Світло від квазарів допомагає підтвердити квантову заплутаність

Чи можуть дві частинки, як би далеко одна від одної вони не перебували в просторі і часу бути пов'язані способом, що кидає виклик правилам класичної фізики?

Візьмімо, наприклад, дві частинки, що знаходяться на протилежних краях Всесвіту. Якщо вони дійсно заплутані, то згідно теорії квантової механіки їх фізичні властивості повинні бути пов'язані таким чином, щоб будь-який вимір, зроблений на одній частинці, миттєво передавав би інформацію про будь-яке майбутнє результаті вимірювання іншої частинки - кореляції, які Ейнштейн скептично розглядав як «моторошну дію на відстані».

У 1960-х роках фізик Джон Белл вирахував теоретичну межу, за якою такі кореляції повинні мати квантове, а не класичне пояснення.

Але що, якщо такі кореляції були результатом не квантової заплутаності, а якогось іншого прихованого, класичного пояснення? Такі «що-якщо» відомі фізикам як лазівки для тестів нерівності Белла, найбільш впертим з яких є лазівка «свободи вибору»: можливість того, що якась прихована класична змінна може вплинути на вимір, який експериментатор вибирає для виконання на заплутаній частці, що робить результат квантово-корельованим, хоча насправді це не так.

У лютому минулого року команда MIT і їхні колеги значно обмежили свободу вибору, використовуючи 600-річне зоряне світло, щоб визначити, які властивості двох заплутаних фотонів повинні вимірюватися. Їхній експеримент показав, що якщо класичний механізм викликав кореляції, які вони спостерігали, його довелося б приводити в рух понад 600 років тому, перш ніж світло зірок було вперше спущено і задовго до того, як реальний експеримент був навіть задуманий.

Тепер, у статті, опублікованій в Physical Review Letters, одна і та ж команда значно розширила випадок квантової заплутаності і ще більше обмежила варіанти лазівок свободи вибору. Дослідники використовували віддалені квазари, один з яких випромінював світло 7,8 мільярда років тому, а інший 12,2 мільярда років тому, щоб визначити вимірювання, які повинні бути зроблені на парах заплутаних фотонів. Вони знайшли кореляції серед більш ніж 30 000 пар фотонів, в тій мірі, яка набагато перевищувала межу, яка спочатку обчислювала Белл для класичного механізму.

"Якщо якась змова відбувається для імітації квантової механіки механізмом, який насправді є класичним, цей механізм мав би почати свою роботу - якимось чином точно знати, коли, де і як цей експеримент буде зроблений - принаймні 7,8 мільярда років тому. Це здається неймовірно неправдоподібним, тому у нас є дуже вагомі докази того, що квантова механіка - це правильне пояснення ", - говорить співавтор роботи Алан Гут, професор фізики в Массачусетському технологічному інституті.

«Землі близько 4,5 мільярдів років, тому будь-який альтернативний механізм, відмінний від квантової механіки, який міг би дати наші результати, використовуючи цю лазівку, мав би бути на місці задовго до того, як з'явилася планета Земля, не кажучи вже про MIT», - додає Девід Кайзер, професор фізики. «Таким чином, ми відсунули будь-які альтернативні пояснення на дуже ранню стадію космічної історії».

У 2014 році Кайзер і два члени нинішньої команди, Джейсон Галліккіо і Ендрю Фрідман, запропонували експеримент з виробництва заплутаних фотонів на Землі - процес, який є досить стандартним у дослідженнях квантової механіки. Вони планували фіксувати кожного члена заплутаної пари в протилежних напрямках, до детекторів світла, які будуть виробляти вимір кожного фотона за допомогою поляризатора.

Дослідники будуть вимірювати поляризацію або орієнтацію електричного поля кожного вхідного фотона, встановлюючи поляризатор під різними кутами і спостерігаючи, чи пройшли фотони - результат для кожного фотона, який дослідники можуть порівняти, щоб визначити, чи показали частинки кореляції, передбачені квантовою механікою.

Команда додала унікальний крок до пропонованого експерименту, який полягав у використанні світла від стародавніх, віддалених астрономічних джерел, таких як зірки і квазари, для визначення кута, під яким встановлюється кожен відповідний поляризатор.

Оскільки кожен заплутаний фотон знаходився в польоті, прямуючи до свого детектора зі швидкістю світла, дослідники використовували телескоп, розташований в кожному детекторі, для вимірювання довжини хвилі вхідного світла квазара. Якби це світло було червоне, ніж певна еталонна довжина хвилі, поляризатор нахилявся б під певним кутом, щоб зробити конкретний вимір вхідного заплутаного фотона - вибір вимірювання, який був визначений квазаром. Якби світло квазара було синішим, ніж еталонна довжина хвилі, поляризатор нахилявся б під іншим кутом, виконуючи інший вимір заплутаного фотона.

У своєму попередньому експерименті команда вчених використовувала невеликі телескопи для вимірювання світла від зірок на відстані 600 світлових років. У своєму новому дослідженні вони використовували набагато більш великі, більш потужні телескопи, щоб зловити вхідне світло з ще більш стародавніх, віддалених астрофізичних джерел: квазарів, світло яких подорожувало до землі, принаймні, 7,8 мільярда років - об'єкти, які неймовірно далекі і все ж настільки світяться, що їх світло можна спостерігати з Землі.

Дослідники провели два експерименти, кожен близько 15 хвилин і з двох різних пар квазарів. Для кожного запуску вони вимірювали 17 663 і 12 420 пар заплутаних фотонів відповідно. Протягом декількох годин після закриття куполів телескопа і перегляду попередніх даних команда могла сказати, що між парами фотонів були сильні кореляції, що перевищують межу, розраховану Беллом, що вказує на те, що фотони були корельовані квантово-механічним способом.

Вчені підрахували, що для кращого з двох експериментів ймовірність того, що механізм, заснований на класичній фізиці, міг би досягти спостережуваної кореляції, становила близько 10^-20, тобто близько однієї частини в сто мільярдів мільярдів. Для порівняння, дослідники оцінили ймовірність того, що відкриття бозона Хіггса було всього лише випадковістю, рівною приблизно одному мільярду.

«Ми, звичайно ж, зробили неймовірно неймовірним, що локальна реалістична теорія може бути основою фізики Всесвіту», - говорить Алан Гут.

І все ж, є ще невеликий простір для свободи вибору лазівки. Щоб ще більше обмежити його, команда вчених виношує ідеї про те, щоб подивитися ще далі в часі, використовувати такі джерела, як космічні мікрохвильові фонові фотони, які випромінювалися як залишкове випромінювання відразу після Великого вибуху, хоча такі експерименти вимагатимуть безліч нових технічних викликів.