Это – одно из самых странных понятий в уже странной области квантовой физики: Измерение условия или состояния квантовой частицы как электрон может немедленно изменить государство другого электрона — даже если это – световые годы далеко. Та идея раздражала подобных Альберту Эйнштейну, поскольку она предполагает, что что-то может путешествовать быстрее, чем свет и что действительность так или иначе определяется измерениями, которые мы делаем. Но теперь, бригада экспериментаторов говорит, что она решила исход дела для этого понятия, запечатав лазейки на предыдущих демонстрациях.
«Это – абсолютная знаменательная статья по квантовой физике», говорят Говард Вайзман, физик в Университете Гриффита, Натан, в Австралии, кто не был вовлечен в работу. «Больше не может быть никакого обоснованного сомнения, что материальный мир глубоко отличается от наших повседневных интуиций». Кристофер Ферри, физик в университете Сиднея в Австралии, отмечает, что для многих физиков, проблема была улажена давно. «Получите голоса любых физиков моего поколения или позже и их будет полностью не беспокоить [оно]», говорит он.
Реальная трансгрессия, он говорит, находится в открытии пути к ультрабезопасным квантовым коммуникационным технологиям.Эксперимент выполнялся Рональдом Хэнсоном, физиком в Дельфтском Технологическом университете в Нидерландах и коллегах. Хэнсон отказался обсуждать бумагу, отправленную по почте на сервере arXiv перед печатью, поскольку это рассматривается в нераскрытом журнале.
Эксперимент включает понятие, названное запутанностью. Рассмотрите электрон.
Как вершина, это может прясть в одном направлении или другом (вниз). Причудливо, в квантовой теории говорится, что электрон может также прясть одинаково оба пути сразу — несмотря на то, что при измерении его квантовое состояние «разрушится» так, чтобы Вы нашли электрон, прядущий или или вниз с равной вероятностью. То, как такое измерение сделано, важно.
Согласно квантовой теории, Вы не можете просто прочитать вращение непосредственно; Вы должны использовать анализатор, который может быть установлен, немного как диски, к определенной ориентации, чтобы видеть, прядет ли электрон тот путь или противоположный путь. В случае и-путей вращение, устанавливая анализатор вертикально принуждает электрон разрушаться в результат 50-50.Еще более странный, два электрона могут быть запутаны так, вращение каждого электрона является абсолютно неуверенным, но два вращения полностью захватываются вместе и коррелируются. Предположим тогда, что Элис и Боб разделяют два запутанных электрона, и каждому установили анализатор вертикально.
Если Элис измеряет свой электрон и находит его прядущий, она знает немедленно, что Боб прядет вниз, даже если он – галактика далеко. То «жуткое действие на расстоянии» беспокоило Эйнштейна, поскольку оно предлагает квантовую волну, описывающую крах электронов в быстрее, чем скорость света.
Это также предполагает, что «действительность» спинового состояния электрона — что узнаваемо об этом — не определяется, пока электрон не измеряется и квантовый крах волны.Эйнштейн счел эту идею горькой. Он утверждал вместо этого, что квантовая механика была неполной — по существу, что «скрытые переменные», закодированные в каждом электроне, но вне объема теории, определяют результаты измерений Боба.
То понятие устраняет более быстрый, чем свет крах, потому что определяющий фактор путешествует вместе с электроном Боба. Это также совпадает с понятием, что измерения показывают некоторый аспект мира, существующего независимо от них — так же, как мы предполагаем, что цвет теннисного шара существует, прежде чем мы посмотрим на него.
Однако в 1964 британский теоретик Джон Белл нашел способ проверить различие между разрушающимися квантовыми волнами и скрытыми переменными. Согласно квантовой теории, если Элис и Боб наклоняют их анализаторы к различным углам, они больше не должны видеть совершенные корреляции в своих измерениях.
Например, предположите, что Элис сохраняет свой анализатор вертикальным, и Боб наклоняет его на 45 °. Затем если Элис находит свое электронное вращение, шанс, что Боб найдет, его электрон, прядущий вниз — определенный в его новой ориентации — составляет только 71%. Белл предположил, что Элис и Боб неоднократно изменяли ориентации их анализаторов.
