Исследования феномена запутанности,предполагающего возможность подготовки системы из двух разнесённых в пространстве частиц, в которой измерения, проводимые над первой частицей, будут оказывать мгновенное воздействие на сцепленную с ней вторую, инициировали Эйнштейн и Шрёдингер в 30-х годах прошлого века. Поскольку квантовая теория развивалась весьма своеобразно (сначала был создан математический аппарат, а затем начали выяснять его физический смысл), принятую сейчаскопенгагенскую интерпретацию её математической модели,подкреплённую опытными данными, в то время признавали далеко не все. Собственно говоря, запутанные состояния понадобились Эйнштейну именно для того, чтобы на их примере показать неполноту описания мира квантовой механикой.
В знаменитой статье 1935 года, написанной Эйнштейном в соавторстве с Подольским и Розеном, был обрисованмысленный эксперимент,впоследствии названныйпарадоксом ЭПР.Он, как думали авторы, и демонстрировал неполноту квантовой механики, которую Эйнштейн и его сторонники предлагали«расширить»путём введения неких скрытых параметров. Эти дополнительные переменные должны были устранить вероятностный характер предсказаний квантовой теории: предполагалось, чтоскрытые параметры определяют результат измерения, но получить информацию о них мы не можем.
Другими словами, исход опыта с квантовым объектом всегда задаётся классическим образом, а нам просто кажется, что работает вероятностное квантовомеханическое описание.
Математически строгий ответ на статью Эйнштейна, Подольского и Розена дал примерно через 30 лет ирландский физик Джон Стюарт Белл. Его умозаключения основаны на вполне естественном предположении о том, что значения скрытого параметра в двух частицах, невзаимодействующих и находящихся далеко друг от друга, независимы. В работе Белла была выведена теорема, суть которой в следующем:никакая теория локальных скрытых переменных не сможет воспроизвести все предсказания квантовой механики.
Рис. 1. Схема эксперимента, в котором проверяется выполнение неравенства Белла (иллюстрация из статьи Александра Белинского«Квантовая нелокальность и отсутствие априорных значений измеряемых величин в экспериментах с фотонами»,опубликованной в журнале«Успехи физических наук»).
Для проверкитеоремы Белламожно поставить эксперимент, упрощённая схема которого показана на рисунке 1.
Расположенный слева источник света одновременно испускает пары фотонов, один из которых уходит к наблюдателю А, а второй —к В. У каждого участника опыта есть детектор фотонов, который может работать в двух режимах и выдаёт бинарный результат измерения (либо«+1»,либо«–1»).Если регистрация фотона произошла в первом режиме, то результат«+1»наблюдатель А должен занести в протокол как А = +1, а второму режиму соответствует запись А’ = +1;наблюдатель В, находящийся за непроницаемой стеной, должен действовать аналогичным образом.
Заполненные протоколы с проставленным временем регистрации наблюдатели отсылают координатору. Он берёт результаты одновременных измерений и составляет четыревозможных произведения типа АB или АB’ (считается, что план эксперимента согласован заранее, и наблюдатели знают, когда им нужно переключать режимы). На последнем этапе из усреднённых произведений —<АB>и трёх других —конструируется так называемое неравенство Белла: |S|≤ 2,где S =<АB> +<А’B> +<АB’> –<А’B’>.
Если допустить, чторезультат измерения каждого случая испускания фотонной пары полностью предопределён источником в момент испускания,а измерительные приборы и наблюдатели на источник не влияют, то неравенство Белла обязательно будет выполняться. Однако при некоторых достижимых в эксперименте условиях оно нарушается, что и свидетельствует в пользу запутанных состояний: фотоны из пары ведут себя не как независимые объекты, а как коррелированная система, ирезультат регистрации фотона у одного из наблюдателей тут же становится«известен»второй частице.
Реальные опыты такого рода обычно проводятся по схеме Клаузера —Хорна —Шимони —Хольта (КХШХ). Интересующей экспериментаторов величиной здесь становится поляризация фотонов А и В, которая оценивается с помощьюдвухканальных поляризаторов.На выходе каждого канала стоит детектор, а два режима работы соответствуют разной ориентации поляризаторов, то есть разным базисам измерений.
Рис. 2. Схема обсуждаемого опыта (здесь и далее иллюстрации авторов работы).
