Нобелевская премия по физике. Бог все-таки играет в кости

Нобелевскую премию по физике получили Ален Аспе (Alain Aspect), Джон Клаузер (John Clauser) и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) «за эксперименты со спутанными фотонами, доказательство нарушений неравенств Белла и заложение основ квантовой информатики». Комментирует Станислав Страупе, ст. науч. сотр. физического факультета МГУ, руководитель группы Российского квантового центра. Беседовал Борис Штерн. Видеозапись интервью: youtube.com/watch?v=2se9qPDSS7c.

Джон Клаузер, Ален Аспе и Антон Цайлингер («Википедия»; Фото The Royal Society; Jacqueline Godany)
Джон Клаузер, Ален Аспе и Антон Цайлингер («Википедия»; The Royal Society; Jacqueline Godany)
Борис Штерн
Борис Штерн
Станислав Страупе
Станислав Страупе

— Для начала небольшая метафора. Рассказывают, что спутанность частиц можно сравнить с парой носков. Как только мы одеваем носок на левую ногу, второй носок автоматически становится правым, где бы он ни находился. А что, если один носок на Земле, а другой — на Марсе, и космонавтам на разных планетах нужно синхронно надеть эти носки в течение двух секунд? Послать сигнал на Землю никаким образом нельзя. В случае с носками у нас ничего не выйдет, а вот если мы будем манипулировать спутанными частицами, то всё получится — на большом расстоянии и мгновенно. Может быть, есть какая-то тайная метка, по которой мы можем определить, правый ли это носок или левый? Как я понимаю, лауреаты Нобелевской премии задались схожим вопросом. Эти метки называются скрытыми параметрами, верно?

— Да, это скрытые переменные, или скрытые параметры. Лауреатам удалось экспериментально показать, что на спутанных частицах, в отличие от носков, скрытой метки быть не может. Аналогия с носками хороша, потому что в ней есть еще такой аспект: если космонавту на Марсе отправить носок, то он не поймет, левый он или правый. Для того, чтобы это понять, нужно связаться с Землей и узнать, на какую ногу там надели другой носок. Если на правую, то носок космонавта — левый. Без этого канала связи никуда, без него мы нарушим принцип релятивистской причинности. Передавать информацию, посылая друг другу носки быстрее скорости света, мы не способны — тут не поможет никакая квантовая запутанность. Тем не менее нечто экстраординарное всё равно происходит. Мне больше нравится другая аналогия, которую в свое время придумал Джон Прескилл. Как возникают корреляции в классической физике? Вот простой эксперимент: я нахожусь на Земле и у меня есть набор черных и белых шаров. Я раскладываю их по коробкам. Если в одну коробку я кладу черный шар, то в другую обязательно помещаю белый — они непременно должны антикоррелировать. Коробки же я выбираю случайно. Одну из них получает корреспондент на Марсе, а другая отправляется на Венеру. Такая рассылка коробок с шаром в каждой повторяется много-много раз. Получатели открывают коробки и случайным образом обнаруживают черный или белый шар. По статистике у нас не будет ничего особенного — примерно в половине случаев черный, в половине случаев белый. Затем получатели встречаются, сверяют данные и с удивлением обнаруживают стопроцентную антикорреляцию: у одного черный шар, а у другого белый. Корреспонденты делают вывод: есть я, раскладывающий шары человек, и общая причина, которая вызывает корреляции. Если бы они знали, как я раскладываю шары, то могли бы полностью объяснить корреляции. В классической физике считается, что у шара всегда есть истинный цвет, который мы видим при открытии коробки. Кажущаяся случайность связана с тем, что мы не знаем начальных условий, не знаем, как разложены шары по коробкам, и прибегаем к вероятности, чтобы описать произошедшие события.

В квантовой механике же дела обстоят интереснее. Если будем продолжать аналогию с шарами, то давайте добавим такие параметры: открывая коробку сверху, мы можем обнаружить либо черный, либо белый шар, а открывая сбоку — синий или красный. Цвет шара будет зависеть от того, как мы открыли коробку. Оказывается, квантовомеханический эксперимент можно устроить таким образом, что вне зависимости от того, как экспериментаторы открывают коробки, у них будут антикоррелируемые результаты, если коробки будут открываться одинаковым образом (при том, что подсчет шаров будет произведен намного позже их запечатывания и отправки на Венеру и Марс). Квантовые корреляции отличаются от классических тем, что наблюдателю кажется, что шары каким-то образом знают друг о друге, о том, каким образом открываются коробки. Экспериментаторы могут чисто случайно (коммуникация между ними невозможна в силу пространственноподобного интервала) выбрать одну и ту же коробку, и результат будет антикоррелированным. Многих это неприятно поражало.

