Non molto tempo fa, i fisici hanno mostrato i primi risultati della missione QUESS e il satellite Mozi lanciato in orbita all'interno della sua struttura, fornendo una separazione record di fotoni entangled quantistici a una distanza di oltre 1200 km. In futuro, ciò potrebbe portare alla creazione di una linea di comunicazione quantistica tra Pechino e l'Europa.
Il mondo intorno è vasto e diversificato, così diverso che su alcune scale compaiono leggi completamente impensabili per altri. Le leggi della politica e della Beatlemania non derivano in alcun modo dalla struttura dell'atomo - la loro descrizione richiede le loro "formule" e i loro principi. È difficile immaginare che una mela - un oggetto macroscopico il cui comportamento di solito segue le leggi della meccanica newtoniana - abbia preso e sia scomparso, fuso con un'altra mela, trasformandosi in un ananas. Eppure sono proprio questi fenomeni paradossali che si manifestano a livello delle particelle elementari. Avendo appreso che questa mela è rossa, è improbabile che diventeremo verdi un'altra, situata da qualche parte in orbita. Nel frattempo, questo è esattamente come funziona il fenomeno dell'entanglement quantistico, ed è esattamente ciò che hanno dimostrato i fisici cinesi, con il cui lavoro abbiamo iniziato la nostra conversazione. Proviamo a capirloche cos'è e come può aiutare l'umanità.
Bohr, Einstein e altri
Il mondo intorno è locale: in altre parole, affinché un oggetto distante possa cambiare, deve interagire con un altro oggetto. Inoltre, nessuna interazione può propagarsi più velocemente della luce: questo rende la realtà fisica locale. Una mela non può schiaffeggiare Newton sulla testa senza raggiungerlo fisicamente. Un brillamento solare non può influenzare istantaneamente il funzionamento dei satelliti: le particelle cariche dovranno coprire la distanza dalla Terra e interagire con l'elettronica e le particelle atmosferiche. Ma nel mondo quantistico, la località è violata.
Il più famoso dei paradossi del mondo delle particelle elementari è il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale è impossibile determinare con precisione il valore di entrambe le caratteristiche di "coppia" di un sistema quantistico. Posizione nello spazio (coordinate) o velocità e direzione del movimento (impulso), corrente o tensione, l'ampiezza della componente elettrica o magnetica del campo: tutti questi sono parametri "complementari" e più accuratamente misuriamo uno di essi, meno definito diventerà il secondo.
C'era una volta il principio di indeterminazione a causare l'incomprensione di Einstein e la sua famosa obiezione scettica: "Dio non gioca a dadi". Tuttavia, sembra che stia giocando: tutti gli esperimenti conosciuti, le osservazioni ei calcoli indiretti e diretti indicano che il principio di incertezza è una conseguenza dell'indeterminatezza fondamentale del nostro mondo. E ancora arriviamo a una discrepanza tra scale e livelli di realtà: dove esistiamo, tutto è abbastanza certo: se apri le dita e rilasci la mela, questa cadrà, attratta dalla gravità della Terra. Ma a un livello più profondo, semplicemente non ci sono cause ed effetti, e c'è solo una danza di probabilità.
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Il paradosso dello stato quantico di particelle entangled sta nel fatto che il "colpo alla testa" può avvenire esattamente contemporaneamente alla separazione della mela dal ramo. L'entanglement non è locale e cambiare un oggetto in un posto istantaneamente - e senza alcuna interazione evidente - cambia completamente un altro oggetto in un altro. Teoricamente, possiamo portare una delle particelle in entanglement almeno all'altra estremità dell'Universo, ma comunque, non appena "tocchiamo" il suo partner, che è rimasto sulla Terra, e la seconda particella risponderà istantaneamente. Non era facile per Einstein crederci, e la sua discussione con Niels Bohr e colleghi del "campo" della meccanica quantistica divenne uno degli argomenti più affascinanti nella storia della scienza moderna. "La realtà è certa", come direbbero Einstein ei suoi sostenitori, "solo i nostri modelli, equazioni e strumenti sono imperfetti". "I modelli possono essere qualsiasi cosa,ma la realtà stessa alla base del nostro mondo non è mai stata completamente determinata”, obiettarono gli aderenti alla meccanica quantistica.
Opponendosi ai suoi paradossi, nel 1935 Einstein, insieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, formulò il proprio paradosso. "Va bene", hanno ragionato, "diciamo che è impossibile scoprire la coordinata e la quantità di moto di una particella allo stesso tempo. Ma cosa succede se abbiamo due particelle di origine comune, i cui stati sono identici? Quindi possiamo misurare la quantità di moto di uno, che ci darà indirettamente informazioni sulla quantità di moto dell'altro, e la coordinata dell'altro, che ci darà la conoscenza della coordinata del primo ". Tali particelle erano una costruzione puramente speculativa, un esperimento mentale - forse è per questo che Niels Bohr (o meglio, i suoi seguaci) è riuscito a trovare una risposta decente solo 30 anni dopo.