Он доказал математически, что скрытые переменные произведут корреляции, более слабые, чем определенный предел — разъясненный в формуле, названной неравенством Белла. Разрушающиеся квантовые волны могли привести к более сильным корреляциям.
Формула предложила лакмусовое испытание на определение, были ли скрытые переменные действительно там.Звонок также объяснил, что более быстрый, чем свет крах волн не обязательно нарушит запрет относительности на более быстрое, чем свет путешествие. Поскольку Элис не может управлять результатами своих измерений, она не может использовать их для отправки информации о Бобе быстрее, чем свет. Она и Боб могут просто подтвердить корреляции после факта.
Это – теперь стандартная интерпретация относительности.В 1970-х экспериментаторы начали проводить измерения, разработанные, чтобы видеть, держится ли неравенство Белла. Они последовательно считали корреляции более сильными, чем скрытые переменные позволяют. Те результаты обычно убеждали физиков, что Эйнштейн был неправ.
Или квантовые волны должны действительно разрушиться быстрее, чем свет, или результаты измерений не могли быть предопределены скрытыми переменными: Пока электрон, прядущий оба пути, не измеряется, он буквально прядет оба пути.Однако выполнение воздухонепроницаемого испытания теоремы Белла хитро, и в последние годы физики беспокоились о «лазейках», которые позволили бы некоторому результату кроме мгновенного краха квантовых волн искажать результаты. Теперь, Хэнсон и 18 коллег утверждают, что сделали первое испытание без лазеек теоремы Белла.
Для испытания идеи Белла физики должны удостовериться, что никакое влияние кроме того из измерений не может путешествовать между электронами во время, которое требуется для выполнения измерений. Это – высокий заказ как легкие путешествия 299 792 километра в секунду.
Хэнсон и коллеги разделили две станции их электронами на 1,28 километра в Дельфтском кампусе. Это дало им 4,27 микросекунды для выполнения обоих измерений, прежде чем сигнал скорости света от одной станции мог достигнуть другого.
Исследователи все еще должны были запутать отдаленные электроны. Чтобы сделать это, они сначала запутали каждый электрон вращения с государством фотона, что они тогда послали вниз оптоволокно в третью станцию между другими двумя. Только если эти два фотона прибыли одновременно и вмешались друг в друга просто правильным способом, будет электроны становиться запутанными, посредством процесса, названного обменом запутанности. Меньше чем один из 150 миллионов пар фотона зарегистрировал правильный сигнал вмешательства.
Однако, исследователи могли начать измерения на электронах перед встреченными фотонами и пройти данные позже для нахождения работавших испытаний. В предварительной печати, они отчет 245 успешные испытания через 22 часа взятия данных.Наконец, физики должны закрыть лазейку, открывающуюся, если они не могут надежно прочитать государство электронов. Такое неудавшееся измерение могло затенить истинные корреляции между вращениями электронов.
Для преодоления этого бригада Хэнсона использовала отдельные электроны, заманенные в ловушку в дефектах атомного размера в алмазах, охлажденных к близкому абсолютному нулю. В дефектах электроны легко поддерживают свои тонкие спиновые состояния и могут управляться с микроволновыми печами и светом.
Физики измерили вращение каждого электрона с большим, чем 95%-я эффективность.С обеими лазейками, прибитыми закрытый, исследователи видят четкое нарушение неравенства Белла — торпедирование скрытой переменной Эйнштейна и доказывание разрушающихся квантовых волн. «Единственное значительное беспокойство, которое можно было иметь об этой бумаге, является маленьким набором данных, что означает, что результат как, конечно, не устанавливается, как можно было бы идеально хотеть», говорит Вайзман. «Но я уверен, что это будет скоро исправлено».Всегда возможно выдумать еще более дикие лазейки, говорит Ферри. Но эксперимент закрывает тех, которые могли бы использоваться для нападения на определенные квантовые технологии развития, такие как схемы использовать запутанные частицы для безопасного распределения ключей для кодирования секретных сообщений в так называемом «устройстве независимые квантовые распределения ключа». «Это – огромный технический этап», говорит Ферри, «и предпосылка для многих будущих квантовых технологий, которые, несомненно, позволят исследование и возможное понимание новой физики».
*Исправление, 30 августа, 9:47 a.m: история была изменена для исправления математической ошибки в объяснении аргумента Белла.