Разработанный швейцарцами проект экспериментальной установки очень напоминает вариант КХШХ. Запутанные по поляризациипары 810-нанометровых фотоновавторы получали по методу спонтанного параметрического рассеяния с использованиемнелинейного кристалла бета-бората бария.Это явление можно представить себе какраспад фотонов когерентного лазерного излучения,поступающих в нелинейную среду, на пары частиц, суммарные энергия и импульс которых равны энергии и импульсу исходного кванта света (в нашем случае — 405-нанометрового). Полученный фотон А попадал на поляризатор, за которым стояли однофотонныедетекторы на лавинных фотодиодах.
Часть В несколько отличалась от стандартной схемы КХШХ, в которой каждый фотон из пары сначала измеряется в некотором базисе, и только после этого результат усиливается (электрически, в однофотонном детекторе), чтобы экспериментатор мог его зафиксировать. Физики из Женевы инвертировали эту последовательность: фотон В сначала направлялся в«чёрный ящик»,а затем —на поляризатор и пороговые детекторы. О внутреннем устройстве«ящика»мы говорить пока не будем, ограничившись замечанием о том, что приходящий квант он преобразует в импульс, реализуя оптическое усиление. Пороговый детектор срабатывает тогда, когда падающий на него свет имеет интенсивность выше заданной; если сигнал даёт только один детектор, событие считается«подходящим»,а при срабатывании обоих устройств или полном отсутствии сигнала событие отбрасывается.
Установив выбранное пороговое значение, физики провели все необходимые замеры и выяснили, что неравенство не выполняется. Следовательно, в эксперименте наблюдалось квантовое запутывание.
Легко понять, что методика практически не изменится, если место пороговых детекторов займёт человек. Эта модификация опыта выполнялась в затемнённой комнате, а импульсы с поляризатора В выводились на лист бумаги. Наблюдатель видел два световых пятна и нажимал кнопку, соответствующую явно более яркому; если же он не мог их различить, событие отбрасывалось.
По словам авторов, с распознаванием квантового запутывания человек справлялся более чем успешно.
Остаётся выяснить, что же с чем было запутано. Ответ, казалось бы, очевиден: одиночный фотон запутан с импульсом на выходе«чёрного ящика»;если не знать, что туда положили, придумать другой вариант сложно.
Рис. 3. Внутреннее устройство«чёрного ящика».
Тем не менее этот ответ неверен. В«чёрном ящике»находились линза, линейный поляризатор, непрерывно вращаемый с помощью двигателя, и лазерный диод, соединённый с тем же двигателем и испускающий импульс, поляризация которого чётко связана с положением поляризатора. Перед диодом был установлен однофотонный детектор, при срабатывании которого и генерировался импульс. Поскольку фотон до усиления регистрировался детектором, ни о каком квантовом запутывании говорить не приходится.
Расчёты подтвердили, что изучение системы и тестирование теоремы Белла на её примере позволяет заметить лишь признаки того, что два исходных фотона в прошлом находились в запутанном состоянии. Конечно, такой вариант отличается от прямых наблюдений запутывания, но возможность увидеть невооружённым глазом следы этого квантового состояния не менее интересна.
Основным научным результатом работы г-н Гизин считаетдоказательство того, что схема с пороговыми детекторами и отсеиванием событий не подходит для регистрации запутывания фотона и«макроскопического»поля.Меняя пороговое значение, здесь можно добиться и выполнения неравенства, и его нарушения; в серьёзном опыте такого быть не должно. Фабио Скьяррино (Fabio Sciarrino), один из участников упомянутого в начале заметки исследования 2008 года, согласен с коллегой и сообщает, что новая методика, в которой важную роль будет играть лазер, уже разрабатывается.
«К сожалению, выполнять функции детектора в таком эксперименте человек не сможет, потому что лазер оставит его без глаз», —не без юмора замечает г-н Скьяррино.
Рис. 4. Влияние установленного порога на результаты опыта. Когда значение параметра Белла превышает 2, можно (ошибочно) считать, что в опыте наблюдалось запутывание фотона и«макроскопического»поля. Порог задавался в вольтах, то есть в единицах выходного электрического сигнала детекторов секции В.
Препринтстатьи, написанной швейцарскими учёными, можно скачать с сайта arXiv.
Рис. 1. Принцип обнаружения ядерных материалов по первому способу (иллюстрация Ashley Yeager, Duke).
Рис. 1. Схематическое изображение поставленного эксперимента.
