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

Ідею експерименту підказала опублікована в 2008 році робота італійських вчених, які продемонстрували заплутане 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 Гизин (Nicolas Gisin). Щоб зрозуміти суть цих дослідів, потрібно згадати деякі факти з історії квантової механіки.

Дослідження феномена заплутаності, що припускає можливість підготовки системи з двох рознесених в просторі частинок, в якій вимірювання, що проводяться над першою частиною, 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 зміст), прийняту зараз копенгагенську інтерпретацію її математичної моделі, підкріплену досвідченими 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 квантової механікою.

У знаменитій статті 1935 року, написаної Ейнштейном у співавторстві з Подільським і Розеном, був розмальований 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 ймовірнісний характер пророкувань у квантовій 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 ймовірнісний квантовомеханическое опис.

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

Рис. 1. Схема експерименту, в якому 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 1.

Розташований зліва джерело світла одночасно випускає пари фотонів, один з яких іде до спостерігача, А другий — до Ст. У кожного учасника досвіду 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” А спостерігач повинен занести в протокол як А = +1, а другого режиму відповідає запис А’ = +1; спостерігач, 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 АВ або АВ’ (вважається, що план експерименту узгоджений заздалегідь, і спостерігачі знають, коли їм треба перемикати режими). На останньому етапі з усереднених творів — <АВ> і трьох інших — конструюється так зване нерівність Белла: |S| ≤ 2, де S = <АВ> + <‘B> + <АВ’> – <‘B’>.

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

Реальні досліди такого роду зазвичай проводяться за схемою Клаузера — Хорна — Shimony — Хольта (КХШХ). Цікавить експериментаторів величиною тут стає поляризація фотонів А і В, яка оцінюється за допомогою двоканальних поляризаторів. На виході кожного каналу варто детектор, а два режими роботи відповідають різної орієнтації поляризаторів, тобто різних базисів вимірювань.

Рис. 2. 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. Це явище можна уявити собі як розпад фотонів когерентного лазерного випромінювання, що надходять у нелінійне середовище, на пари частинок, сумарні енергія і імпульс яких дорівнюють енергії та імпульсу вихідного кванта світла (в нашому випадку — 405-нанометрового). Отриманий фотон А потрапляв на поляризатор, за яким стояли однофотонные 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 однофотонном детекторі), щоб експериментатор міг його зафіксувати. Фізики з Женеви инвертировали цю послідовність: фотон В спочатку прямував в «чорний ящик», а потім на поляризатор і порогові детектори. Про внутрішній устрій «ящика» ми говорити не будемо, обмежившись зауваженням про те, що приходить квант він перетворює імпульс, реалізуючи оптичне підсилення. Пороговий детектор спрацьовує тоді, коли падаючий на нього світло має інтенсивність вище заданої; якщо сигнал дає тільки один детектор, подія вважається «підходящим», а при спрацьовуванні обох пристроїв або повній відсутності сигналу подія відкидається.

Встановивши вибране 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 граничних детекторів займе людина. Ця модифікація досвіду виконувалася в затемненій кімнаті, а імпульси з поляризатора В виводилися на аркуш паперу. Спостерігач бачив два світлових плями і натискав кнопку, відповідну явно більш яскравому; якщо ж він не міг їх розрізнити, подія відкидалося.

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

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

Рис. 3. Внутрішнє пристрій «чорного ящика».

Проте ця відповідь невірний. У «чорному ящику» перебували лінза, лінійний поляризатор, що 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 фотона в минулому знаходилися 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 р-н Гизин вважає доказ того, що схема з пороговими детекторами і відсіюванням подій не підходить для реєстрації заплутування фотона і «макроскопічного поля. Змінюючи порогове значення, тут можна досягти і виконання нерівності, і його порушення; в серйозному досвід такого бути не повинно. Фабіо Скьяррино (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 г-н Скьяррино.

Рис. 4. Вплив встановленого порогу на результати досвіду. Коли значення параметра Белла перевищує 2, можна (помилково) вважати, що в досліді спостерігалося заплутування фотона і «макроскопічного поля. Поріг задавався у вольтах, тобто в одиницях вихідного електричного сигналу детекторів секції Ст.

Препринт статті, написаної швейцарськими вченими, можна завантажити з сайту arXiv.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *