Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - Николя Жизан

Но вернемся к нелинейным кристаллам и парам фотонов, которые они производят. Представьте, что нелинейный кристалл возбуждается зеленым фотоном с очень точно определенным значением энергии, то есть с очень низкой неопределимостью энергии. Этот фотон превращается в два инфракрасных фотона, каждый из которых обладает неопределимой энергией, но при этом сумма этих энергий в точности равна энергии первоначального зеленого фотона. Мы получаем два инфракрасных фотона, каждый с неопределимой энергией, но сумма этих двух энергий определена очень точно.

Таким образом, энергии двух фотонов коррелируют. Если мы измерим эти энергии и обнаружим, что у одного из них значение энергии выше среднего, то значение энергии у другого обязательно будет ниже среднего. Удивительное свойство нелокальности: энергия одного фотона, изначально неопределимая, может быть определена в результате измерения энергии другого фотона.

Но этого все еще недостаточно. Чтобы играть в игру Белла, мы должны иметь возможность выбора по меньшей мере из двух типов измерений – они будут соответствовать двум положениям джойстика. Так как мы очень точно знаем энергию исходного зеленого фотона, то, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, его возраст соответственно неопределим. А что мы можем сказать о паре инфракрасных фотонов? Поскольку их энергии неопределимы, их возраст мы можем определить довольно точно – в действительности даже более точно, чем возраст зеленого фотона.

Но может ли один из инфракрасных фотонов быть старше другого? Ответ: не может, ведь так могло получиться лишь в том случае, если бы этот фотон возник в кристалле раньше другого. Но если бы один из инфракрасных фотонов появился раньше другого, то это означало бы, что в короткий интервал времени между их появлениями не действовал закон сохранения энергии, а это невозможно. Два инфракрасных фотона должны появиться одновременно, ровно в тот момент, когда распался зеленый фотон. Так в какой именно момент появляются инфракрасные фотоны? Ответ таков: момент появления двух инфракрасных фотонов неопределим, так же как и возраст зеленого фотона.

Итак, два инфракрасных фотона имеют одинаковый возраст, но этот возраст неопределим. Если мы измерим возраст одного из них, мы получим истинно случайный результат. Но с этого момента возраст второго фотона становится определенным. Это и есть вторая квантовая корреляция, которая необходима, чтобы играть и выиграть[44].

Как только наши фотоны прибыли в места назначения – один в прибор Алисы, другой в прибор Боба, в идеальной ситуации их нужно сохранить в памяти. Разработки такой памяти, называемой квантовой, все еще ведутся в исследовательских лабораториях. В настоящее время эта технология не очень эффективна, и фотон хранится лишь крошечную долю секунды. Поэтому мы попросим Алису и Боба сделать выбор чуть раньше, чем прибудут фотоны. Таким образом, измерение произойдет мгновенно в момент прибытия. Положение джойстика определяет, что будет измерено – энергия или возраст (энергия или время, сказали бы ученые). В итоге каждый прибор покажет результат измерения. В принципе в приборах друзей могло бы храниться достаточное количество фотонов для игры, как она описана в главе 2 (и технология очень скоро даст такую возможность). Кристаллы в центре двух приборов – это и есть квантовые запоминающие устройства, которые способны хранить несколько сотен запутанных фотонов, как квантовые кристаллы памяти, которые мы сейчас разрабатываем в Женеве (однако продолжительность хранения и эффективность необходимо будет значительно увеличить).

Запутанность квантовых битов

Мы только что узнали, как «изготовить» два инфракрасных фотона, которые запутаны по энергии и по возрасту. Измеряя энергию или возраст этих двух фотонов, мы получаем идеально коррелирующие результаты. С помощью джойстиков Алиса и Боб выбирают, какое измерение выполняет прибор – энергии или возраста фотонов, но и этого пока недостаточно, чтобы начать играть. Причина в том, что в игре Белла результаты должны быть представлены в двоичном виде, а измерение энергии и возраста дает числовые результаты из широкого диапазона возможных значений (теоретически их бесконечно много). Поэтому нам придется, если можно так сказать, дискретизировать запутанность.