История нынешней Нобелевской премии уходит корнями в 1920-е годы и дискуссию между Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном на V Сольвеевском конгрессе. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой теории: вроде бы всё хорошо, но вот если попытаться описать взаимодействия макроскопических приборов с этим квантовым миром, то неизбежно возникнет вероятность. Бор утверждал, что она фундаментальна и не является свидетельством нашего незнания: нам остается только делать вероятностные предсказания. Эйнштейн же утверждал, что «Бог не играет в кости»: должна найтись другая, более полная теория, в которой этой вероятности не будет. Соответственно, все статистические интерпретации, которые мы видим, — следствие того, что мы не знали о скрытых параметрах. Эйнштейн еще называл их элементами реальности и говорил, что не бывает так, что у вас не получится предсказать отклонение спина в эксперименте Штерна — Герлаха. (После пропускания через установку он отклоняется либо влево, либо вправо в зависимости от значения проекции спина на ось, вдоль которой направлен градиент магнитного поля.) Должен быть некий элемент физический реальности, который подскажет нам, что произойдет. Если я знаю всё про систему, то почему в этом эксперименте я не могу предсказать всё до конца, почему я вынужден ограничиваться вероятностным описанием? Бор отвечал, что есть вещи, которые мы не узнаем никогда и что Природе бессмысленно задавать вопросы, на которые нет ответа — так уж устроен мир. Казалось, спор философский, и разрешить его физическим экспериментом вряд ли можно. А оказалось, что можно, — и поставившие такие эксперименты получили Нобелевскую премию.

— Получается, Бор не верил в существование скрытых параметров, считал вероятность фундаментальной вещью. Как я понимаю, в те времена у него на руках не было твердых доказательств…

— Да, аргументы в пользу той или иной ситуации были сформулированы значительно позже. Сам Эйнштейн в 1935 году аргументировал неполноту квантовой механики в статье, написанной в соавторстве с Подольским и Розеном1. Они предложили так называемый парадокс EPR. При распаде частиц на две части можно измерить у одной из них импульс и благодаря закону сохранения импульса узнать аналогичную величину второй частицы. Определив координату, одновременно можно узнать значение двух некоммутирующих наблюдаемых. Для квантовой теории не очень хорошо, но особого противоречия нет, и Эйнштейн это понимал. Но ему не нравилось, что одна частица каким-то образом мгновенно понимает, какую наблюдаемую измеряют у другой частицы и, соответственно, ее состояние коллапсирует до состояния, собственного для координаты или импульса. Более наглядно можно продемонстрировать это в варианте Дэвида Бома: есть два спина в синглетном состоянии, проекции которых можно измерять в приборе типа Штерна — Герлаха. Если мы будем измерять проекции разных спинов на одинаковую ось, то всегда будем получать антикоррелированные результаты. Ось же можно ориентировать как угодно: состояние каждого из спинов будет инвариантно относительно локальных унитарных преобразований. Локально можно настраивать ориентацию прибора Штерна — Герлаха случайным образом, вероятности результатов измерений не изменятся. Однако как только оба экспериментатора выберут одинаковую ориентацию, они будут получать антикоррелируемые результаты. Если же ориентация будет разной, то результат будет произвольный…

— Допустим, взяли перпендикулярную ориентацию. Получили плюс на первом спине и либо плюс, либо минус на втором. Суммарный спин должен быть равен нулю, но мы видим, что результат отличен от нуля. Как объяснить это на квантовом языке в классическом подходе?

