Vor nicht allzu langer Zeit zeigten Physiker die ersten Ergebnisse der QUESS-Mission und des in seinem Rahmen in den Orbit gestarteten Mozi-Satelliten, der eine Rekordtrennung von quantenverschränkten Photonen in einer Entfernung von mehr als 1200 km ermöglichte. Dies könnte in Zukunft zur Schaffung einer Quantenkommunikationsleitung zwischen Peking und Europa führen.
Die Welt ist groß und vielfältig - so vielfältig, dass Gesetze auf einigen Ebenen erscheinen, die für andere völlig undenkbar sind. Die Gesetze von Politik und Beatlemania ergeben sich in keiner Weise aus der Struktur des Atoms - ihre Beschreibung erfordert ihre eigenen "Formeln" und ihre eigenen Prinzipien. Es ist schwer vorstellbar, dass ein Apfel - ein makroskopisches Objekt, dessen Verhalten normalerweise den Gesetzen der Newtonschen Mechanik folgt - genommen und verschwunden ist, mit einem anderen Apfel verschmolzen ist und sich in eine Ananas verwandelt hat. Und doch manifestieren sich genau solche paradoxen Phänomene auf der Ebene der Elementarteilchen. Nachdem wir erfahren haben, dass dieser Apfel rot ist, ist es unwahrscheinlich, dass wir einen anderen grün werden, der sich irgendwo im Orbit befindet. Genau so funktioniert das Phänomen der Quantenverschränkung, und genau das haben die chinesischen Physiker gezeigt, mit deren Arbeit wir unser Gespräch begonnen haben. Versuchen wir es herauszufindenWas ist das und wie kann es der Menschheit helfen?
Bohr, Einstein und andere
Die Welt ist lokal - mit anderen Worten, damit sich ein entferntes Objekt ändert, muss es mit einem anderen Objekt interagieren. Darüber hinaus kann sich keine Interaktion schneller ausbreiten als Licht: Dies macht die physische Realität lokal. Ein Apfel kann Newton nicht auf den Kopf schlagen, ohne ihn physisch zu erreichen. Eine Sonneneruption kann den Betrieb von Satelliten nicht sofort beeinträchtigen: Geladene Teilchen müssen die Entfernung zur Erde zurücklegen und mit Elektronik und atmosphärischen Teilchen interagieren. Aber in der Quantenwelt wird die Lokalität verletzt.
Das bekannteste Paradoxon der Welt der Elementarteilchen ist das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip, nach dem es unmöglich ist, den Wert beider "Paar" -Eigenschaften eines Quantensystems genau zu bestimmen. Position im Raum (Koordinate) oder Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (Impuls), Strom oder Spannung, Größe der elektrischen oder magnetischen Komponente des Feldes - all dies sind "komplementäre" Parameter, und je genauer wir einen von ihnen messen, desto weniger bestimmt wird der zweite.
Es war einmal das Ungewissheitsprinzip, das Einsteins Missverständnis und seinen berühmten skeptischen Einwand "Gott würfelt nicht" verursachte. Es scheint jedoch zu spielen: Alle bekannten Experimente, indirekten und direkten Beobachtungen und Berechnungen zeigen, dass das Prinzip der Unsicherheit eine Folge der fundamentalen Unbestimmtheit unserer Welt ist. Und wieder kommen wir zu einer Diskrepanz zwischen den Maßstäben und Ebenen der Realität: Wo wir existieren, ist alles ziemlich sicher: Wenn Sie Ihre Finger öffnen und den Apfel loslassen, wird er fallen, angezogen von der Schwerkraft der Erde. Aber auf einer tieferen Ebene gibt es einfach keine Ursachen und Wirkungen, sondern nur einen Tanz der Wahrscheinlichkeiten.
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Das Paradox des quantenverschränkten Zustands von Teilchen liegt in der Tatsache, dass der "Schlag auf den Kopf" genau gleichzeitig mit der Trennung des Apfels vom Zweig auftreten kann. Die Verschränkung ist nicht lokal, und das sofortige Ändern eines Objekts an einem Ort - und ohne offensichtliche Interaktion - ändert ein anderes Objekt vollständig an einem anderen. Theoretisch können wir eines der verwickelten Teilchen zumindest zum anderen Ende des Universums tragen, aber wenn wir seinen Partner "berühren", der auf der Erde geblieben ist, wird das zweite Teilchen sofort reagieren. Es war für Einstein nicht leicht, dies zu glauben, und seine Auseinandersetzung mit Niels Bohr und Kollegen aus dem "Lager" der Quantenmechanik wurde zu einem der faszinierendsten Themen in der modernen Wissenschaftsgeschichte. "Die Realität ist sicher", wie Einstein und seine Anhänger sagen würden, "nur unsere Modelle, Gleichungen und Werkzeuge sind unvollkommen." „Modelle können alles sein,Aber die Realität selbst an der Basis unserer Welt ist nie vollständig bestimmt worden “, widersprachen die Anhänger der Quantenmechanik.
