Наш веб-сайт использует файлы cookie, чтобы предоставить вам возможность просматривать релевантную информацию. Прежде чем продолжить использование нашего веб-сайта, вы соглашаетесь и принимаете нашу политику использования файлов cookie и конфиденциальность.
Джон Клаузер, выпускник Калтеха, сумел экспериментально доказать квантовую запутанность, пишет Альтернативная наука.
В 1930-х годах, когда ученые, включая Альберта Эйнштейна и Эрвина Шредингера, впервые обнаружили явление квантовой запутанности, они были озадачены.
Запутанность, как оказалось, требует, чтобы две разделенные частицы оставались связанными, не находясь в непосредственном контакте между собой. Альберт Эйнштейн назвал это явление "жутким действием на расстоянии", поскольку казалось, что частицы общаются быстрее скорости света.
Чтобы объяснить странные последствия запутанности, Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном разработали методологический подход, согласно которому необходимо добавить "скрытые переменные", восстанавливающие "локальность" и "причинность" поведения частиц.
Локальность утверждает, что на объекты влияет только их непосредственное окружение. Причинность утверждает, что следствие не может возникнуть раньше причины, и что причинно-следственные сигналы не могут распространяться быстрее скорости света.
Нильс Бор оспорил аргументы дуэта, а Шредингер и Венделл Фурри выдвинули гипотезу о том, что запутанность исчезает по мере увеличения расстояния между частицами.
К сожалению, тогда не было экспериментальных доказательств в пользу или против квантовой запутанности сильно разнесенных частиц.
Однако со временем эксперименты доказали, что запутывание вполне реально и имеет фундаментальное значение для природы.
Более того, уже ясно, что квантовая механика работает не только на очень малых, но и на достаточно больших расстояниях.
Так, китайский спутник связи Micius с квантовым шифрованием основан на квантовой запутанности между фотонами, разделенными тысячами километров.
Самые первые из подобного рода экспериментов были проведены выпускником Калтеха Джоном Клаузером в 1969 и 1972 годах. Его выводы основаны на теореме Белла, доказавшей, что аргумент Эйнштейна-Подольского-Розена приводит к неожиданным выводам.
Согласно Беллу, квантовая запутанность несовместима с представлениями о локальности и причинности.
В 1969 году , будучи еще аспирантом Колумбийского университета, Клаузер совместно с Майклом Хорном, Абнером Шимони и Ричардом Холтом преобразовали математическую теорему Белла 1964 года в очень конкретное экспериментальное предсказание. Сейчас оно известно как неравенство Клаузера-Хорна-Шимони-Холла.
В 1972 году, будучи постдокторантом Калифорнийского университета в Беркли, Клаузер и аспирант Стюарт Фридман экспериментально доказали, что две разнесенные на расстоянии частицы (4 метра друг от друга) могут быть спутаны.
В дальнейшем Клаузер провел еще три эксперимента, проверяя основы квантовой механики и запутанности, и каждый новый эксперимент подтверждал и даже расширял его результаты.
Позже єксперимент Фридмана-Клаузера сотни раз повторялся в различных лабораториях по всему миру, подтверждая реальность квантовой запутанности.
Работа Клаузера принесла ему премию Вольфа по физике 2010 года. Он разделил ее с Аленом Аспектом из Института оптики и Антоном Цайлингером из Венского университета.
Теперь Джон Клаузер отвечает на вопросы о своих исторических экспериментах. Публикуем материалы онлайн-издания Caltech .
- Мы слышали, что ваша идея проверить принципы запутанности не понравилась другим физикам. Можете ли вы рассказать нам об этом подробнее?
- В 1960-х и 70-х годах экспериментальное тестирование квантовой механики было непопулярно в Калтехе, Колумбийском университете, Калифорнийском университете в Беркли и в других местах.
Мои преподаватели в Колумбии говорили, что экспериментальное тестирование квантовой физики разрушит мою карьеру.
Когда я проводил эксперимент Фридмана-Клаузера в Калифорнийском университете, Ричард Фейнман из Калтеха был весьма оскорблен моей дерзкой попыткой и сказал мне, что это равносильно исповеди неверия в квантовую физику.
Он высокомерно настаивал на том, что квантовая механика очевидно верна и не нуждается в дальнейшей проверке! Мой прием в Беркли был в лучшем случае тепловатым и стал возможен только благодаря доброте и терпимости профессоров Чарли Таунса [Нобелевский лауреат '64] и Говарда Шугарта, которые позволили представить эксперименты.
В моей переписке с Джоном Беллом он выразил прямо противоположное мнение и настоятельно рекомендовал провести эксперимент.
Основополагающая работа по теореме Белла была первоначально опубликована в последнем номере малоизвестного журнала "Физика" и в подпольной газете "Эпистемологические письма".
Только после того, как в журнале Physical Review Letters появилась статья CHSH 1969 года , затем результаты эксперимента Фридмана-Клаузера 1972 года , Джон Белл наконец открыто обсудил свою работу. Он знал о табу на основы квантовой механики и никогда не обсуждал запретные темы со своими коллегами по ЦЕРН.
- Почему вы решили продолжить эксперименты?