— По статистике всё понятно — ноль, но в каждой конкретной ситуации для перпендикулярного направления у нас будет совершенно неопределенный исход. Поскольку это синглет, то вне зависимости от ориентации прибора Штерна — Герлаха у каждого из экспериментаторов исходы всегда будут равновероятными, ведь у спинов полностью смешанное состояние. Но полное состояние — чистое, синглет. Проявляться это будет в том, что когда мы меряем на одно и то же значение проекции, на одну и ту же ось, результат всегда будет противоположным. При этом важно, что выбрать ориентацию оси можно уже после того, как наши спины разлетелись. В синглетном состоянии же они находились изначально — имело место некое взаимодействие, сделавшее спины синглетными. Далее мы дали им разлететься в разные стороны и после этого ориентируем прибор. В этом-то и заключалась идея эксперимента Алена Аспе. Джон Клаузер, разделивший с Аспе Нобелевскую премию, первым обратил внимание на статью2 Джона Стюарта Белла, опубликованную в конце 1960-х годов, поняв, что такой эксперимент можно провести в лаборатории. Белл же пошел чуть дальше, чем Эйнштейн, Подольский и Розен, постаравшись количественно ответить на вопрос: а что случится, если будут скрытые параметры и полный детерминизм? Возьмем пару спинов и предположим, что у каждого из них есть некое нам неизвестное состояние. В аналогичном эксперименте мы можем измерить тестовую статистику и выяснить, что она никогда не будет больше двух, вне зависимости от устройства спинового состояния. Некая величина, определенные корреляторы с правильными знаками будут меньше или равны двойке для любого эксперимента — это стали называть неравенством Белла.

Джон Клаузер понял, что неравенство можно проверить на поляризованных фотонах — в оптике это сделать проще, чем на спинах. Эксперимент заключался в том, что два фотона проходили через линейные поляризаторы в двух плечах установки. Поляризаторы ориентировались определенным образом, затем велся подсчет статистики. Надо сказать, что установка оснащалась вращающимися поляризационными светоделителями, через которые фотон или проходил, или отражался. В плечах прибора также находились два детектора. Совпадения между их отсчетами регистрировались.

— Я видел схему, где каждый фотон расщепляется полуотражающей пластинкой…

— Такие эксперименты тоже есть, но в нашем случае схема устроена не так — достаточно обычного проекционного измерения, поляризационного светоделителя. Корреляция между фотонами появляется сразу. И Клаузер, и Аспе использовали атомный каскад — двухфотонный переход из возбужденного состояния в основное через промежуточное. Можно подобрать параметры эксперимента так, чтобы рождающиеся фотоны были запутаны по поляризации. В эксперименте Клаузера был один недостаток: направление поляризатора выбиралось случайно, но заранее. В мысленном эксперименте Белла, описанном в статье2, направление поляризации выбиралось тогда, когда фотоны уже улетали — для того, чтобы выбор направления поляризатора не влиял на то, как в синглетном состоянии устроены гипотетические скрытые переменные. Мы же тестируем гипотезу, что всё можно описать не квантовой теорией, а какой-то другой, более глубокой физикой, скрытые параметры которой нам пока что неизвестны. Черт его знает, от чего оные зависят, но вдруг на это влияет угол поворота поляризатора? Тогда это всё объяснит.

А нужно было сделать вот что: подождать, пока фотоны улетят, и пока они летят от места рождения до места измерения, повернуть поляризатор. Технически это было сделать очень сложно из-за того, что скорость света большая. В то время несколько десятков наносекунд, в течение которых даже на большом оптическом столе фотоны летят из одного конца в другой, считались маленьким временем — за эти наносекунды нужно было успеть повернуть поляризатор. Аспе придумал, как это сделать: не поворачивать поляризаторы, а поставить акустооптический дефлектор, который будет быстро отклонять пучок. В этом устройстве свет дифрагирует на бегущей акустической волне. Соответственно, эту ультразвуковую волну мегагерцовых частот можно быстро включать и выключать. За несколько наносекунд можно поменять направление распространения светового пучка. На одном направлении ставится поляризатор, ориентированный одним образом, на другом — ориентированный иначе. С помощью генератора случайных чисел решается, в какую сторону направить фотон после его излучения. Естественно, результаты не поменялись. Казалось бы, зачем этим заниматься? Квантовая теория очевидна, есть тысячи свидетельств, что она работает. Но ведь дело в том, что вопрос интерпретации квантовой теории — один из фундаментальных. Есть ли смысл искать какую-то более глубокую детерминистическую теорию? Эйнштейн считал, что смысл есть, и раз он всерьез так думал, то стоит прислушаться. Идеи Белла и последующие эксперименты нобелевских лауреатов показали, что такие поиски бессмысленны — нравится нам это или нет, существует истинная случайность. Это экспериментальный факт. Неравенства Белла сформулированы настолько общим образом, что даже если квантовую теорию сменит другая, то она тоже будет вероятностной — фундаментальная случайность никуда не денется.