Gegen seine Paradoxien formulierte Einstein 1935 zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen sein eigenes Paradoxon. „Okay“, argumentierten sie, „sagen wir, es ist unmöglich, gleichzeitig die Koordinate und den Impuls eines Teilchens herauszufinden. Was aber, wenn wir zwei Teilchen gemeinsamen Ursprungs haben, deren Zustände identisch sind? Dann können wir den Impuls des einen messen, der uns indirekt Informationen über den Impuls des anderen gibt, und die Koordinate des anderen, die die Koordinate des ersten kennt. Solche Teilchen waren eine rein spekulative Konstruktion, ein Gedankenexperiment - vielleicht gelang es Niels Bohr (oder besser gesagt seinen Anhängern) deshalb nur 30 Jahre später, eine anständige Antwort zu finden.
Vielleicht wurde das erste Gespenst quantenmechanischer Paradoxe von Heinrich Hertz beobachtet, der bemerkte, dass der Durchgang des Funkens merklich einfacher war, wenn die Funkenstreckenelektroden mit ultraviolettem Licht beleuchtet wurden. Die Experimente von Stoletov, Thomson und anderen großen Physikern haben es möglich gemacht zu verstehen, dass dies aufgrund der Tatsache geschieht, dass Materie unter dem Einfluss von Strahlung Elektronen emittiert. Dies unterscheidet sich jedoch völlig von dem, was die Logik vorschlägt. Zum Beispiel wird die Energie der freigesetzten Elektronen nicht höher sein, wenn wir die Strahlungsintensität erhöhen, sondern sie wird zunehmen, wenn wir ihre Frequenz verringern. Wenn wir diese Häufigkeit erhöhen, kommen wir an die Grenze, ab der der Stoff keinen Photoeffekt mehr aufweist - dieser Wert ist für verschiedene Stoffe unterschiedlich.
Einstein konnte diese Phänomene erklären, für die er den Nobelpreis erhielt. Sie sind mit der Quantisierung von Energie verbunden - mit der Tatsache, dass sie nur von bestimmten "Mikroteilen", Quanten, übertragen werden kann. Jedes Strahlungsphoton trägt eine bestimmte Energie, und wenn es ausreicht, fliegt das Elektron des Atoms, das es absorbiert hat, in die Freiheit. Die Energie der Photonen ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge, und wenn die Grenze des photoelektrischen Effekts erreicht ist, reicht es nicht mehr aus, dem Elektron die für die Freisetzung erforderliche Mindestenergie zu verleihen. Dieses Phänomen ist heute überall anzutreffen - in Form von Sonnenkollektoren, deren Fotozellen genau auf der Grundlage dieses Effekts arbeiten.
Experimente, Interpretationen, Mystik
Mitte der 1960er Jahre interessierte sich John Bell für das Problem der Nichtlokalität in der Quantenmechanik. Er konnte eine mathematische Grundlage für ein vollständig durchführbares Experiment bieten, das mit einem der alternativen Ergebnisse enden sollte. Das erste Ergebnis "funktionierte", wenn das Prinzip der Lokalität wirklich verletzt wird, das zweite - wenn es schließlich immer funktioniert und wir nach einer anderen Theorie suchen müssen, um die Welt der Teilchen zu beschreiben. Bereits in den frühen 1970er Jahren wurden solche Experimente von Stuart Friedman und John Clauser und dann von Alain Aspan durchgeführt. Einfach ausgedrückt bestand die Aufgabe darin, Paare verschränkter Photonen zu erzeugen und ihre Spins nacheinander zu messen. Statistische Beobachtungen haben gezeigt, dass die Spins nicht frei sind, sondern miteinander korrelieren. Solche Experimente wurden seitdem fast ununterbrochen durchgeführt,immer präziser und perfekter - und das Ergebnis ist das gleiche.
