Результаты являются одними из самых убедительных доказательств «жутких действий на расстоянии».rnrn
Результаты являются одними из самых убедительных доказательств «жутких действий на расстоянии»
Дженнифер Чу | Офис новостей Массачусетского технологического института
19 августа 2018 г.
В прошлом году физики из Массачусетского технологического института, Венского университета и других организаций убедительно поддержали квантовую запутанность, кажущуюся далекой идею о том, что две частицы, независимо от того, насколько они удалены друг от друга в пространстве и времени,, могут быть неразрывно связаны таким образом, что это противоречит правилам классической физики.
Возьмем, к примеру, две частицы, находящиеся на противоположных краях Вселенной. Если они действительно запутаны, то, согласно теории квантовой механики, их физические свойства должны быть связаны таким образом, что любое измерение, сделанное на одной частице, должно мгновенно передавать информацию о любом будущем результате измерения другой частицы - корреляции, которые Эйнштейн видел скептически. как «жуткое действие на расстоянии».
В 1960-х годах физик Джон Белл вычислил теоретический предел, за которым такие корреляции должны иметь квантовое, а не классическое объяснение.
Но что, если такие корреляции были результатом не квантовой запутанности, а какого-то другого скрытого классического объяснения? Такие «что, если» известны физикам как лазейки в проверках неравенства Белла, самой упрямой из которых является лазейка «свободы выбора»: возможность того, что какая-то скрытая классическая переменная может повлиять на измерение, которое выбирает экспериментатор. работать с запутанной частицей, заставляя результат выглядеть квантово коррелированным, хотя на самом деле это не так.
В феврале прошлого года команда Массачусетского технологического института и их коллеги существенно ограничили лазейку свободы выбора, используя свет 600-летней звезды, чтобы решить, какие свойства двух запутанных фотонов следует измерить. Их эксперимент доказал, что если наблюдаемые ими корреляции вызваны классическим механизмом, то он должен был быть приведен в действие более 600 лет назад, до того, как свет звезды впервые испустился, и задолго до того, как был задуман настоящий эксперимент.
Теперь, в статье, опубликованной сегодня в Physical Review Letters, та же команда значительно расширила доводы в пользу квантовой запутанности и еще больше ограничила варианты лазейки свободы выбора. Исследователи использовали далекие квазары, один из которых излучал свой свет 7,8 миллиарда лет назад, а другой - 12,2 миллиарда лет назад, чтобы определить измерения, которые необходимо провести для пар запутанных фотонов. Они обнаружили корреляции между более чем 30 000 пар фотонов, причем степень их значительно превышает предел, первоначально рассчитанный Беллом для классического механизма.
«Если происходит какой-то заговор для моделирования квантовой механики с помощью механизма, который на самом деле является классическим, этот механизм должен был бы начать свою работу - каким-то образом точно зная, когда, где и как этот эксперимент будет быть сделано - по крайней мере 7,8 миллиарда лет назад. Это кажется невероятно неправдоподобным, поэтому у нас есть очень убедительные доказательства того, что квантовая механика является правильным объяснением», - говорит соавтор Алан Гут, профессор физики Виктора Ф. Вайскопфа в Массачусетском технологическом институте.
«Земле около 4,5 миллиардов лет, поэтому любой альтернативный механизм - отличный от квантовой механики - который мог бы дать наши результаты, используя эту лазейку, должен был бы быть на месте задолго до того, как даже была планетой Земля, не говоря уже о Массачусетском технологическом институте», - добавляет Дэвид Кайзер, профессор Гермесхаузена по истории науки и профессор физики Массачусетского технологического института. «Поэтому мы отодвинули любые альтернативные объяснения назад, к очень раннему периоду космической истории.”
Соавторы Гута и Кайзера включают Антона Цайлингера и членов его группы из Австрийской академии наук и Венского университета, а также физиков из колледжа Харви Мадда и Калифорнийского университета в Сан-Диего..
Решение, принятое миллиарды лет назад
В 2014 году Кайзер и два члена нынешней команды, Джейсон Галличчио и Эндрю Фридман, предложили эксперимент по созданию запутанных фотонов на Земле - процесс, который является довольно стандартным в исследованиях квантовой механики. Они планировали снимать каждого члена запутанной пары в противоположных направлениях, к детекторам света, которые также будут измерять каждый фотон с помощью поляризатора. Исследователи будут измерять поляризацию или ориентацию электрического поля каждого входящего фотона, устанавливая поляризатор под разными углами и наблюдая, проходят ли фотоны - результат для каждого фотона, который исследователи могут сравнить, чтобы определить, демонстрируют ли частицы предсказанные отличительные корреляции. по квантовой механике.