— Если нет скрытых параметров, то получается довольно-таки ужасная вещь: частица одновременно находится везде, будучи спутанной. А мы привыкли к локальной физике, где частица взаимодействует в определенной точке, всё куда-то летит. Противное принять сложно: частица и тут, и на Марсе, и где-то еще… Это, мне кажется, даже сложнее принять, чем скрытые параметры.

— Строго говоря, то, что отрицает нарушение неравенств Белла, называется локальным реализмом. Это не локальность и не реализм (детерминированность исходов измерений) сами по себе, а их смесь. Неравенства Белла выводятся в предположении, что есть скрытые локальные переменные: их значение в одном месте не может моментально повлиять на значение переменных в другой точке. Именно такую теорию отвергает наличие неравенств Белла. От чего-то придется отказаться: либо от реализма, либо от локальности. Первый вариант: отказаться от локальности. Тогда нам придется признать, что исход измерения у одного из экспериментаторов на Марсе мгновенно окажет воздействие на события на Венере, и это нелокальность. Это будет странно, ведь есть релятивистская причинность, есть ограничения — Эйнштейну вряд ли бы понравился такой вариант. Приходится отказываться от реализма, говоря, что в синглетном состоянии у каждого из спинов нет никакой определенной ориентации. В процессе эксперимента, когда спин проходит через прибор Штерна — Герлаха, появляется определенное значение проекции. Принципиальный момент: не проведенные эксперименты не имеют исходов — “unperformed measurements have no results”. Нельзя говорить о том, что тот или иной эксперимент повлечет за собой определенный исход, до тех пор, пока его не проведут.

Нарушение неравенств Белла в большинстве квантово-оптических лабораторий вошло в рутину: это используется для тестирования качества запутанных состояний, ведь никто уже не сомневается, что что-то тут не так. Если вдруг неравенства Белла у вас не нарушаются, то это не значит, что появились скрытые переменные — просто ваша установка плохо работает. Любопытно, что эксперименты в этой области продолжаются вплоть до нынешнего времени. Скажем, не прекращаются попытки отыскать лазейки (loopholes) в рассуждении и постановке эксперимента. Например, говорят, что детектируются не все спускающиеся фотоны, а лишь малая их часть. Может быть, в эксперименте используется нечестная выборка? Но природа устроена таким образом, что именно те фотоны, которые мы регистрируем, выглядят как нечестная выборка. А если зарегистрировать все 100%, то результаты будут иными. В 2015 году проводились эксперименты с регистрацией почти всех фотонов — неравенства Белла всё равно нарушались. Совершенно замечательный опыт с точки зрения экспериментальной техники, ведь он способствует прогрессу.

— Нобелевку разделили три человека. В каком порядке кто из них что сделал?

— Джон Клаузер был первым, кто провел экспериментальный тест неравенств Белла. Ален Аспе провел опыт в точности так же, как его хотел сделать Белл: с выбором базиса измерений после того, как фотоны разлетаются. Антон Цайлингер же просто молодец: он провел очень много экспериментов в области квантовой информации. К истории с неравенствами Белла работы Цайлингера, конечно, относятся, но они увидели свет куда позже трудов Клаузера и Аспе. Упоминания заслуживают его эксперименты с запутанными фотонами: Цайлингер предложил методы генерации запутанных фотонов, которые все используют. Это позволило превратить эксперименты — сложные и большие проекты — в нечто доступное даже для студентов в институтской лаборатории.

— Имеет ли спутанность значение в квантовых компьютерах?

— Конечно, имеет. Не будь спутанности, квантовые вычисления стали бы невозможными. В каком-то смысле запутанность (как ее ни называй — спутанность, сцепленность, entanglement) представляет собой лишь математическое следствие принципа суперпозиции. Возьмем состояние из n кубитов, т. е. двухуровневых квантовых систем, где пространство состояний имеет базис: все n — нули, затем добавляется единица (n–1 = 0) и т. д.: двоичные строки из n бит. Принцип суперпозиции говорит нам, что состояние общего положения будет представлять суперпозицию из 2n базисных состояний, естественно, запутанную. Гигантская размерность этого пространства состояний — именно то, что делает квантовые компьютеры такими сложными для классического моделирования. С другой стороны, на таких машинах можно делать трюки, которые классические компьютеры не потянут.