Отчасти я хотел проверить эти идеи потому, что все еще пытался их понять. Предсказания о запутанности казались мне достаточно странными, и я не мог принять их, не увидев экспериментальных доказательств.
Я также осознавал фундаментальную важность экспериментов и просто игнорировал советы моих преподавателей по поводу карьеры.
Более того, я получал огромное удовольствие, занимаясь очень сложной экспериментальной физикой с аппаратурой, которую я построил в основном из списанной техники физического факультета.
До того, как мы с Фридманом провели первый эксперимент, я также думал, что физика скрытых переменных Эйнштейна может оказаться верной, и если это так, то хотел это обнаружить.
Идеи Эйнштейна казались мне очень ясными. А идеи Бора - довольно мутными и трудными для понимания.
- Что вы ожидали обнаружить, когда проводили эксперименты?
- По правде говоря, я действительно не знал, чего ожидать, кроме того, что я, наконец, выясню, кто был прав - Бор или Эйнштейн.
Признаться, я делал ставку в пользу Эйнштейна, но на самом деле не знал, кто победит. Это как пойти на ипподром. Вы можете надеяться, что победит определенная лошадь, но на самом деле вы не знаете, пока не получите результаты.
В данном случае оказалось, что Эйнштейн ошибался. В традиции Ричарда Фейнмана и Кипа Торна, которые делали научные ставки, я поспорил с квантовым физиком Якиром Агароновым.
Любопытно, что он поставил только один доллар против моих двух. Я проиграл пари и вложил двухдолларовую купюру и поздравления, когда отправил ему по почте препринт с нашими результатами.
Я был очень огорчен, увидев, что мой собственный эксперимент доказал, что Эйнштейн ошибался.
Но эксперимент дал результат 6,3 сигмы. А затем дополнительный эксперимент Дика Холта и Фрэнка Пипкина в Гарварде (так и не опубликованный) дал противоположный результат.
Я подумал, не упустил ли я из виду какую-то важную деталь. В одиночку продолжил работу в Калифорнийском университете, чтобы провести еще три экспериментальных проверки квантовой механики.
Все они привели к тем же выводам. Бор был прав, а Эйнштейн ошибался. Гарвардский результат не повторился и оказался ошибочным.
Когда я вновь встретился со своими преподавателями из Колумбийского университета, все они сказали: "Мы же вам говорили! Теперь перестаньте тратить деньги впустую и займитесь настоящей физикой".
На тот момент в моей карьере единственной ценностью было то, что моя работа продемонстрировала, что я был достаточно талантливым физиком-экспериментатором.
Только благодаря этому факту я получил работу в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, занимаясь исследованиями в области физики плазмы с управляемым синтезом.
- Можете ли вы помочь нам понять, что именно показали ваши эксперименты?
- Чтобы прояснить, что показали эксперименты, Майк Хорн и я сформулировали то, что сейчас известно как локальный реализм Клаузера-Хорна.
Дополнительный вклад в него впоследствии внесли Джон Белл и Абнер Шимони, поэтому, возможно, его правильнее называть локальным реализмом Белла-Клаузера-Хорна-Шимони.
Локальный реализм просуществовал очень недолго как жизнеспособная теория. Действительно, он был экспериментально опровергнут еще до того, как переместился на бумагу.
Тем не менее, локальный реализм важен с эвристической точки зрения, поскольку подробно показывает, что не является квантовой механикой.
Локальный реализм предполагает, что природа состоит из вещей, из объективно реальных объектов, то есть вещей, которые можно поместить в коробку.
(Коробка здесь - это воображаемая замкнутая поверхность, определяющая разделенные внутренний и внешний объемы).
Далее предполагается, что объекты существуют независимо от того, наблюдаем мы их или нет. Точно так же предполагается, что определенные экспериментальные результаты будут получены, независимо от того, смотрим мы на них или нет.
Мы можем не знать, что такое материя, но мы предполагаем, что она существует и что она распределена в пространстве.
Вещи могут развиваться либо детерминировано, либо стохастически. Локальный реализм предполагает, что вещи в коробке обладают внутренними свойствами, и что когда кто-то проводит эксперимент в коробке, вероятность любого полученного результата каким-то образом зависит от свойств вещей в этой коробке.
Если провести, скажем, другой эксперимент с другими экспериментальными параметрами, то, предположительно, будет получен иной результат.
Теперь предположим, что у нас есть два широко разнесенных ящика, каждый из которых содержит вещи. Локальный реализм далее предполагает, что выбор экспериментальных параметров, сделанный в одной коробке, не влияет на результат эксперимента в удаленной коробке.
Таким образом, локальный реализм запрещает "жуткое действие на расстоянии". Он обеспечивает соблюдение эйнштейновской причинности, которая запрещает любые подобные нелокальные причины и следствия.
Удивительно, но эти простые и очень разумные предположения сами по себе достаточны для того, чтобы вывести второе важное экспериментальное предсказание, ограничивающее корреляцию между экспериментальными результатами, полученными в разделенных ящиках. Это предсказание - неравенство Клаузера-Хорна 1974 года.
Вывод неравенства CHSH 1969
