Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности
|
Подавляющее большинство физиков считает бесперспективными попытки объяснения квантовых корреляций в запутанных состояниях гипотетическим влиянием одной частицы на другую. Эксперименты швейцарских физиков лишний раз показали, насколько «неуклюжим» должно быть такое влияние.
Вначале — комментарий
14 августа в журнале Nature была опубликована статья швейцарских физиков с броским заголовком «Testing the speed of 'spooky action at a distance'» («Проверка скорости 'призрачного взаимодействия на расстоянии'»). В разделе News & Views был также опубликован популярный рассказ об этой статье, а спустя несколько часов в самых разных СМИ стали появляться новости одна нелепее другой, вплоть до утверждения, что физикам удалось (уже в который раз!) преодолеть скорость света.
Те издания, которые попытались разобраться в работе, начали с подробных (и в разной степени неудачных) рассуждений про законы квантовой механики, среди которых совершенно затерялась основная суть работы. У читателя, продиравшегося сквозь терминологические заросли, создавалось впечатление, что в этой работе было обнаружено какое-то новое явление, измерена какая-то новая величина — словом, было открыто что-то новое. На самом же деле всё обстоит в точности наоборот — в этой работе ничего нового не было обнаружено, и именно этот факт позволил получить ограничение снизу на некоторую гипотетическую величину (а вовсе не измерить ее!).
Квантовые корреляции
Для того чтобы понять общий смысл работы, не требуется вникать во все квантовомеханические подробности. Достаточно лишь знать, что в нашем мире существуют особые состояния нескольких квантовых частиц — запутанные состояния, у которых наблюдаются квантовые корреляции (вообще, корреляция — это взаимосвязь между событиями выше уровня случайных совпадений). Эти корреляции можно обнаружить экспериментально, что было сделано впервые свыше двадцати лет назад и сейчас уже рутинно используется в разнообразных экспериментах. Подробности этого метода здесь несущественны.
Теперь перейдем непосредственно к работе. Прямо в аннотации к обсуждаемой статье говорится, что в классическом (то есть неквантовом) мире существует два типа корреляций — когда одно событие является причиной другого или же когда у них обоих есть общая причина. В квантовой теории возникает третий тип корреляций, связанный с нелокальными свойствами запутанных состояний нескольких частиц. Этот третий тип корреляций трудно представить себе, пользуясь привычными бытовыми аналогиями, но важно понимать, что для самой теории это и неважно. Главное, чтобы она описывала эксперимент, чтобы она делала нетривиальные предсказания и чтобы они подтверждались. Квантовая механика со всем этим прекрасно справляется.
Однако какой бы стройной ни была теория, ее необходимо проверять всеми доступными способами. Например, в случае квантовой теории уже давно была высказана «крамольная» мысль: а может быть, эти квантовые корреляции есть результат какого-то нового, неизвестного до сих пор взаимодействия, благодаря которому запутанные частицы (и только они!) влияют друг на друга?
Сразу стоит подчеркнуть «ненормальность» такого гипотетического взаимодействия. Квантовые корреляции наблюдаются, даже если детектирование двух разнесенных на большое расстояние частиц происходит одновременно (в пределах погрешностей эксперимента). Значит, если такое взаимодействие и имеет место, то оно должно распространяться в лабораторной системе отсчета чрезвычайно быстро, со сверхсветовой скоростью. А из этого неизбежно следует, что в других системах отсчета это взаимодействие будет вообще мгновенным и даже будет действовать из будущего в прошлое (правда, не нарушая принцип причинности).
Надо сказать, что пока нет никаких серьезных аргументов в пользу такого взаимодействия. Согласно стандартной квантовой механике, квантовые корреляции не передаются ни через какое взаимодействие, они являются проявлением нелокальности (см., например, новость В квантовом мире нет места реализму?). Однако «закрыть» эту возможность может только хорошо поставленный эксперимент. Обсуждаемая статья как раз и была шагом на пути к этому — она хоть и не закрыла, но по крайней мере ограничила эту возможность.
Суть эксперимента
Идея эксперимента состоит вот в чём. Создадим два запутанных фотона и отправим их в два детектора, отстоящих как можно дальше друг от друга (в описываемом эксперименте расстояние между двумя детекторами было 18 км). При этом пути фотонов до детекторов сделаем по возможности одинаковыми, так чтобы моменты их детектирования были максимально близкими. В этой работе моменты детектирования совпадали с точностью примерно 0,3 наносекунды. Квантовые корреляции в этих условиях по-прежнему наблюдались. Значит, если предположить, что они «работают» за счет описанного выше взаимодействия, то его скорость должна превышать скорость света в сотню тысяч раз.
Такой эксперимент, на самом деле, проводился этой же группой и раньше, см., например, статьи The speed of quantum information and the preferred frame: analysis of experimental data и Experimental test of nonlocal quantum correlation in relativistic configurations, опубликованные в 2000-2001 годах. Новизна данной работы лишь в том, что эксперимент длился долго. Квантовые корреляции наблюдались непрерывно и не исчезали ни в какое время суток.
Почему это важно? Если гипотетическое взаимодействие переносится некоторой средой, то у этой среды будет выделенная система отсчета. Из-за вращения Земли лабораторная система отсчета движется относительно этой системы отсчета с разной скоростью. Это значит, что промежуток времени между двумя событиями детектирования двух фотонов будет для этой среды всё время разным, в зависимости от времени суток. В частности, будет и такой момент, когда эти два события для этой среды будут казаться одновременными. (Тут, кстати, используется тот факт из теории относительности, что два одновременных события будут одновременными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся перпендикулярно соединяющей их линии).
Если квантовые корреляции осуществляются за счет описанного выше гипотетического взаимодействия и если скорость этого взаимодействия конечна (пусть и сколь угодно большая), то в этот момент корреляции бы исчезли. Поэтому непрерывное наблюдение корреляций в течение суток полностью закрыло бы эту возможность. А повторение такого эксперимента в разные времена года закрыло бы эту гипотезу даже с бесконечно быстрым взаимодействием в своей, выделенной системе отсчета.
К сожалению, этого достичь не удалось из-за неидеальности эксперимента. В этом эксперименте для того, чтобы сказать, что корреляции действительно наблюдаются, требуется накапливать сигнал в течение нескольких минут. Исчезновение корреляций, например, на 1 секунду этот эксперимент не смог бы заметить. Именно поэтому авторы не смогли полностью закрыть гипотетическое взаимодействие, а лишь получили ограничение на скорость его распространения в своей выделенной системе отсчета, что, конечно, сильно снижает ценность полученного результата.
А может быть...?
Читатель может спросить: а если всё же описанная выше гипотетическая возможность реализуется, но просто эксперимент из-за своей неидеальности ее проглядел, то означает ли это, что теория относительности неверна? Можно ли использовать этот эффект для сверхсветовой передачи информации или даже для перемещения в пространстве?
Нет. Описанное выше гипотетическое взаимодействие по построению служит единственной цели — это те «шестеренки», которые заставляют «работать» квантовые корреляции. Но уже доказано, что с помощью квантовых корреляций невозможно передать информацию быстрее скорости света. Поэтому каков бы ни был механизм квантовых корреляций, нарушить теорию относительности он не может.
Измениться положение вещей смогло бы, только если бы было открыто что-то принципиально новое, какое-то явление из микромира, никаким боком не вписывающееся в рамки квантовой механики. Но до сих пор ничего подобного в эксперименте не наблюдалось.
Источник: D. Salart et al. Testing the speed of 'spooky action at a distance' // Nature. V. 454. P. 861-864 (14 August 2008).
Игорь Иванов
