Квантова сплутаність — квантовомеханічне явище, при якому квантовий стан двох або більшої кількості об'єктів повинен описуватися у взаємозв'язку один з одним, навіть якщо окремі об'єкти рознесені в просторі. Внаслідок цього виникають кореляції між спостережуваними фізичними властивостями об'єктів. Наприклад, гіпотетично можна так приготувати дві частинки в єдиному квантовому стані, що коли одна частинка спостерігається в стані зі спіном, спрямованим вгору, то спін іншої виявляється спрямованим вниз, і навпаки, і це попри те, що за принципами квантової механіки, передбачити, яка частинка фактично рухатиметься в заданому напрямку, неможливо. Іншими словами, створюється враження, що вимірювання над однією системою миттєво впливають на систему, сплутану з нею. Однак те, що розуміється під інформацією в класичному сенсі, все-таки не може бути передано через заплутаність швидше, ніж зі швидкістю світла.
Загальна характеристика Сенс слова «сплутаність» полягає у збереженні зв'язку навіть після складної історії руху квантової частинки. Тож за наявності зв'язку між двома частинками в клубку фізичної системи, «смикнувши» одну частинку, можна визначити стан іншої.
Квантова сплутаність є основою таких майбутніх технологій, як квантовий комп'ютер і квантова криптографія, а також вона була використана в дослідах з квантової телепортації. У теоретичному й філософському плані це явище є одним із найбільш революційних властивостей квантової теорії, оскільки очевидно, що передбачені квантовою механікою кореляції абсолютно несумісні з уявленнями про, здавалося б, очевидну локальність реального світу, за якої інформація про стан системи може пересилатися лише через її найближче оточення. Різні погляди на те, що насправді відбувається під час процесу квантовомеханічного сплутування, ведуть до різних інтерпретацій квантової механіки.
Теорія Принципи квантової механіки стверджують, що однакові квантові частинки неможливо жодним чином розрізнити чи навіть індексувати. Ці принципи вимагають від хвильових функцій квантовомеханічних систем повної симетричності або антисиметричності щодо перестановки частинок. Крім того, в квантовій механіці справедливий принцип суперпозиції: існування станів із невизначеними характеристиками. Спільна дія цих двох принципів призводить до сплутування квантових станів.
Розглянемо систему з двох квантових часток, одна з яких має властивість M, інша властивість N. Використовуючи бра-кет нотацію можна записати стани цих двох частинок як і . При розгляді системи з цих двох частинок принцип нерозрізнюваності вимагає неможливості визначення того, яка саме частинка має ту чи іншу властивість. Як наслідок, можливе існування двох станів: симетричного й антисиметричного
Такі стани називаються сплутаними. Як наслідок, при вимірюванні стану однієї з частинок експериментатор може отримати з однаковою ймовірністю або властивість M, або властивість N. Однак, вимірявши стан однієї частинки й отримавши M, спостерігач точно знатиме, що друга частинка має властивість N і навпаки. Можна уявити собі експеримент, коли дві частинки розбігаються на значну віддаль: світлові роки одна від одної. До вимірювання стан обох частинок невизначений: при вимірюванні можна отримати як властивість M, так і властивість N. Однак, провівши вимірювання стану однієї з частинок і отримавши певне значення, експериментатор миттєво впливає на те значення, яке можна отримати при вимірюванні іншої, дуже далекої частинки.
Така можливість миттєвого впливу на стан віддаленої частинки викликала гострі заперечення у частини фізиків, зокрема у Ейнштейна. Детальний аналіз ситуації, проте, показує, що пересилання інформації зі швидкістю більшою за швидкість світла в таких системах неможливе, тобто принцип причинності не порушується.
Історія
У 1935 році Ейнштейн, Подольський і Розен сформулювали знаменитий парадокс Ейнштейна — Подольського — Розена, який показав, що через заплутаність квантова механіка стає засобом миттєвого обміну повідомленнями. Відомо, як Ейнштейн висміював заплутаність, називаючи її «страховидною дією на відстані» (spooky action at distance). Природно нелокальність заплутаності суперечила постулату теорії відносності про граничну швидкість пересилання сигналу (швидкість світла).
