Швейцарські фізики з Університету Женеви розробили просту схему спостереження квантового ефекту заплутаності неозброєним оком.

Ідею експерименту підказала опублікована в 2008 році робота італійських учених, що продемонстрували заплутаний стан одиничного фотона і «макроскопічного» поля, що містив близько 35 000 фотонів. «Я відразу подумав про те, що така кількість квантів світла людське око точно помітить», – говорить керівник швейцарської групи Ніколас Гізін (Nicolas Gisin).

Щоб зрозуміти суть цих дослідів, потрібно згадати деякі факти з історії квантової механіки.

Дослідження феномену заплутаності, що припускає можливість підготовки системи з двох рознесених в просторі частинок, в якій вимірювання, що проводяться над першою часткою, будуть надавати миттєве вплив на зчеплену з нею другу, ініціювали Ейнштейн і Шредінгер в 30-х роках минулого століття. Оскільки квантова теорія розвивалася досить своєрідно (спочатку був створений математичний апарат, а потім почали з'ясовувати його фізичний сенс), прийняту зараз копенгагенську інтерпретацію її математичної моделі, підкріплену дослідними даними, в той час визнавали далеко не всі. Власне кажучи, заплутані стану знадобилися Ейнштейну саме для того, щоб на їх прикладі показати неповноту опису світу квантовою механікою.

У знаменитій статті 1935 року, написаної Ейнштейном у співавторстві з Подільським та Розеном, був змальований уявний експеримент, згодом названий парадоксом ЕПР. Він, як думали автори, і демонстрував неповноту квантової механіки, яку Ейнштейн і його прихильники пропонували «розширити» шляхом введення якихось прихованих параметрів. Ці додаткові змінні повинні були усунути імовірнісний характер пророкувань квантової теорії: передбачалося, що приховані параметри визначають результат вимірювання, але отримати інформацію про них ми не можемо. Іншими словами, результат досвіду з квантовим об'єктом завжди задається класичним чином, а нам просто здається, що працює розподіл усіх квантовомеханічної опис.

Математично суворий відповідь на статтю Ейнштейна, Подільського і Розена дав приблизно через 30 років ірландський фізик Джон Стюарт Белл. Його умовиводи засновані на цілком природному припущенні про те, що значення прихованого параметра в двох частинках, які не взаємодіють і знаходяться далеко один від одного, незалежні. У роботі Белла була виведена теорема, суть якої в наступному: ніяка теорія локальних прихованих змінних не зможе відтворити всі прогнози квантової механіки.

Схема експерименту, в кітром перевіряється виконання нерівності Белла (ілюстрація зі статті Олександра Бєлінського «Квантова нелокальність і відсутність апріорних значень вимірюваних величин в експериментах з фотонами», опублікованій в журналі «Успіхи фізичних наук»).

Для перевірки теореми Белла можна поставити експеримент, спрощена схема якого показана на малюнку. Розташований ліворуч джерело світла одночасно випускає пари фотонів, один з яких іде до спостерігача А, а другий – до В. У кожного учасника досліду є детектор фотонів, який може працювати в двох режимах і видає бінарний результат вимірювання (або «+1», або «-1»). Якщо реєстрація фотона сталася в першому режимі, то результат «+1» спостерігач А повинен занести в протокол як А = +1, а другому режиму відповідає запис А "= +1; спостерігач В, що знаходиться за непроникною стіною, повинен діяти аналогічним чином.

Заповнені протоколи з проставленим часом реєстрації спостерігачі відсилають координатору. Він бере результати одночасних вимірювань і становить чотири можливих твори типу АB або АB '(вважається, що план експерименту узгоджено заздалегідь, і спостерігачі знають, коли їм потрібно переключати режими). На останньому етапі з усереднених творів – і трьох інших – конструюється так зване нерівність Белла:

| S | ≤ 2, де S = + + -.

Якщо допустити, що результат вимірювання кожного випадку випускання фотонної пари повністю зумовлений джерелом у момент випускання, а вимірювальні прилади і спостерігачі на джерело не впливають, то нерівність Белла обов'язково буде виконуватися. При деяких досяжних в експерименті умовах воно, проте, порушується, що і свідчить на користь заплутаних станів: фотони з пари поводяться не як незалежні об'єкти, а як коррелированная система, і результат реєстрації фотона в одного зі спостерігачів тут же стає «відомий» другий частинці.