Forse il primo spettro dei paradossi quantomeccanici è stato osservato da Heinrich Hertz, il quale ha notato che se gli elettrodi dello spinterometro erano illuminati con luce ultravioletta, il passaggio della scintilla era notevolmente più facile. Gli esperimenti di Stoletov, Thomson e altri grandi fisici hanno permesso di capire che ciò accade grazie al fatto che, sotto l'influenza della radiazione, la materia emette elettroni. Tuttavia, questo è completamente diverso da quanto suggerisce la logica; per esempio, l'energia degli elettroni rilasciati non sarà maggiore se aumentiamo l'intensità della radiazione, ma aumenterà se diminuiamo la sua frequenza. Aumentando questa frequenza, arriviamo al confine, oltre il quale la sostanza non mostra alcun effetto foto - questo livello è diverso per le diverse sostanze.
Einstein è stato in grado di spiegare questi fenomeni, per i quali è stato insignito del Premio Nobel. Sono collegati alla quantizzazione dell'energia, al fatto che può essere trasmessa solo da certe "micro-porzioni", quanti. Ogni fotone di radiazione trasporta una certa energia e, se è sufficiente, l'elettrone dell'atomo che lo ha assorbito volerà in libertà. L'energia dei fotoni è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda, e quando si raggiunge il limite dell'effetto fotoelettrico non è più sufficiente nemmeno impartire all'elettrone la minima energia richiesta per il rilascio. Oggi questo fenomeno si riscontra ovunque, sotto forma di pannelli solari, le cui fotocellule funzionano proprio sulla base di questo effetto.
Esperimenti, interpretazioni, misticismo
A metà degli anni '60, John Bell si interessò al problema della nonlocalità nella meccanica quantistica. È stato in grado di offrire una base matematica per un esperimento completamente fattibile, che dovrebbe terminare con uno dei risultati alternativi. Il primo risultato "ha funzionato" se il principio di località è veramente violato, il secondo - se, dopotutto, funziona sempre e dobbiamo cercare qualche altra teoria per descrivere il mondo delle particelle. Già nei primi anni '70 tali esperimenti furono eseguiti da Stuart Friedman e John Clauser, e poi da Alain Aspan. Per dirla semplicemente, il compito era creare coppie di fotoni entangled e misurare i loro spin, uno per uno. Le osservazioni statistiche hanno dimostrato che gli spin non sono liberi, ma correlati tra loro. Tali esperimenti sono stati condotti quasi continuamente da allora,sempre più preciso e perfetto - e il risultato è lo stesso.
Va aggiunto che il meccanismo che spiega l'entanglement quantistico non è ancora chiaro, c'è solo un fenomeno e diverse interpretazioni danno le loro spiegazioni. Pertanto, nell'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica, le particelle entangled sono solo proiezioni dei possibili stati di una singola particella in altri universi paralleli. Nell'interpretazione transazionale, queste particelle sono collegate da onde stazionarie del tempo. Per i "mistici quantistici" il fenomeno dell'entanglement è un motivo in più per considerare la base paradossale del mondo come un modo per spiegare tutto l'incomprensibile, dalle particelle elementari stesse alla coscienza umana. I mistici possono capire: se ci pensi, le conseguenze sono vertiginose.
Il semplice esperimento di Clauser-Friedman indica che la località del mondo fisico sulla scala delle particelle elementari può essere violata e la base stessa della realtà risulta - con orrore di Einstein - vaga e indefinita. Ciò non significa che l'interazione o le informazioni possano essere trasmesse istantaneamente, a scapito dell'entanglement. La separazione delle particelle entangled nello spazio procede a velocità normale, i risultati della misurazione sono casuali e fino a quando non misuriamo una particella, la seconda non conterrà alcuna informazione sul risultato futuro. Dal punto di vista del destinatario della seconda particella, il risultato è completamente casuale. Perché tutto questo ci interessa?
Come intrappolare le particelle: prendi un cristallo con proprietà ottiche non lineari, cioè uno la cui interazione della luce con cui dipende dall'intensità di questa luce. Ad esempio, triborato di litio, beta borato di bario, niobato di potassio. Irradiandolo con un laser di una lunghezza d'onda adeguata, i fotoni ad alta energia della radiazione laser a volte decadranno in coppie di fotoni entangled di energia inferiore (questo fenomeno è chiamato "scattering parametrico spontaneo") e polarizzati su piani perpendicolari. Tutto ciò che resta da fare è mantenere intatte le particelle intrappolate e diffonderle il più lontano possibile.
Sembra che abbiamo lasciato cadere la mela mentre parlavamo del principio di incertezza? Sollevalo e gettalo contro il muro - ovviamente, si romperà, perché nel macrocosmo un altro paradosso della meccanica quantistica - il tunneling - non funziona. Durante il tunneling, una particella è in grado di superare una barriera energetica superiore alla propria energia. L'analogia con una mela e un muro è, ovviamente, molto approssimativa, ma chiara: l'effetto tunneling consente ai fotoni di penetrare nel mezzo riflettente, e gli elettroni - "non notano" la sottile pellicola di ossido di alluminio che ricopre i fili ed è in realtà un dielettrico.