З іншого боку, квантова механіка чудово зарекомендувалася в передбаченні експериментальних результатів. Фактично спостерігалися навіть сильні кореляції, що відбуваються завдяки феномену заплутування. Є спосіб, який дозволяє, здавалося б, успішно пояснити квантове заплутування — підхід теорії прихованих параметрів, при якому за кореляції відповідають цілком визначені, але невідомі мікроскопічні параметри. Проте, в 1964 році Джон Стюарт Белл сформулював теорему, яка дозволяє розрізнити результати, передбачені квантовою механікою, та результати, які передбачаються широким класом теорій з локальними прихованими параметрами. Результати експериментальних перевірок надали підтвердження квантової механіки. Існують заперечення, що в цих експериментах є ряд вузьких місць, але загальновизнано, що вони несуттєві.
Заплутування призводить до цікавих взаємин з принципом відносності, який стверджує, що інформація не може переноситися з місця на місце швидше, ніж швидкістю світла. Хоча дві системи можуть бути розділені великою відстанню і бути при цьому заплутаними, передати через зв'язок між ними корисну інформацію неможливо, тому через заплутаність причинність не порушується. Це відбувається з двох причин: Результати вимірювань у квантовій механіці мають принципово ймовірнісний характер; Теорема про клонування квантового стану забороняє статистичну перевірку заплутаних станів. Клаус Шультен, вивчаючи реакції переносу електронів у фотосинтезі (швидкими триплетами, збудженими станами молекул з парою електронів з паралельними спінами), показав, що магнітні поля можуть впливати на біологічно відповідні реакції (в тому числі магніторецепцію — навігацію птахів у магнітному полі Землі).
Отримання заплутаних квантових станів Генерація заплутаних фотонів в результаті спонтанного параметричного розсіяння (СПР) лазерного потоку в нелінійному кристалі.
У найпростішому випадку джерелом S потоків заплутаних фотонів слугує певний нелінійний матеріал, на який спрямовується лазерний потік певної частоти та інтенсивності (схема з одним емітером). У результаті спонтанного параметричного розсіювання (СПР) на виході виходять два конуси поляризації H та V, що несуть пари фотонів у заплутаному квантовому стані (біфотони).
При СПР II типу під впливом поляризованого лазерного випромінювання накачування в кристалі бета-борату барію спонтанно народжуються біфотони, сума частот яких дорівнює частоті випромінювання накачування:
,
а поляризації ортогональні в базисі, який визначається орієнтацією кристала. Завдяки подвійному променезаломлюванню, при певних умовах фотони мають одну частоту і випромінюються уздовж двох конусів, які не мають загальної осі. При цьому в одному конусі поляризація вертикальна, а в другому — горизонтальна (стосовно орієнтації кристала і поляризації випромінювання накачування). При СПР для хвильових векторів також справедливо
тому, якщо забирати один фотон біфотонної пари з однієї лінії перетину конусів, то другий фотон завжди можна забрати з другої лінії перетину.
У кристалі фотони різних поляризацій поширюються з різною швидкістю, тому в реальній експериментальній установці кожен пучок додатково пропускається через такий же кристал половинної товщини, повернутий на 90°. Крім того, для нівелювання поляризаційних ефектів, в одному з пучків вертикальна і горизонтальна поляризації міняються місцями за допомогою комбінації півхвильової і чвертьхвильової пластинок. Створювані в результаті СПР члени біфотонної пари можна позначити індексами 1 і 2, при цьому: Кожен фотон з рівною ймовірністю може знаходитися в одному з двох станів поляризації або поляризації фотонів ортогональні, Кожен фотон з рівною ймовірністю може потрапити в пучок m або n — це ми назвемо просторовим станом фотона — мода m і мода n. Множник, що описує стан поляризації, є одним з чотирьох беллових максимально заплутаних станів: кожен фотон з рівною ймовірністю може потрапити в пучок m або n — це ми назвемо просторовим станом фотона — мода та мода .
