Китайские учёные измерили скорость квантовой связи между сцепленными частицами
13 марта 2013 года
<dynamicpagelist> category = Опубликовано category = Физика count = 3 orcer = addcategory suppresserrors = true namespace = Main addfirstcategorydate = true </dynamicpagelist>
<dynamicpagelist> category = Опубликовано category = Наука count = 5 notcategory = Физика orcer = addcategory suppresserrors = true namespace = Main </dynamicpagelist>
Китайские учёные установили, что взаимодействие между двумя квантово-сцепленными элементарными частицами при изменении состояния одной из них распространяется со скоростью, как минимум на четыре порядка превышающую скорость света в вакууме.
Квантовая сцепленность — одно из наиболее загадочных явлений, с которым сталкиваются те, кто изучает законы микромира. Оно настолько необычно, что даже Эйнштейн не верил в его существование и в одном из писем, адресованных датскому физику Максу Борну, назвал связь, существующую между сцепленными частицами, «жутким действием на расстоянии» (нем. spukhafte Fernwirkung).
Как известно, ни один объект во Вселенной не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, никакая информация не может быть передана с такой скоростью. Этот экспериментальный факт лежит в основе созданной в том числе усилиями Эйнштейна Специальной теории относительности и не подлежит сомнению.
Однако в мире атомов всё оказалось несколько сложнее. Кажущееся противоречие между постулатами квантовой механики, созданной для их описания, и теорией относительности особо ярко проявляется в виде так называемого парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Этот мысленный парадокс, сформулированный ещё в 1935 году, выдвигался как аргумент против полноты постулатов квантовой механики.
ЭПР-парадокс имеет дело с двумя частицами, например, фотонами, находящимися в так называемом квантово-сцепленном состоянии. Такое состояние можно получить, например, путём одновременного испускания источником двух фотонов с противоположными поляризациями — правой и левой. Дело в том, что в этом случае два фотона являются совершенно идентичными, неся в себя одновременно и правую, и левую поляризации, и только в момент измерения фотоны получают вполне определённую поляризацию — и всегда противоположную друг другу. То есть если вы измерили поляризацию одного из двух связанных фотонов, и она оказалась правой, то у другого при измерении наверняка будет левой. При этом невозможно заранее предсказать, какая поляризация будет у какого фотона.
Суть парадокса заключается в том, что если эти два фотона направить по двум различным каналам и разнести в пространстве на большое расстояние, то при измерении поляризации одного из фотонов, информация о факте измерения до другого фотона не может дойти мгновенно, поскольку это противоречило бы, как полагал Эйнштейн, невозможности превысить скорость света. Квантовая механика же утверждает, что состояние второго фотона должно в этом случае измениться мгновенно, иначе возможна ситуация, когда оба фотона после измерения окажутся с одинаковой поляризацией.
Спор вокруг ЭПР-парадокса длился много лет, и до сих пор иногда возобновляется, однако было найдено его решение. Дело в том, что хотя состояние второго фотона и меняется мгновенно, никакой информации таким образом передать невозможно. Процесс измерения поляризации совершенно случаен и закодировать с его помощью послание невозможно. Таким образом, формально такое дальнодействие не нарушает принципов теории относительности.
Однако вопрос о фактической скорости распространения информации об изменении состояния от одной сцепленной частицы до другой оставался. Экспериментально определить эту скорость не так-то просто. Помимо того, что необходимо создать сцепленную пару фотонов, их ещё необходимо разнести на достаточно большое расстояние, не разрушив эту сцепленность, а также провести синхронизацию двух процессов измерения с высочайшей точностью.
Эта задача и была решена учёными из Китайского университета науки и технологий. Им удалось разнести фотоны на расстояние около 15 км и измерить их одновременно с задержкой не более 100 наносекунд (в 1 секунде миллиард наносекунд). Никаких отклонений от законов квантовой механики при этом выявлено не было, и таким образом они показали, что скорость распространения информации об изменении состояния частиц, как минимум, на четыре порядка — то есть в 10 000 раз — выше скорости света.
Это, кстати, не первое достижение этой группы учёных. Меньше года назад ими же был установлен новый рекорд по дальности разнесения сцепленных фотонов — более 100 км.
Эксперименты со сцепленными фотонами в последние годы представляют повышенный интерес не только по причине загадочности самого явления, но и потому, что обещают стать основой для создания каналов связи с повышенной защитой от перехвата. Поскольку процесс измерения поляризации фотонов совершенно случаен, то даже если такие фотоны будут перехвачены, злоумышленнику не удастся извлечь из них какие-либо полезные сведения. Кроме того, проводя специальные измерения, приёмник и передатчик могут определить, перехватывал ли кто-нибудь посланные фотоны или нет.
Источники
править- Juan Yin et al. Bounding the speed of `spooky action at a distance' // arXiv. — 2013.
- The Physics arXiv Blog «Chinese Physicists Measure Speed of “Spooky Action At a Distance”». MIT Techology Review, 7 марта 2013.
- Artem Korzhimanov ««Жуткое действие на расстоянии» распространяется со скоростью на четыре порядка выше скорости света». flerant.blogspot.ru, 12 марта 2013.