Начнем с того, что заменим лазер, который непрерывно светит на нелинейный кристалл, другим лазером, который выдает короткие импульсы света. Затем, используя полупрозрачные зеркала (физики называют такое устройство светоделителем), мы можем разделить этот импульс на два, задержать один из двух полуимпульсов и вновь свести их, как показано на рис. 6.2. Таким образом, на кристалл направляется серия из двух полуимпульсов. Это все тот же нелинейный кристалл, который используется для производства пар фотонов. В какой же момент будут образовываться эти фотонные пары? Каждый зеленый фотон, испущенный лазером, разделяется надвое, одна половина искусственно задерживается, и результат отправляется в кристалл. Таким образом, в нелинейном кристалле каждый зеленый фотон может быть превращен в два инфракрасных фотона в два разных момента времени. Если мы детектируем один инфракрасный фотон, то мы можем обнаружить его в два разных момента времени – вовремя или с задержкой. Тогда другой инфракрасный фотон обязательно будет обнаружен в это же время, другими словами, у него будет тот же самый возраст. Вот так мы получаем двоичный результат для измерения возраста инфракрасных фотонов. (Важно понимать, что это не означает, что зеленый фотон иногда приходит вовремя, а иногда запаздывает. Он всегда приходит и вовремя, и с опозданием, в суперпозиции этих состояний, говоря физическим языком. Его облако потенциальных возрастов имеет два пика, один соответствует варианту «вовремя», а другой – «с задержкой». Каждая пара инфракрасных фотонов, порожденных зеленым фотоном, также одновременно находится в двух состояниях – «вовремя» и «с задержкой», но эти два фотона всегда имеют один и тот же возраст.)

Для второго необходимого для игры измерения – измерения энергии фотона – потребуется интерферометр. Здесь важно понять, что мы можем дискретизировать и измерение энергии[45], а значит, играть и выиграть в игру Белла.

Эксперимент Берне – Белльвю

Мы провели вышеописанный эксперимент в Женеве в 1997 г. Это был первый случай, когда игру Белла устроили за пределами одной физической лаборатории. У меня был солидный опыт в области телекоммуникации, и в частности в оптоволоконных технологиях – в начале 1980-х я поучаствовал в их внедрении в Швейцарии. Главная техническая трудность заключалась в последовательном обнаружении фотонов с длиной волны, совместимой с характеристиками оптоволокна. В то время таких детекторов просто не существовало. Во время первых прогонов эксперимента нам приходилось погружать некоторые диоды в жидкий азот, чтобы они сохраняли низкую температуру. И совсем другого характера проблемой был доступ к оптоволоконной сети национального оператора Swisscom. К счастью, благодаря моей прежней работе в этой области у меня сохранились прекрасные связи.

Кристалл, являвшийся источником запутанности, и все сопутствующее оборудование мы привезли и смонтировали в телекоммуникационном центре возле железнодорожной станции в Корнавене. Отсюда один непрерывный оптоволоконный кабель шел в деревню Белльвю к северу от Женевы, а второй – в деревню Берне к югу от Женевы, более чем в 10 км по прямой от Белльвю. В каждой деревне в их маленьких телекоммуникационных центрах мы сумели установить наши интерферометры и фотонные детекторы (вместе с жидким азотом!). Попасть в эти помещения было непросто, даже имея ключ. В течение одной минуты после открытия двери необходимо было позвонить на пульт охранной сигнализации по специальному интерфону и сказать пароль. Потом нужно было спуститься на четыре этажа вниз в подвал, куда сходились все оптоволоконные кабели из окружающих районов. Учитывая, что воспользоваться там мобильным телефоном было невозможно, предлагаю читателю подумать над этой логистической задачей!

Итак, эксперимент начался. Мы были совершенно уверены, что выиграем в игру Белла, но нас ждало три сюрприза. Первый состоял в том, что, когда солнце поднималось над горизонтом, кабель, уходящий на юг, становился значительно длиннее, чем второй, хотя они оставались почти одинаковой длины. Была такая версия, что этот кабель проходил через мост, а значит, был зарыт на меньшей глубине и подвергался большим вариациям температуры. Так возникла сложная проблема синхронизации, но через несколько бессонных ночей мы нашли решение. Второй сюрприз был приятным. Миссис Мэри Белл, вдова Джона Белла, приехала посмотреть на наши старания. Наконец, уже после публикации результатов эксперимента[46] нам был преподнесен третий сюрприз в виде разворота в New York Times, визита группы BBC для съемки происходящего и признание его одним из экспериментальных прорывов 1990-х по версии Американского физического общества.