Людський досвід і знання в галузі класичної фізики змушують більшість з нас думати, що віддалені об'єкти не можуть миттєво вплинути один на одного. Однак в квантовій механіці такі взаємодії допустимі. Те, що одна квантова частка теоретично може в одну мить змінити властивості іншої частинки, розташованої на відстані кількох світлових років, моторошно дратувало Альберта Ейнштейна. Адже це повністю суперечить нашим уявленням про світ і змушує припускати, що якісь невідомі сили можуть випереджати швидкість світла. Але, схоже, новий експеримент голландських фізиків остаточно змусить вчених переглянути свої погляди.
Пояснимо. У квантовій механіці об'єкти можуть одночасно існувати в декількох станах. Наприклад, атом може в один і той же момент часу знаходиться в двох точках простору або мати два протилежних спина . При цьому, відповідно до теорії, властивості частинок фіксуються (набувають єдине значення) лише в той момент, коли їх намагаються виміряти, а до цього існують в невизначеною області ймовірностей. Крім того, властивості різних квантових частинок можуть бути "Заплутаними" , Тобто пов'язаними між собою. Якщо в такій системі поміняти стан одного об'єкта, це автоматично призведе до змін у всіх його заплутаних "близнюків", навіть якщо вони знаходяться дуже далеко (і їх дуже багато ).
Ейнштейн не міг прийняти таке положення справ, так як це означало б, що якийсь сигнал може рухатися швидше за швидкість світла. Великий фізик назвав це явище "моторошним дальнодействием" і, щоб якось пояснити його в рамках класичної фізики, припустив, що квантові частинки мають невідомими науці власними "прихованими параметрами", які наділяють їх встановленим алгоритмом зміни властивостей. Поки такі частинки здатні фізично взаємодіяти один з одним, вимір властивостей однієї з них викликає закладене сценарієм відповідну зміну у всіх інших.
У 1960 році ірландський фізик Джон Белл ( John Bell ) Показав, що правота однієї з двох теорій може бути встановлена експериментальним шляхом при статистичному вимірі властивостей заплутаних часток за допомогою двох нерівностей . Він розрахував, що якщо властивості заплутаних часток зумовлені "прихованими параметрами" в момент їх появи, спрацює одне нерівність.
Якщо ж стану двох частинок за принципом "моторошного дальнодействия" визначаються лише в момент вимірювання однієї з них, має виконуватися інше нерівність. За допомогою формул Белл розрахував, що варіант, запропонований Ейнштейном, може пояснювати синхронне зміна властивостей за рахунок невідомих характеристик самих об'єктів тільки до певної межі, після подолання якого, модель перестає діяти.
Вперше тест Белла був виконаний командою французьких фізиків в 1981 році і з тих пір неодноразово повторювався в різних наукових центрах по всьому світу. І незважаючи на те, що всі експерименти доводили наявність "моторошного дальнодействия", кожен раз залишалися лазівки, які не дозволяли повністю списати з рахунків теорію "прихованих параметрів".
Так, якщо в якості заплутаних часток використовувалися фотони, то далеко не всі з них вдавалося виявити (часом майже 80% з них), а значить, не можна говорити напевно, що виміряні властивості були такими ж для всієї вибірки. Це так звана "лазівка детектування".
Щоб уникнути цієї неточності в окремих експериментах задіяли цілі атоми, так як вони більше і їх легше детектувати. Але їх дуже складно видалити один від одного на велику відстань, не зруйнувавши заплутаність. В цьому випадку виникає інша проблема: якщо заплутані атоми розташовані близько один до одного, то вимір стану одного атома, що викликає зміна властивостей іншого, може і не порушувати обмеження, накладене швидкістю світла (це "лазівка комунікації").
У новому дослідженні Рональд Хенсон ( Ronald Hanson ) З Делфтського технологічного університету і його колеги використовували незвичайний метод, який дозволили вирішити як проблему недостатності вимірювань, так і проблему комунікації (тобто прикрити обидві "лазівки").
Вчені взяли два незапутанних електрона, ув'язнених в алмази і зберігаються в різних лабораторіях на відстані 1,3 кілометра один від одного.
При цьому фізики могли постійно спостерігати їх спин за допомогою детекторів. Потім кожен електрон заплутали з фотоном світла. Два отриманих фотона поміщали поруч в третьому окремому приміщенні, де пара заплутувалася між собою. В результаті цього процесу вихідні електрони також виявлялися заплутаними один з одним і практично на очах дослідників синхронізували свій спін.
Таким чином, обидві лазівки попередніх робіт виявилися закритими: електрони було легко спостерігати, а нестандартний підхід дозволив рознести частки на досить велику відстань, щоб виключити можливість їх фізичного взаємодії. Кожна зміна спина тривало 3,7 мікросекунди, в той час як світло долав шлях від одного електрона до іншого за 4,27 мікросекунди.
Успіх супроводжував ученим не завжди, але все ж за дев'ять днів експерименту їм вдалося отримати 245 заплутаних пар електронів. Вчені сподіваються, що в майбутніх роботах вони знайдуть спосіб частіше отримувати заплутані пари і підвищать точність вимірювання.
Нове повторення тесту Белла має велике значення для квантової криптографії. Уже сьогодні на ринку пропонуються системи, що використовують квантову механіку для шифрування даних. Такі пристрої створюють заплутані пари фотонів і посилають по одному фотону з кожної пари двом користувачам, які складають з них ключ. Якщо хтось спробує перехопити цей шифр, він порушить всю квантову систему і відразу викличе появу сигналу тривоги.
Проблема в тому, що попередні експерименти залишали ймовірність того, що, якщо властивості заплутаних об'єктів все-таки спочатку закладені в їх природу, недобросовісні компанії можуть продавати пристрої, за допомогою яких самі зможуть отримувати дублікат шифру і шпигувати за користувачами. Тепер робота Хенсона і його колег показує, що подібні системи забезпечують абсолютно надійне зберігання інформації.
Докладні результати дослідження поки не були опубліковані в рецензованому науковому журналі, але доступні для прочитання на сайті препринтів .
