томсона та інших великих фізиків дозволили зрозуміти, що відбувається це завдяки тому, що під дією випромінювання речовина випускає електрони. Однак відбувається це зовсім не так, як підказує логіка; наприклад, енергія вивільнених електронів не буде вище, якщо ми збільшимо інтенсивність випромінювання, зате зросте, якщо ми зменшимо його частоту. Збільшуючи ж цю частоту, ми прийдемо до кордону, за якою ніякого фотоефекту речовина не проявляє – цей рівень у різних речовин різний.
Пояснити ці феномени вдалося Ейнштейну, за що він і був удостоєний Нобелівської премії. Пов'язані вони з квантуванням енергії – з тим, що вона може передаватися лише певними «мікропорціями», квантами. Кожен фотон випромінювання несе певну енергію, і якщо її достатньо, то електрон поглинув його атома вилетить на свободу[6]. Енергія фотонів обернено пропорційна довжині хвилі, і при досягненні межі фотоефекту її вже недостатньо навіть для повідомлення електрону мінімально потрібної для виходу енергії. Сьогодні це явище зустрічається нам повсюдно-у вигляді сонячних батарей, фотоелементи яких працюють саме на основі цього ефекту.
Експерименти, інтерпретації, містика
У середині 1960-х Джон Белл зацікавився проблемою нелокальності в квантовій механіці. Йому вдалося запропонувати математичну основу для цілком здійсненного експерименту, який повинен закінчуватися одним з альтернативних результатів. Перший підсумок "спрацьовував", якщо принцип локальності дійсно порушується, другий – якщо все-таки він діє завжди і нам доведеться шукати якусь іншу теорію для опису світу частинок[3]. Вже на початку 1970-х такі експерименти були поставлені Стюартом Фрідманом і Джоном Клаузером, а потім – Аленом Аспеном. Спрощено кажучи, завдання полягало в створенні ПАР сплутаних фотонів і вимірюванні їх спинив, одного за іншим. Статистичні спостереження показали, що спини виявляються не вільними, а скоррельованими один з одним. Такі досліди проводяться з тих пір майже безперервно, все більш точні і досконалі – і результат один і той же.
Варто додати, що механізм, що пояснює квантову заплутаність, неясний досі, існує лише явище – і різні інтерпретації дають свої пояснення. Так, у багатосвітовій інтерпретації квантової механіки заплутані частинки – це лише проекції можливих станів однієї-єдиної частинки в інших паралельних всесвітах. У транзакційній інтерпретації ці частинки пов'язують стоячі хвилі часу. Для» квантових містиків " феномен заплутаності-ще один привід розглядати парадоксальний базис світу як спосіб пояснення всьому незрозумілому, від самих елементарних частинок до людської свідомості. Містиків можна зрозуміти: якщо вдуматися, то від наслідків паморочиться голова.
Простий досвід Клаузера-Фрідмана вказує на те, що локальність фізичного світу в масштабі елементарних частинок може порушуватися, і сама основа реальності виявляється – до жаху Ейнштейна – розпливчастою і невизначеною. Це не означає, що взаємодія або інформація можуть передаватися миттєво, за рахунок заплутаності[5]. Рознесення заплутаних частинок в просторі йде зі звичайною швидкістю, результати вимірювання випадкові, і поки ми не виміряємо одну частинку, друга не буде містити ніякої інформації про майбутній результат. З точки зору одержувача другої частинки, результат абсолютно випадковий. Чому ж все це нас цікавить?
Як заплутати частинки: візьміть кристал з нелінійними оптичними властивостями – тобто такий, взаємодія світла з яким залежить від інтенсивності цього світла. Наприклад, триборат літію, бета-борат барію, ніобат калію. Опромінюйте його лазером відповідної довжини хвилі-і високоенергетичні фотони лазерного випромінювання іноді розпадаються на пари заплутаних фотонів меншої енергії (це явище називається «спонтанним параметричним розсіюванням») і поляризовані в перпендикулярних площинах[7]. Залишається утримати заплутані частинки в цілості і рознести якнайдалі один від одного.
Здається, розмовляючи про принцип невизначеності, ми скинули яблуко? Підніміть його і киньте об стіну – зрозуміло, воно розіб'ється, адже в макросвіті не працює ще один квантово-механічний парадокс – тунелювання. При тунелюванні частинка здатна долати енергетичний бар'єр вищий, ніж її власна енергія. Аналогія з яблуком і стіною, звичайно, дуже приблизна, зате наочна: тунельний ефект дозволяє фотонам проникати всередину відбиває середовища, а електронам – «не помічати» тонкої плівки оксиду алюмінію, яка покриває дроти і взагалі-то є діелектриком.
Наша побутова логіка і закони класичної фізики до квантових парадоксів не дуже-то прикладні, але вони все одно працюють і широко застосовуються в техніці. Фізики ніби (тимчасово) вирішили: нехай ми поки не знаємо до кінця, як це працює, але користь з цього можна отримати вже сьогодні. Тунельний ефект лежить в основі роботи деяких сучасних мікрочіпів – у вигляді тунельних діодів і транзисторів, тунельних переходів і т.д. і, звичайно, не можна забувати про скануючих тунельних мікроскопах, в яких тунелювання частинок забезпечує спостереження за окремими молекулами і атомами – і навіть маніпуляцію ними.