За аналогією з двощілинним експериментом два можливих варіанти вимірювання поляризації (після повороту в одному з пучків поляризації однакові) можна описати суперпозицією добутків та , а можливі варіанти вимірювання просторових мод та .
Оскільки стан поляризації і просторові моди незалежні, то загальна хвильова функція набуває вигляду:
.
Фотони є бозонами, тому хвильова функція пари фотонів повинна бути симетричною щодо перестановки індексів. У результаті симетризації отримуємо:
.
Орієнтацією компенсаційних кристалів фазовий множник можна привести до 1. і остаточний вигляд хвильової функції біфотона дорівнює:
.
Множник, що описує стан поляризації, є одним з чотирьох беллових максимально заплутаних станів:
.
Вибір конкретного матеріалу залежить від постановки експерименту, використаної частоти і потужності. У таблиці нижче наводяться лише деякі часто використовувані неорганічні нелінійні кристали з регулярною доменною структурою. РечовинаФормулаАбревіатураβ-BaB2O4BBOтриборат літіюLiB3O5LBOтитаніл фосфат каліюKTiOPO4KTPниобат каліюKNbO3—
Цікавим і порівняно молодим напрямком стали нелінійні кристали на органічній основі. Передбачалося, що органічні складові живих організмів повинні характеризуватися сильними нелінійними властивостями завдяки позиції орбіталей у π-зв'язку. Ці припущення підтвердилися, і кілька гуртів дослідників отримали високоякісні нелінійні кристали шляхом дегідратації насичених розчинів амінокислот. Деякі з цих кристалів:
РечовинаФормулаАбревіатураL-аргінін малеїн дигідратС6Н14N4O2 + C4H4O4LAMD2-L-метіонін малеїн дигідратC5H11NO2S + C4H4O4LMMM
LMMM з таблиці отримується кристалізацією суміші в пропорції два до одного L-метіоніну (метаболічний засіб) і малеїнової кислоти (харчова промисловість), тобто з промислових речовин. При цьому ефективність правильно вирощеного кристала становить 90 % від дорожчого і важкодоступного неорганічного KTP.
Застосування
«Надсвітловий комунікатор» Герберта Всього через рік після експерименту Аспе, в 1982 році, американський фізик запропонував журналу «Foundations of Physics» статтю з ідеєю свого «надсвітлового комунікатора» на основі нового типу квантових вимірювань FLASH (First Laser-Amplified Superluminal Hookup). Як пізніше розповідав Ашер Перес, що був тоді одним з рецензентів журналу, помилковість ідеї була очевидною, але, на свій подив, він не знайшов конкретної фізичної теореми, на яку міг би коротко послатися. Тому він наполіг на публікації статті, оскільки це «пробудить помітний інтерес, а знаходження помилки призведе до помітного прогресу в нашому розумінні фізики». Стаття була надрукована, і в результаті дискусії Вуттерс, Зурек та Дікс сформулювали й довели теорему про заборону клонування. Так Перес викладає історію в статті, опублікованій через 20 років після описуваних подій.
Теорема про заборону клонування стверджує неможливість створення ідеальної копії довільного невідомого квантового стану. Дуже спрощуючи ситуацію, можна навести приклад із клонуванням живих істот. Можна створити ідеальну генетичну копію вівці, але не можна «клонувати» життя і долю прототипу.
Вчені зазвичай скептично ставляться до проєктів зі словом «надсвітловий» у назві. До цього додався неортодоксальний науковий шлях самого Герберта. У 1970-х він разом з приятелем з Xerox PARC сконструював «метафазову друкарську машинку» для «комунікації з безтілесними духами» (результати інтенсивних експериментів були визнані учасниками непереконливими). А в 1985 Герберт написав книгу про метафізику в фізиці. Загалом, події 1982 року досить сильно скомпрометували ідеї квантової комунікації в очах потенційних дослідників, і до кінця XX століття істотного прогресу в цьому напрямку не спостерігалося.
Квантова комунікація