Если же говорить о технологии, на которую эксперименты нобелевских лауреатов повлияли напрямую, то это квантовая связь. Она включает в себя квантовую криптографию, квантовое распределение ключей. Это протоколы, позволяющие распределять случайную последовательность битов, которая будет использоваться как криптографический ключ для шифрования связи между двумя легитимными пользователями. Невозможно перехватить этот ключ, не будучи обнаруженным. Такая технология базируется на фундаментальной случайности в квантовых измерениях. Если вы меряете неизвестное вам квантовое состояние, то, скорее всего, базис измерений не удастся подобрать так, чтобы получить достоверный исход. Если же вы получаете исход с какой-то вероятностью, то состояние после измерения будет коллапсировать в собственное состояние измерительного прибора и в результате изменится. Таким образом, можно придумать протокол распределения случайностей, основанный на этих феноменах. Если бы не было уверенности в том, что есть истинная квантовая случайность, то уверенности в секретности квантовой криптографии, наверное, тоже не было бы.

— Может быть, у вас самого найдется, что добавить по поводу нынешней Нобелевской премии и ее лауреатов?

— Могу поделиться любопытным фактом: недавно я обнаружил, что Джон Белл опубликовал свою статью2 о неравенствах в очень странном журнале под названием «Physics Physique Физика»3. Оказалось, что он издавался лишь в течение четырех лет, пришедшихся на изыскания Белла в области квантовой теории. Журнал интересен тем, что его издавал Фил Андерсон, а статьи выходили на трех языках: английском, французском и русском. По-моему, это замечательно — надеюсь, золотые годы международной науки вернутся, и свет снова увидят интернациональные журналы, где будут публиковаться результаты, которые когда-нибудь удостоятся Нобелевской премии.

— Да, было бы замечательно. Большое спасибо за беседу!


1 Einstein A., Podolsky B., and Rosen N. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? // Phys. Rev. 1935. 47(777).

2 Bell J. S. On the Einstein Podolsky Rosen Paradox // Phys. Phys. Fiz. / P. W. Anderson, B. T. Matthias — Pergamon Press, 1964. DOI: 10.1103/PHYSICSPHYSIQUEFIZIKA.1.195

3 journals.aps.org/ppf

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest

2 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Максим Т.
Максим Т.
1 месяц назад

В опытах, из которых делается вывод о квантовой запутанности, через поляризаторы пропускают пары по-разному или одинаково поляризованных частиц. В статье Аспека измеряется не сама круговая поляризация электромагнитной волны или спин фотона, а определяется, какой из детекторов срабатывает, или, грубо говоря, какой путь проходит фотон. В эксперименте Штерна — Герлаха определяется вероятность одного из направлений движения электрона в магнитном поле в зависимости от спина. Из закона Малюса следует, что при разной поляризации фотонов, если поляризаторы не перпендикулярны и не параллельны, может 2 раза сработать один детектор, но с меньшей вероятностью, чем при одинаковой поляризации, но Аспек из бинарного результата в случае перпендикулярности или параллельности делает вывод о бинарном результате при любых углах. Нарушение неравенств Белла может означать, что результат не является бинарным взаимоисключающим.
Аспек предлагает модель в виде ломаной линии для зависимости вероятности срабатывания детекторов от угла между поляризаторами, соответствующую бинарному результату с соблюдением неравенств Белла, вводя знак sign перед знаком cos в формуле 14 своей статьи. Коэффициент корреляции реально наблюдаемой синусоиды он объявляет завышенным относительно ломаной линии и объясняет это нелокальными мгновенными или сверхсветовыми корреляциями между частицами, не связанными причинно-следственной связью, так как наличие такой связи нарушало бы СТО. Из этого он делает вывод об отсутствии детерминизма в квантовых явлениях.
Такие авторы, как Путенихин и Шульман, писали, что, если убрать знак sign и принять, что единичная частица при прохождении через поляризатор подчиняется синусоидальному закону Малюса, легко получить окончательное выражение cos(2*theta), соответствующее наблюдаемой синусоиде. В этом случае нет нелокальных корреляций между частицами, а все корреляции образуются в моменты излучения и прохождения через поляризаторы без квантовой запутанности.

Dmitri
Dmitri
1 месяц назад

 Mожно передать сообшения с помощью двухбитной азбуки (использоват только ноль и 1 для передачи сверхсветовых сообшений).
Нужно это сделать на российской обсерватории или спутнике.

Нужно договорится, что если вы одеваете спутанный носок на ногу, значит вы передали 1.
Если не одеваете значит это 0.

Аналогичный процесс можно придумать со спутанной частицей.Так можно передать сигнал тревоги в солнечной системе об опасной комете или вспышке на солнце.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (3 оценок, среднее: 4,33 из 5)
Загрузка...