Es sollte hinzugefügt werden, dass der Mechanismus zur Erklärung der Quantenverschränkung noch unklar ist, es nur ein Phänomen gibt - und unterschiedliche Interpretationen ihre Erklärungen geben. In der Vielweltinterpretation der Quantenmechanik sind verschränkte Teilchen daher nur Projektionen der möglichen Zustände eines einzelnen Teilchens in anderen parallelen Universen. Bei der Transaktionsinterpretation sind diese Partikel durch stehende Zeitwellen verbunden. Für "Quantenmystiker" ist das Phänomen der Verschränkung ein weiterer Grund, die paradoxe Basis der Welt als einen Weg zu betrachten, alles Unverständliche zu erklären, von den Elementarteilchen selbst bis zum menschlichen Bewusstsein. Mystiker können verstehen: Wenn Sie darüber nachdenken, sind die Konsequenzen schwindlig.
Das einfache Experiment von Clauser-Friedman zeigt, dass die Lokalität der physikalischen Welt auf der Skala der Elementarteilchen verletzt werden kann und sich die Grundlage der Realität - zum Entsetzen von Einstein - als vage und unbestimmt herausstellt. Dies bedeutet nicht, dass Interaktionen oder Informationen auf Kosten der Verstrickung sofort übertragen werden können. Die Trennung von verschränkten Partikeln im Raum erfolgt mit normaler Geschwindigkeit, die Messergebnisse sind zufällig, und bis wir ein Partikel messen, enthält das zweite keine Informationen über das zukünftige Ergebnis. Aus Sicht des Empfängers des zweiten Partikels ist das Ergebnis völlig zufällig. Warum interessiert uns das alles?
So verwickeln Sie Partikel: Nehmen Sie einen Kristall mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, dh einen Kristall, dessen Wechselwirkung mit der Intensität dieses Lichts abhängt. Zum Beispiel Lithiumtriborat, Barium-Beta-Borat, Kaliumniobat. Bestrahlen Sie es mit einem Laser einer geeigneten Wellenlänge, und hochenergetische Photonen der Laserstrahlung zerfallen manchmal in Paare von verschränkten Photonen niedrigerer Energie (dieses Phänomen wird als "spontane parametrische Streuung" bezeichnet) und polarisieren in senkrechten Ebenen. Alles was bleibt ist, die verwickelten Partikel intakt zu halten und sie so weit wie möglich auseinander zu verteilen.
Es scheint, dass wir den Apfel fallen ließen, während wir über das Prinzip der Unsicherheit sprachen? Heben Sie es an und werfen Sie es gegen die Wand - natürlich wird es brechen, weil im Makrokosmos ein anderes quantenmechanisches Paradoxon - das Tunneln - nicht funktioniert. Während des Tunnelns kann ein Partikel eine Energiebarriere überwinden, die höher ist als seine eigene Energie. Die Analogie mit einem Apfel und einer Wand ist natürlich sehr ungefähr, aber illustrativ: Durch den Tunneleffekt können Photonen in das reflektierende Medium eindringen und Elektronen den dünnen Aluminiumoxidfilm "ignorieren", der die Drähte bedeckt und tatsächlich ein Dielektrikum ist.
Unsere alltägliche Logik und die Gesetze der klassischen Physik sind auf Quantenparadoxien nicht sehr anwendbar, aber sie funktionieren immer noch und sind in der Technologie weit verbreitet. Die Physiker scheinen (vorübergehend) entschieden zu haben: Auch wenn wir noch nicht genau wissen, wie es funktioniert, können die Vorteile bereits heute daraus abgeleitet werden. Der Tunneleffekt liegt dem Betrieb einiger moderner Mikrochips zugrunde - in Form von Tunneldioden und -transistoren, Tunnelübergängen usw. Und natürlich dürfen wir nicht die Rastertunnelmikroskope vergessen, bei denen das Partikeltunneln die Beobachtung einzelner Moleküle und Atome ermöglicht - und sogar die Manipulation von ihnen.
Kommunikation, Teleportation und Satellit
Stellen wir uns vor, wir haben zwei Äpfel „quantenverschränkt“: Wenn sich herausstellt, dass der erste Apfel rot ist, ist der zweite notwendigerweise grün und umgekehrt. Wir können einen von Petersburg nach Moskau schicken und dabei ihren verwirrten Zustand beibehalten, aber das scheint alles zu sein. Nur wenn in St. Petersburg ein Apfel als rot gemessen wird, wird der zweite in Moskau grün. Bis zum Zeitpunkt der Messung gibt es keine Möglichkeit, den Zustand des Apfels vorherzusagen, da sie (trotz aller Paradoxien!) Nicht den eindeutigsten Zustand haben. Was nützt diese Verstrickung?.. Und der Sinn wurde bereits in den 2000er Jahren gefunden, als Andrew Jordan und Alexander Korotkov, die sich auf die Ideen der sowjetischen Physiker stützten, einen Weg fanden, sozusagen "nicht bis zum Ende" zu messen und damit die Zustände der Teilchen zu fixieren.