Комунікація, телепортація та супутник
Справді, давайте уявимо, що ми» квантово заплутали " два яблука: якщо перше яблуко виявиться Червоним, то друге обов'язково зеленим, і навпаки. Ми можемо відправити одне з Петербурга в Москву, зберігши їх сплутаний стан, але це, здавалося б, все. Тільки коли в Петербурзі яблуко буде виміряно як червоне, друге стане зеленим в Москві. До моменту вимірювання можливості передбачити стан яблука немає, тому що (все ті ж парадокси!) самого певного стану вони не мають. Який же в цьому заплутуванні толк?.. А толк знайшовся вже в 2000 х, коли Ендрю Джордан і Олександр Коротков, спираючись на ідеї радянських фізиків, знайшли спосіб як би «не до кінця» вимірювати, а значить, і фіксувати стану частинок.
Використовуючи "слабкі квантові вимірювання", можна як би поглянути на яблуко впівглаза, мигцем, намагаючись вгадати його колір. Можна проробляти таке знову і знову, фактично не подивившись на яблуко як слід, але цілком впевнено визначитися з тим, що воно, наприклад, червоне, а значить, сплутане з ним яблуко в Москві буде зеленим. Це дозволяє використовувати сплутані частинки знову і знову, а запропоновані близько 10 років тому методи дозволяють зберігати їх, запустивши бігати по колу невизначено довгий час. Залишається забрати одну з частинок подалі-і отримати виключно корисну систему.
Відверто кажучи, створюється відчуття, що користі в заплутаних частинках куди більше, ніж прийнято думати, просто наша мізерна фантазія, скута все тим же макроскопічним масштабом реальності, не дозволяє придумати їм справжні застосування. Втім, і вже існуючі пропозиції цілком фантастичні. Так, на основі сплутаних частинок можна організувати канал для квантової телепортації, повного «зчитування» квантового стану одного об'єкта і «запису» його в інший, як якщо б перший просто перенісся на відповідну відстань. Більш реалістичні перспективи квантової криптографії, алгоритми якої обіцяють майже «невзламиваемие» канали зв'язку: будь-яке втручання в їх роботу позначиться на стані заплутаних частинок і буде тут же помічено власником. Тут – то на сцену і виходить Китайський експеримент QESS (Quantum Experiments at Space Scale - «квантові експерименти в космічному масштабі»)[9].
Комп'ютери та супутники
Проблема в тому, що на землі важко створити надійний зв'язок для рознесених на велику відстань заплутаних частинок. Навіть в найдосконалішому оптоволокні, по якому йде передача фотонів, сигнал поступово загасає, а вимоги до нього тут особливо високі. Китайські вчені навіть підрахували, що якщо створювати заплутані фотони і розсилати їх в дві сторони з плечима довжиною близько 600 км – по половині відстані від центру квантової науки в Делінхе до центрів в Шеньчжені і Ліцзяні, – то можна розраховувати зловити по сплутаній парі приблизно за 30 тис.років. Інша справа космос, в глибокому вакуумі якого фотони пролітають таку відстань, не зустрічаючи будь-яких перешкод. І тут на сцену виходить експериментальний супутник Mozi (»Мо-цзи")[10].
На космічному орбітальному апараті встановили джерело (лазер і нелінійний кристал), щосекунди видавав кілька мільйонів пар заплутаних фотонів. З дистанції від 500 до 1700 км одні ці фотони прямували в наземну обсерваторію в Делінхе на Тибеті, а другі – в Шеньчжені і Ліцзяні на півдні Китаю. Як і можна було очікувати, основні втрати частинок відбувалися в нижніх шарах атмосфери, однак це лише близько 10 км шляху кожного пучка фотонів. В результаті ж канал заплутаних частинок покрив відстань від Тибету до півдня країни – близько 1200 км, а в листопаді цього року була відкрита нова лінія, яка з'єднує провінцію Аньхой на сході з центральною провінцією Хубей. Поки що каналу не вистачає надійності, але це вже справа техніки.
Найближчим часом китайці планують запуск більш досконалих супутників для організації таких каналів і обіцяють, що вже скоро ми побачимо діючу квантову зв'язок між Пекіном і Брюсселем, фактично з одного кінця континенту до іншого. Черговий» Неможливий " парадокс квантової механіки обіцяє черговий стрибок у технологіях.
Перелiк джерел
1. Квантова заплутаність простими словами [Електронний ресурс]
2. Просто про квантове заплутування [Електронний ресурс]
3. Отримання заплутаних квантових станів [Електронний ресурс]
4. Квантова механіка. Теоретичний мінімум. Леонард Сасскінд, Арт Фрідман [Електронний ресурс]
5. Популярно про нанотехнології [Електронний ресурс]
6. Багатство наносвіту фоторепортаж з глибин речовин [Електронний ресурс]
7. Медичний наноробот загального застосування [Електронний ресурс]
8. «Нанотехнології-технології майбутнього» [Електронний ресурс]
9. Світ матеріалів і технологій 4-е видання Ф. Оуенс [Електронний ресурс]
10. Нанотехнології в електроніці вступ до спеціальності В. Лозовський, Г. Константинова, С. Позовський [Електронний ресурс]