Впечатление художника показывает материал, выброшенный из области вокруг сверхмассивной черной дыры в квазаре SDSS J1106+1939. Изображение предоставлено: ESO/L. Кальсада через Википедию.
Команда добавила к предложенному эксперименту уникальный шаг, заключавшийся в использовании света от древних, далеких астрономических источников, таких как звезды и квазары, для определения угла, под которым нужно установить каждый соответствующий поляризатор. Поскольку каждый запутанный фотон летел, направляясь к своему детектору со скоростью света, исследователи использовали телескоп, расположенный в каждом месте детектора, для измерения длины волны входящего света квазара. Если бы этот свет был краснее некоторой эталонной длины волны, поляризатор наклонялся бы под определенным углом, чтобы выполнить конкретное измерение входящего запутанного фотона - выбор измерения, который определялся квазаром. Если бы свет квазара был голубее, чем эталонная длина волны, поляризатор наклонился бы под другим углом, выполняя другое измерение запутанного фотона.
В своем предыдущем эксперименте команда использовала небольшие телескопы на заднем дворе, чтобы измерить свет от звезд на расстоянии 600 световых лет. В своем новом исследовании исследователи использовали гораздо более крупные и мощные телескопы, чтобы улавливать входящий свет от еще более древних, далеких астрофизических источников: квазаров, свет которых движется к Земле не менее 7,8 миллиардов лет - объектов, которые находятся невероятно далеко. и при этом настолько светящиеся, что их свет можно наблюдать с Земли.
Трудный тайминг
11 января 2018 года «часы едва пробили полночь по местному времени», как вспоминает Кайзер, когда около дюжины членов команды собрались на вершине горы на Канарских островах и начали собирать данные двух больших 4-метровых телескопов: телескопа Уильяма Гершеля и Национального телескопа Галилео, расположенных на одной горе и разделенных примерно километром.
Один телескоп сфокусировался на определенном квазаре, а другой телескоп смотрел на другой квазар в другом участке ночного неба. Тем временем исследователи на станции, расположенной между двумя телескопами, создали пары запутанных фотонов и направили частицы каждой пары в противоположных направлениях к каждому телескопу.
За доли секунды до того, как каждый запутанный фотон достиг своего детектора, приборы определяли, какой фотон, прибывающий от квазара, был более красным или синим, и это измерение автоматически регулировало угол поляризатора. который в конечном итоге получил и обнаружил входящий запутанный фотон.
«Время очень сложное», - говорит Кайзер. «Все должно происходить в очень узких окнах, обновляясь каждую микросекунду или около того».
Демистификация миража
Исследователи провели свой эксперимент дважды, каждый примерно по 15 минут и с двумя разными парами квазаров. Для каждого запуска они измеряли 17 663 и 12 420 пар запутанных фотонов соответственно. В течение нескольких часов после закрытия куполов телескопа и просмотра предварительных данных команда смогла сказать, что между парами фотонов существует сильная корреляция, выходящая за пределы, рассчитанные Беллом, что указывает на то, что фотоны коррелированы квантово-механическим образом.
Гут провел более подробный анализ, чтобы рассчитать вероятность, пусть даже малую, того, что классический механизм мог привести к наблюдаемым корреляциям.
Он подсчитал, что для лучшего из двух прогонов вероятность того, что механизм, основанный на классической физике, мог бы достичь наблюдаемой корреляции, составляла примерно 10 в минус 20, то есть примерно одна часть в сто миллиардов миллиардов - «невероятно мало», - говорит Гут. Для сравнения, исследователи подсчитали, что вероятность того, что открытие бозона Хиггса было всего лишь случайностью, составляет примерно один случай на миллиард.
«Мы определенно сделали невероятно неправдоподобным то, что локальная реалистическая теория может лежать в основе физики Вселенной», - говорит Гут.
И тем не менее, есть еще небольшая лазейка для свободы выбора. Чтобы ограничить это еще больше, команда развлекается идеями заглянуть еще дальше во времени, чтобы использовать такие источники, как фотоны космического микроволнового фона, которые были испущены как остаточное излучение сразу после Большого взрыва, хотя такие эксперименты представили бы множество новых технических возможностей. проблемы.
«Забавно думать о новых типах экспериментов, которые мы можем разработать в будущем, но сейчас мы очень рады, что нам удалось так радикально устранить эту конкретную лазейку. Наш эксперимент с квазарами накладывает чрезвычайно жесткие ограничения на различные альтернативы квантовой механике. Какой бы странной ни казалась квантовая механика, она продолжает соответствовать каждому экспериментальному тесту, который мы можем разработать», - говорит Кайзер.
Это исследование было частично поддержано Австрийской академией наук, Австрийским научным фондом, Национальным научным фондом США и Министерством энергетики США.
Перепечатано с разрешения MIT News