Mit "schwachen Quantenmessungen" können Sie sozusagen einen Apfel mit einem halben Auge betrachten, einen Blick darauf erhaschen und versuchen, seine Farbe zu erraten. Sie können dies tatsächlich immer und immer wieder tun, ohne den Apfel richtig zu betrachten, aber ganz sicher feststellen, dass er beispielsweise rot ist, was bedeutet, dass ein Apfel in Moskau, der mit ihm verwechselt wird, grün ist. Auf diese Weise können verschränkte Partikel immer wieder verwendet werden, und mit den vor etwa 10 Jahren vorgeschlagenen Methoden können sie gespeichert werden, indem sie auf unbestimmte Zeit in einem Kreis laufen. Es bleibt, eines der Partikel wegzutragen - und ein äußerst nützliches System zu erhalten.
Ehrlich gesagt scheint es, dass die Vorteile von verschränkten Partikeln viel größer sind als allgemein angenommen. Nur unsere magere Vorstellungskraft, die durch dieselbe makroskopische Skala der Realität eingeschränkt wird, erlaubt es uns nicht, echte Anwendungen für sie zu finden. Die bereits vorhandenen Vorschläge sind jedoch ziemlich fantastisch. Auf der Basis von verschränkten Teilchen ist es somit möglich, einen Kanal für die Quantenteleportation zu organisieren, den Quantenzustand eines Objekts vollständig zu „lesen“und in ein anderes „aufzuzeichnen“, als ob das erste einfach in die entsprechende Entfernung transportiert worden wäre. Die Aussichten für die Quantenkryptographie sind realistischer, deren Algorithmen nahezu "unzerbrechliche" Kommunikationskanäle versprechen: Jede Störung ihrer Arbeit wirkt sich auf den Zustand verwickelter Teilchen aus und wird vom Eigentümer sofort bemerkt. Hier kommt das chinesische Experiment QESS (Quantum Experiments at Space Scale) ins Spiel.
Computer und Satelliten
Das Problem ist, dass es auf der Erde schwierig ist, eine zuverlässige Verbindung für verschränkte Partikel herzustellen, die weit voneinander entfernt sind. Selbst in der fortschrittlichsten optischen Faser, durch die Photonen übertragen werden, verblasst das Signal allmählich, und die Anforderungen dafür sind hier besonders hoch. Chinesische Wissenschaftler haben sogar berechnet, dass, wenn Sie verschränkte Photonen erzeugen und diese in zwei Richtungen mit Schultern etwa 600 km senden tausend Jahre. Der Raum ist eine andere Sache, in deren tiefem Vakuum Photonen eine solche Strecke fliegen, ohne auf Hindernisse zu stoßen. Und dann betritt der experimentelle Satellit Mozi ("Mo-Tzu") die Szene.
Auf dem Raumschiff wurde eine Quelle (Laser und nichtlinearer Kristall) installiert, die jede Sekunde mehrere Millionen Paare verschränkter Photonen erzeugte. Aus einer Entfernung von 500 bis 1700 km wurden einige dieser Photonen zum bodengestützten Observatorium in Dalinghe in Tibet und das zweite nach Shenzhen und Lijiang in Südchina geschickt. Wie zu erwarten war, trat der Hauptverlust an Partikeln in den unteren Schichten der Atmosphäre auf, dies sind jedoch nur etwa 10 km des Weges jedes Photonenstrahls. Infolgedessen legte der Kanal verwickelter Partikel die Entfernung von Tibet in den Süden des Landes zurück - etwa 1200 km. Im November dieses Jahres wurde eine neue Linie eröffnet, die die Provinz Anhui im Osten mit der Zentralprovinz Hubei verbindet. Bisher fehlt dem Kanal die Zuverlässigkeit, aber dies ist bereits eine Frage der Technologie.
In naher Zukunft planen die Chinesen, fortschrittlichere Satelliten für die Organisation solcher Kanäle zu starten, und versprechen, dass wir bald eine funktionierende Quantenverbindung zwischen Peking und Brüssel von einem Ende des Kontinents zum anderen sehen werden. Ein weiteres "unmögliches" Paradoxon der Quantenmechanik verspricht einen weiteren Technologiesprung.
Sergey Vasiliev