Реальні досліди такого роду звичайно проводяться за схемою Клаузер – Хорна – Шимон – Хольта (КХШХ). Цікавить експериментаторів величиною тут стає поляризація фотонів А і В, яка оцінюється за допомогою двоканальних поляризаторів. На виході кожного каналу стоїть детектор, а два режими роботи відповідають різної орієнтації поляризаторів, тобто різним базисами вимірювань.

Схема обговорюваного досвіду (тут і далі ілюстрації авторів роботи).

Розроблений швейцарцями проект експериментальної установки дуже нагадує варіант КХШХ. Заплутані по поляризації пари 810-нанометрових фотонів автори отримували за методом спонтанного параметричного розсіяння з використанням нелінійного кристала бета-бората барію. Ете явище можна уявити собі як розпад фотонів когерентного лазерного випромінювання, що надходять у нелінійне середовище, на пари частинок, сумарні енергія і імпульс яких рівні енергії і імпульсу вихідного кванта світла (у нашому випадку – 405-нанометрового). Отриманий фотон А потрапляв на поляризатор, за яким стояли однофотонні детектори на лавинних фотодиодах.

Частина В дещо відрізнялася від стандартної схеми КХШХ, в якій кожен фотон з пари спочатку вимірюється в деякому базисі, і тільки після цього результат посилюється (електрично, в однофотонної детекторі), щоб експериментатор міг його зафіксувати. Фізики з Женеви інвертувати цю послідовність: фотон У спочатку прямував в «чорний ящик», а потім – на поляризатор і порогові детектори. Про внутрішній устрій «ящика» ми говорити поки не будемо, обмежившись зауваженням про те, що приходить квант він перетворює в імпульс, реалізуючи оптичне посилення. Граничний детектор спрацьовує тоді, коли падає на нього має інтенсивність вище заданої; якщо сигнал дає лише один детектор, подія вважається «підходящим», а при спрацьовуванні обох пристроїв або повній відсутності сигналу подія відкидається.

Встановивши вибраного порогове значення, фізики провели всі необхідні заміри і з'ясували, що нерівність не виконується. Отже, в експерименті спостерігалося квантове заплутування.

Легко зрозуміти, що методика практично не зміниться, якщо місце порогових детекторів займе людина. Ця модифікація досвіду виконувалася в затемненій кімнаті, а імпульси з поляризатора У виводилися на аркуш паперу. Спостерігач бачив два світлових плями і натискав кнопку, відповідну явно більш яскравого, якщо ж він не міг їх відрізнити, подія відкидалося.

За словами авторів, з розпізнаванням квантового заплутування людина справлявся більш ніж успішно.

Залишається з'ясувати, що ж з чим було заплутано. Відповідь, здавалося б, очевидний – одиночний фотон заплутаний з імпульсом на виході «чорного ящика», якщо не знати, що туди поклали, придумати інший варіант складно.

Тим не менше ця відповідь невірний. У «чорному ящику» перебували лінза, лінійний поляризатор, безперервно обертається за допомогою двигуна, і лазерний діод, з'єднаний з тим же двигуном і випускає імпульс, поляризація якого чітко пов'язана з положенням поляризатора. Перед діодом був встановлений однофотонний детектор, при спрацьовуванні якого і генерувався імпульс. Оскільки фотон до посилення реєструвався детектором, ні про яке квантовому заплутуванні говорити не доводиться.

Розрахунки підтвердили, що вивчення системи і тестування теореми Белла на її прикладі дозволяє помітити лише ознаки того, що два вихідних фотонв минулому перебували в заплутаному стані. Звичайно, такий варіант відрізняється від прямих спостережень заплутування, але можливість побачити неозброєним оком сліди цього квантового стану не менш цікава.

Основним науковим результатом роботи пан Гізін вважає доказ того, що схема з пороговими детекторами і відсіювання подій не підходить для реєстрації заплутування фотона і «макроскопічного» поля. Змінюючи порогове значення, тут можна добитися і виконання нерівності, і його порушення; в серйозному досвіді такого бути не повинно. Фабіо Скьярріно (Fabio Sciarrino), один з учасників згаданого на початку замітки дослідження 2008 року, згоден з колегою і повідомляє, що нова методика, в якій важливу роль буде грати лазер, вже розробляється. «На жаль, виконувати функції детектора в такому експерименті людина не зможе, тому що лазер залишить його без очей», – не без гумору зауважує пан Скьярріно.

Вплив встановленого порогу на результати досвіду. Коли значення параметра Белла перевищує 2, можна (помилково) вважати, що в досвіді спостерігалося заплутування фотона і «макроскопічного» поля. Поріг ставилося у вольтах, тобто в одиницях вихідного електричного сигналу детекторів секції В.

За матеріалами: Nature News

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?