Свирепый шторм на вершине вулкана едва не уничтожил хрустальное сердце эксперимента. Ученые в панике смотрели, как ветер швыряет их лабораторию-контейнер к краю обрыва. Они рисковали всем ради ответа на вековой спор: прав ли был Эйнштейн, ненавидевший «странность» квантового мира? Чтобы найти истину, им пришлось вглядеться в свет, путешествовавший к Земле почти 13 миллиардов лет.
Альберт Эйнштейн не принимал квантовую механику. Ее выводы казались ему абсурдными и неполными. Главными камнями преткновения стали два принципа: реальность и локальность.
Реальность: Классическая физика утверждает — мир существует объективно, независимо от того, смотрит на него наблюдатель или нет. Квантовая механика бросает этому вызов. Она намекает, что свойства частиц (например, положение или импульс) не существуют в определенном виде до момента измерения. То есть мир существует только в момент наблюдения. Наблюдение как будто «формирует» реальность.
Локальность: Специальная теория относительности Эйнштейна запрещает любым сигналам или влияниям распространяться быстрее скорости света. Квантовая механика нарушает это правило через феномен квантовой запутанности. Если две частицы запутаны, измерение состояния одной мгновенно определяет состояние другой, даже если их разделяют световые годы. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии» (spooky action at a distance).
Эйнштейн верил, что под «странной» квантовой механикой скрывается более глубокая, локальная реалистическая теория — теория скрытых параметров. В ней частицы обладают скрытыми, невидимыми нам свойствами, которые предопределяют результаты измерений без нарушения локальности. Квантовая странность, по его мнению, была лишь следствием нашего неполного знания.
Спор оставался философским до 1964 года. Физик Джон Белл предложил гениальный способ проверить, кто прав — Эйнштейн или квантовая механика. Он сформулировал математическое неравенство (неравенство Белла), которое должно выполняться любой локальной реалистической теорией. Квантовая же механика предсказывала, что в определенных экспериментах это неравенство будет нарушено.
Суть теста Белла:
В классическом, локальном и реалистическом мире, корреляция (согласованность) между результатами Алисы и Боба не может превысить определенный предел, заданный неравенством Белла. Квантовая механика, благодаря запутанности и нелокальности, предсказывает более сильные корреляции, нарушающие этот предел.
Первые эксперименты в 1970-х годах показали нарушение неравенства Белла. Казалось, победа за квантовой механикой. Но скептики нашли лазейки, объясняющие результаты без полного отказа от локального реализма:
Лазейка локальности (или разделения): Если Алиса и Боб находятся недостаточно далеко друг от друга, скрытое влияние (пусть даже со скоростью света) от измерения Алисы могло успеть «долететь» до Боба и повлиять на его результат до завершения его измерения, создавая ложную корреляцию. Нужно было разнести детекторы настолько далеко, чтобы свет просто не успел пройти это расстояние за время между измерениями.
Лазейка неэффективности детектирования (или справедливой выборки): Детекторы фотонов не идеальны. Они «ловят» лишь малую часть посланных частиц. Если ненаблюдаемые фотоны как-то связаны с их свойствами, это могло исказить статистику в пользу нарушения неравенства Белла, даже если в полном наборе данных оно бы выполнялось. Требовались сверхэффективные детекторы.
Лазейка свободы выбора: Критически важно, чтобы Алиса и Боб полностью случайно и независимо друг от друга выбирали настройки своих измерительных приборов для каждого фотона. Если существует скрытый механизм, который еще до рождения фотонов повлиял и на их свойства, и на будущий выбор настроек Алисы и Боба, он мог создать иллюзию нарушения неравенства Белла. Нужна гарантия истинной случайности и независимости выбора.
К 2015 году серия изощренных экспериментов, казалось, закрыла все три лазейки. Ученые разносили детекторы на десятки километров, использовали высокоэффективные детекторы и сверхбыстрые квантовые генераторы случайных чисел для выбора настроек. Неравенство Белла нарушалось снова и снова. Физики начали было праздновать окончательную победу квантовой механики.
Но в 2011 году физик Майкл Холл из Австралийского национального университета бросил тень сомнения, особенно на закрытие лазейки свободы выбора. Он указал: даже сверхбыстрые генераторы случайных чисел в лаборатории могли иметь общую скрытую историю с источником запутанных фотонов. Эта общая история в далеком прошлом могла предопределить и свойства фотонов, и будущие «случайные» настройки детекторов, симулируя нарушение неравенства Белла. «Я хотел сказать людям: перестаньте утверждать, что квантовая механика нелокальна как установленный факт», — пояснил Холл. Его работа заставила экспериментаторов искать новые, беспрецедентные решения.
Ответ пришел в 2016 году от команды Моргана Митчелла из Института фотонных наук в Барселоне. Они решили доверить выбор настроек… 100 тысячам геймеров по всему миру. В «Большом тесте Белла» участники играли в специальную игру, генерируя максимально непредсказуемые последовательности нулей и единиц. Алгоритм искусственного интеллекта пытался угадать их следующий ход. Чем непредсказуемее были игроки, тем выше они поднимались в рейтинге. 30 ноября 2016 года игроки создали почти 100 миллионов случайных бит. Эти данные в реальном времени распределили между 13 лабораториями на пяти континентах, проводившими свои версии теста Белла.
Результат «Большого теста Белла», объявленный в 2018 году, был однозначен: все 13 экспериментов нарушили неравенство Белла. «Если мы предположим, что люди обладают свободой воли, тогда мы закрыли лазейку свободы выбора», — заявил Митчелл. Но именно это предположение — о свободе воли — стало новым камнем преткновения. Философы веками спорят о ее природе. Требовался способ, не зависящий от человеческого фактора.
Гениальную идею предложили Эндрю Фридман, Джейсон Галличчио и Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института (MIT). «Мы попытались передать генерацию случайных чисел самой Вселенной, заставить Вселенную работать на нас», — объяснил Кайзер. Суть была проста и радикальна: вместо ручных генераторов или людей использовать свет далеких звезд и галактик для определения настроек детекторов Алисы и Боба.
Каждый фотон, прилетевший из космоса, обладает определенной длиной волны (цветом). Ученые предложили простой критерий: если длина волны фотона меньше определенного порога (например, 700 нанометров — условно «синий»), он задает для детектора Алисы или Боба одну настройку (условно «0»). Если длина волны больше порога («красный») — другую настройку («1»). Ключевое преимущество: свет от далеких объектов шел к Земле миллиарды лет. Если использовать такие фотоны для случайного выбора настроек и при этом нарушить неравенство Белла, это докажет, что никакое скрытое влияние, движущееся со скоростью света или медленнее, не могло «договориться» и согласовать настройки детекторов с состоянием запутанных фотонов. Ведь для этого оно должно было бы возникнуть еще до того, как космический свет начал свой путь к Земле — то есть невероятно давно.
Кайзер и его коллеги объединились с командой Антона Цайлингера — одного из патриархов квантовой оптики из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене. Первый эксперимент провели прямо на крышах венских зданий в 2013 году. Источник запутанных фотонов разместили на крыше института на улице Больцмангассе. «Боб» расположился на пятом этаже Университета природных ресурсов и естественных наук примерно в 1150 метрах к северу. «Алиса» — на девятом этаже Национального банка Австрии примерно в 550 метрах к югу. «В подвале там печатают деньги», — отметил участник команды Томас Шайдл.
Каждой ночью команда наводила небольшие телескопы Алисы и Боба на звезды в противоположных частях неба. