Свързаха фотони, разделени във времето и пространството

Терминът „квантово заплитане” е въведен още от Ервин Шрьодингер през 1935 г. за обозначаването на явления, при които състоянията на частиците се оказват взаимосвързани независимо от разстоянията, които ги разделят. По същина това явление е само доказателство за парадоксалността на квантовата механика, но съвременната физика вече може да създаде съвкупност от частици, които имат квантова връзка.

Независимо че това явление се описва от теорията на квантовата механика и се доказва експериментално, много учени се отнасят скептично към него. Този разкол в научния свят съществува още от момента на спора между Алберт Айнщайн и Нилс Бор. Айнщайн твърдял, че квантовото заплитане е прекалено абсурдна идея и няма нищо общо с реалността и наблюденията. Той го наричал „призрачно взаимодействие” (spooky action), тъй като дадената теория била в разрез с твърденията му за непреодолимостта на скоростта на светлината.

Сега учени от Израел са доказали експериментално, че е възможно да създадат двойки фотони с квантова връзка, дори ако те не съществуват в едно и също време. Тоест към удивителния факт, че подобна връзка работи дори на голямо разстояние, се прибавя още и времевото разделение. Получава се, че взаимовръзката между две частици е толкова силна, че тях може да ги разделят и времето, и пространството, а квантовата връзка продължава да действа.

Светлинният квант, наричан още фотон (който едновременно представлява и частица, и вълна), може да бъде поляризиран и да приема две състояния – вертикална и хоризонтална поляризация. Заплитането възниква, ако е налична двойка фотони, всеки от които може да бъде или хоризонтално, или вертикално поляризиран. Квантовата им връзка се проявява по следния начин: ако измерим състоянието на единия фотон, то може с увереност да кажем, че състоянието на другия от двойката ще бъде противоположно. Тоест, ако частицата, чиито свойства можем да регистрираме, е поляризирана вертикално, то частицата от нейната двойка, намираща се дори на другия край на Вселената, ще бъде поляризирана хоризонтално, и обратното.

Специалистът по квантова оптика Ели Мегидиш и колегата му Хагай Айзенберг от Еврейския университет в Йерусалим са създали квантова връзка между два фотона, които не са съществували едновременно.

Те започнали със схема, известна като „обмен на заплитане” (entanglement swapping). За тази цел учените два пъти насочвали лазерен лъч към специален кристал, за да получат две двойки фотони. Получените частици били обозначени с цифри: двойка 1 и 2 и двойка 3 и 4. Първоначално частиците 1 и 4 нямали квантова връзка, но тя трябвало да се прояви, когато учените установели заплитане между фотони 2 и 3.

„Проекционното измерване” на свойствата на една от частиците предизвиква поява на определено нейно състояние, а също изменение на състоянието на частицата от двойката в противоположното, както в случая с вертикалната и хоризонталната поляризация. По такъв начин, дори фотони 2 и 3 да не са били първоначално заплетени, по пътя на измерванията физиците придали на единия от тях едно от двете състояния, а на другия – противоположното.

Всяко измерване предизвиква заплитане на фотоните, дори ако при това настъпва разрушението на единия от тях. И така, ако разглеждаме само случая, при който частици 2 и 3 се оказват в едно и също състояние, то фотони 1 и 4 автоматично се оказват заплетени след измерването. За най-добро разбиране може да се приведе прост пример: ако имате верига от четири звена, то при съединяването на крайните звена средните също се оказват свързани.

За да създадат квантова заплетеност между фотони 1 и 4, които дори не са съществували в един и същи момент, Айзенберг и колегите му за начало заплели фотоните от двойката 1 и 2, а след това измерили поляризацията на фотон 1 по обичайния начин. После физиците „свързали” частици 3 и 4 и произвели „проекционно измерване”. На последния етап изследователите измерили поляризацията на фотон 4. И дори при условие че фотони 1 и 4 никога не са съществували едновременно, квантовото заплитане така или иначе се проявявало между тях, съобщават учените в статия в сайта arXiv.org.

Айзенберг твърди, че дори в условията на теорията на относителността, където двама наблюдатели, движещи се с различна скорост, по различен начин възприемат последователността на събитията във времето, нито един от тях няма да каже, че частици 1 и 4 от експеримента някога са съществували заедно.

„Нашият експеримент показва, че не е съвсем логично да се смята квантовото заплитане за реално физическо явление. Тъй като двата фотона никога не са съществували едновременно, е невъзможно да се твърди, че между тях съществува връзка в някакъв момент от времето”, разказва Айзенберг.

Физикът от Виенския университет Антон Цайлингер смята, че експериментът на израелските му колеги за пореден път доказва като неустойчива концепцията на квантовата механика. „Квантовите ефекти имат малко общо с това, което наблюдаваме в реалния живот всеки ден”, казва той.

И все пак прогресът в областта на квантовата механика може коренно да промени обичайния ни живот. Например въз основа на изследванията на Айзенберг и колегите му може да се създаде неразривна скрита връзка между двама ползватели, намиращи се на голямо разстояние един от друг. Ползвателят на другия край не е необходимо да чака, докато се предаде информацията – изменението в състоянието на противоположния фотон мигновено ще доведе до изменение и във втория.

Цайлингер се надява също, че такива експерименти ще вдъхновят създателите на квантови компютри за усъвършенстване на технологията.