Джон Клаузер, випускник Калтеха, зумів експериментально довести квантову заплутаність.У 1930-х роках, коли вчені, включно з Альбертом Ейнштейном та Ервіном Шредінгером, уперше виявили явище квантової заплутаності, вони були спантеличені.
Заплутаність, як виявилося, вимагає, щоб дві розділені частинки залишалися пов'язаними, не перебуваючи в безпосередньому контакті між собою. Альберт Ейнштейн назвав це явище "моторошною дією на відстані", оскільки здавалося, що частинки спілкуються швидше за швидкість світла.
Щоб пояснити дивні наслідки заплутаності, Ейнштейн спільно з Борисом Подольським і Натаном Розеном розробили методологічний підхід, згідно з яким необхідно додати "приховані змінні", що відновлюють "локальність" і "причинність" поведінки частинок.
Локальність стверджує, що на об'єкти впливає тільки їхнє безпосереднє оточення. Причинність стверджує, що наслідок не може виникнути раніше за причину, і що причинно-наслідкові сигнали не можуть поширюватися швидше за швидкість світла.
Нільс Бор заперечив аргументи дуету, а Шредінгер і Венделл Фуррі висунули гіпотезу про те, що заплутаність зникає в міру збільшення відстані між частинками.
На жаль, тоді не було експериментальних доказів на користь або проти квантової заплутаності сильно рознесених частинок.
Однак з часом експерименти довели, що заплутування цілком реальне і має фундаментальне значення для природи.
Ба більше, вже зрозуміло, що квантова механіка працює не тільки на дуже малих, а й на досить великих відстанях.
Так, китайський супутник зв'язку Micius з квантовим шифруванням заснований на квантовій заплутаності між фотонами, розділеними тисячами кілометрів.
Найперші з подібного роду експериментів були проведені випускником Калтеха Джоном Клаузером у 1969 і 1972 роках. Його висновки засновані на теоремі Белла, яка довела, що аргумент Ейнштейна-Подольського-Розена призводить до несподіваних висновків.
Згідно з Беллом, квантова заплутаність несумісна з уявленнями про локальність і причинність.
1969 року, будучи ще аспірантом Колумбійського університету, Клаузер спільно з Майклом Хорном, Абнером Шимоні та Річардом Холтом перетворили математичну теорему Белла 1964 року на дуже конкретне експериментальне передбачення. Зараз воно відоме як нерівність Клаузера-Горна-Шимоні-Голла.
У 1972 році, будучи постдокторантом Каліфорнійського університету в Берклі, Клаузер і аспірант Стюарт Фрідман експериментально довели, що дві частинки, які були рознесені на відстані (4 метри одна від одної), можуть бути сплутані.
Надалі Клаузер провів ще три експерименти, перевіряючи основи квантової механіки і заплутаності, і кожен новий експеримент підтверджував і навіть розширював його результати.
Пізніше експеримент Фрідмана-Клаузера сотні разів повторювався в різних лабораторіях по всьому світу, підтверджуючи реальність квантової заплутаності.
Робота Клаузера принесла йому премію Вольфа з фізики 2010 року. Він розділив її з Аленом Аспектом з Інституту оптики та Антоном Цайлінгером з Віденського університету.
Тепер Джон Клаузер відповідає на запитання про свої історичні експерименти. Публікуємо матеріали онлайн-видання Caltech .
- Ми чули, що ваша ідея перевірити принципи заплутаності не сподобалася іншим фізикам. Чи можете ви розповісти нам про це докладніше?
- У 1960-х і 70-х роках експериментальне тестування квантової механіки було непопулярним у Калтеху, Колумбійському університеті, Каліфорнійському університеті в Берклі та в інших місцях.
Мої викладачі в Колумбії говорили, що експериментальне тестування квантової фізики зруйнує мою кар'єру.
Коли я проводив експеримент Фрідмана-Клаузера в Каліфорнійському університеті, Річард Фейнман з Калтеха був вельми ображений моєю зухвалою спробою і сказав мені, що це рівнозначно сповіді невір'я у квантову фізику.