La nostra logica quotidiana e le leggi della fisica classica non sono molto applicabili ai paradossi quantistici, ma funzionano ancora e sono ampiamente utilizzate nella tecnologia. I fisici sembrano aver deciso (temporaneamente): anche se non sappiamo ancora del tutto come funziona, i benefici se ne possono ricavare già oggi. L'effetto tunneling è alla base del funzionamento di alcuni microchip moderni - sotto forma di diodi tunneling e transistor, giunzioni tunnel, ecc. da loro.
Comunicazione, teletrasporto e satellite
Immaginiamo infatti di avere "quantum entangled" due mele: se la prima mela risulta essere rossa, allora la seconda è necessariamente verde, e viceversa. Possiamo mandarne uno da Pietroburgo a Mosca, mantenendo il loro stato confuso, ma sembra che sia tutto. Solo quando a San Pietroburgo una mela viene misurata come rossa, la seconda diventerà verde a Mosca. Fino al momento della misurazione, non è possibile prevedere lo stato della mela, perché (tutti gli stessi paradossi!) Non hanno lo stato più definito. A cosa serve questo entanglement?.. E il senso si è trovato già negli anni 2000, quando Andrew Jordan e Alexander Korotkov, basandosi sulle idee dei fisici sovietici, trovarono un modo per misurare, per così dire, "non fino in fondo", e quindi per fissare gli stati delle particelle.
Usando "misurazioni quantistiche deboli", puoi, per così dire, guardare una mela con mezzo occhio, intravedere, cercando di indovinarne il colore. Puoi farlo più e più volte, infatti, senza guardare la mela correttamente, ma determinare con sicurezza che è, ad esempio, rossa, il che significa che una mela a Mosca che è confusa con essa sarà verde. Ciò consente alle particelle aggrovigliate di essere utilizzate più e più volte, ei metodi proposti circa 10 anni fa consentono di immagazzinarle correndo in cerchio per un tempo indefinitamente lungo. Resta da portare via una delle particelle e ottenere un sistema estremamente utile.
Francamente, sembra che i benefici delle particelle entangled siano molto più di quanto comunemente si pensi, solo la nostra scarsa immaginazione, vincolata dalla stessa scala macroscopica della realtà, non ci permette di trovare applicazioni reali per loro. Tuttavia, le proposte già esistenti sono piuttosto fantastiche. Così, sulla base delle particelle entangled, è possibile organizzare un canale per il teletrasporto quantistico, completare la “lettura” dello stato quantistico di un oggetto e “registrarlo” in un altro, come se il primo fosse semplicemente trasportato alla distanza appropriata. Le prospettive della crittografia quantistica sono più realistiche, i cui algoritmi promettono canali di comunicazione quasi "indistruttibili": qualsiasi interferenza nel loro lavoro influenzerà lo stato delle particelle entangled e sarà immediatamente notata dal proprietario. È qui che entra in gioco l'esperimento cinese QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Computer e satelliti
Il problema è che, sulla Terra, è difficile creare una connessione affidabile per particelle entangled che sono molto distanti. Anche nella fibra ottica più avanzata, attraverso la quale vengono trasmessi i fotoni, il segnale si attenua gradualmente e i requisiti per esso sono particolarmente elevati qui. Scienziati cinesi hanno persino calcolato che se crei fotoni entangled e li invii in due direzioni con spalle lunghe circa 600 km - metà della distanza dal centro della scienza quantistica a Dalinghe ai centri di Shenzhen e Lijiang - allora puoi aspettarti di catturare la coppia entangled in circa 30 mille anni. Lo spazio è un'altra cosa, nel profondo vuoto di cui i fotoni volano a tale distanza senza incontrare ostacoli. E poi il satellite sperimentale Mozi ("Mo-Tzu") entra in scena.
Sulla sonda è stata installata una sorgente (laser e cristallo non lineare), che ogni secondo ha prodotto diversi milioni di coppie di fotoni entangled. Da una distanza compresa tra 500 e 1700 km, alcuni di questi fotoni sono stati inviati all'osservatorio terrestre di Dalinghe in Tibet e il secondo a Shenzhen e Lijiang nel sud della Cina. Come ci si potrebbe aspettare, la principale perdita di particelle si è verificata negli strati inferiori dell'atmosfera, ma si tratta solo di circa 10 km del percorso di ciascun fascio di fotoni. Di conseguenza, il canale delle particelle impigliate copriva la distanza dal Tibet al sud del paese - circa 1200 km, e nel novembre di quest'anno è stata aperta una nuova linea, che collega la provincia di Anhui a est con la provincia centrale di Hubei. Finora il canale manca di affidabilità, ma è già questione di tecnologia.
Nel prossimo futuro, i cinesi stanno progettando di lanciare satelliti più avanzati per organizzare tali canali e promettono che presto vedremo una connessione quantistica funzionante tra Pechino e Bruxelles, infatti, da un capo all'altro del continente. Un altro paradosso "impossibile" della meccanica quantistica promette un altro salto tecnologico.
Sergey Vasiliev