Він зарозуміло наполягав на тому, що квантова механіка очевидно правильна і не потребує подальшої перевірки! Мій прийом у Берклі був у кращому разі теплуватим і став можливим тільки завдяки доброті й терпимості професорів Чарлі Таунса [Нобелівський лауреат '64] і Говарда Шугарта, які дозволили представити експерименти.
У моєму листуванні з Джоном Беллом він висловив прямо протилежну думку і настійно рекомендував провести експеримент.
Основну роботу з теореми Белла спочатку опублікували в останньому номері маловідомого журналу "Фізика" і в підпільній газеті "Епістемологічні листи".
Тільки після того, як у журналі Physical Review Letters з'явилася стаття CHSH 1969 року, потім результати експерименту Фрідмана-Клаузера 1972 року, Джон Белл нарешті відкрито обговорив свою роботу. Він знав про табу на основи квантової механіки і ніколи не обговорював заборонені теми зі своїми колегами з ЦЕРН.
- Чому ви вирішили продовжити експерименти?
Частково я хотів перевірити ці ідеї тому, що все ще намагався їх зрозуміти. Передбачення про заплутаність здавалися мені досить дивними, і я не міг прийняти їх, не побачивши експериментальних доказів.
Я також усвідомлював фундаментальну важливість експериментів і просто ігнорував поради моїх викладачів з приводу кар'єри.
Ба більше, я отримував величезне задоволення, займаючись дуже складною експериментальною фізикою з апаратурою, яку я побудував переважно зі списаної техніки фізичного факультету.
До того, як ми з Фрідманом провели перший експеримент, я також думав, що фізика прихованих змінних Ейнштейна може виявитися правильною, і якщо це так, то хотів це виявити.
Ідеї Ейнштейна здавалися мені дуже ясними. А ідеї Бора - досить каламутними і важкими для розуміння.
- Що ви очікували виявити, коли проводили експерименти?
- Чесно кажучи, я справді не знав, на що очікувати, окрім того, що я, нарешті, з'ясую, хто мав рацію - Бор чи Ейнштейн.
Зізнатися, я робив ставку на користь Ейнштейна, але насправді не знав, хто переможе. Це як піти на іподром. Ви можете сподіватися, що переможе певний кінь, але насправді ви не знаєте, поки не отримаєте результати.
У цьому випадку виявилося, що Ейнштейн помилявся. У традиції Річарда Фейнмана і Кіпа Торна, які робили наукові ставки, я посперечався з квантовим фізиком Якіром Агароновим.
Цікаво, що він поставив тільки один долар проти моїх двох. Я програв парі і вклав дводоларову купюру і привітання, коли відправив йому поштою препринт із нашими результатами.
Я був дуже засмучений, побачивши, що мій власний експеримент довів, що Ейнштейн помилявся.
Але експеримент дав результат 6,3 сигми. А потім додатковий експеримент Діка Холта і Френка Піпкіна в Гарварді (так і не опублікований) дав протилежний результат.
Я подумав, чи не випустив я з уваги якусь важливу деталь. Поодинці продовжив роботу в Каліфорнійському університеті, щоб провести ще три експериментальні перевірки квантової механіки.
Усі вони привели до тих самих висновків. Бор мав рацію, а Ейнштейн помилявся. Гарвардський результат не повторився і виявився помилковим.
Коли я знову зустрівся зі своїми викладачами з Колумбійського університету, всі вони сказали: "Ми ж вам казали! Тепер перестаньте витрачати гроші даремно і займіться справжньою фізикою".
На той момент у моїй кар'єрі єдиною цінністю було те, що моя робота продемонструвала, що я був досить талановитим фізиком-експериментатором.
Тільки завдяки цьому факту я отримав роботу в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора, займаючись дослідженнями в галузі фізики плазми з керованим синтезом.
- Чи можете ви допомогти нам зрозуміти, що саме показали ваші експерименти?
- Щоб прояснити, що показали експерименти, Майк Хорн і я сформулювали те, що зараз відомо як локальний реалізм Клаузера-Хорна.
Додатковий внесок у нього згодом зробили Джон Белл і Абнер Шимоні, тому, можливо, його правильніше називати локальним реалізмом Белла-Клаузера-Горна-Шимоні.
Локальний реалізм проіснував дуже недовго як життєздатна теорія. Дійсно, він був експериментально спростований ще до того, як перемістився на папір.
Проте локальний реалізм важливий з евристичної точки зору, оскільки детально показує, що не є квантовою механікою.
Локальний реалізм передбачає, що природа складається з речей, з об'єктивно реальних об'єктів, тобто речей, які можна помістити в коробку.
(Коробка тут - це уявна замкнута поверхня, що визначає розділені внутрішній і зовнішній обсяги).
Далі передбачається, що об'єкти існують незалежно від того, спостерігаємо ми їх чи ні. Так само передбачається, що певні експериментальні результати будуть отримані, незалежно від того, дивимося ми на них чи ні.
Ми можемо не знати, що таке матерія, але ми припускаємо, що вона існує і що вона розподілена в просторі.
Речі можуть розвиватися або детерміновано, або стохастично. Локальний реалізм припускає, що речі в коробці мають внутрішні властивості, і що коли хтось проводить експеримент у коробці, імовірність будь-якого отриманого результату якимось чином залежить від властивостей речей у цій коробці.
Якщо провести, скажімо, інший експеримент з іншими експериментальними параметрами, то, імовірно, буде отримано інший результат.
Тепер припустімо, що у нас є дві широко рознесені шухляди, кожна з яких містить речі. Локальний реалізм далі передбачає, що вибір експериментальних параметрів, зроблений в одній коробці, не впливає на результат експерименту у віддаленій коробці.
Таким чином, локальний реалізм забороняє "моторошну дію на відстані". Він забезпечує дотримання ейнштейнівської причинності, яка забороняє будь-які подібні нелокальні причини і наслідки.
Дивно, але ці прості й дуже розумні припущення самі по собі достатні для того, щоб вивести друге важливе експериментальне пророцтво, що обмежує кореляцію між експериментальними результатами, отриманими в розділених ящиках. Це передбачення - нерівність Клаузера-Горна 1974 року.
Висновок нерівності CHSH 1969 року вимагав кількох незначних додаткових припущень, які іноді називають "лазівками".
Висновок нерівності CH усуває додаткові припущення і, таким чином, є більш загальним.
Існують квантові заплутані системи, які не узгоджуються з передбаченням CH, тому локальний реалізм піддається експериментальному спростуванню.
Нерівності CHSH і CH порушені не тільки першим експериментом Фрідмана-Клаузера 1972 року і моїм другим експериментом 1976 року, а й буквально сотнями експериментів, що підтверджують.
Нині в різних лабораторіях заплутані і порушують нерівність CHSH пари фотонів, пари іонів берилію, пари іонів іттербію, пари атомів рубідію, цілі пари хмар атомів рубідію і джозефсонівські фазові кубіти.
Перевірка локального реалізму і нерівності CH вважалася багатьма дослідниками важливою для усунення лазівок CHSH.
У зв'язку з цим було докладено значних зусиль, оскільки технологія квантової оптики вдосконалювалася і дозволяла це робити.
Перевірка нерівності CH стала для експериментаторів завданням святого Грааля. Порушення CH-нерівності було, нарешті, досягнуто спочатку у 2013 році, а потім у 2015 році у двох конкуруючих лабораторіях: групою Антона Цайлінгера у Віденському університеті та групою Пола Квята в Університеті Іллінойсу.
В експериментах 2015 року брали участь 56 дослідників! Локальний реалізм тепер надійно спростовано! Згода між експериментами і квантовою механікою тепер переконливо доводить, що нелокальна квантова заплутаність реальна.
- Які деякі з важливих технологічних додатків вашої роботи?
- Одним із застосувань моєї роботи є найпростіший можливий об'єкт, який визначається локальним реалізмом - один біт інформації.
Локальний реалізм показує, що один квантово-механічний біт інформації, "кубіт", не завжди локалізований у просторово-часовій коробці. Цей факт забезпечує фундаментальну основу квантової теорії інформації та квантової криптографії.
Програма квантової науки і технологій Калтеха, Національна квантова ініціатива США і Національна квантова ініціатива Ізраїлю - всі вони спираються на реальність заплутаності.
Конфігурація китайської квантово-шифрованої супутникової системи зв'язку Micius майже ідентична конфігурації експерименту Фрідмана-Клаузера. У ній використовується нерівність CHSH для перевірки збереження заплутаності в космічному просторі.
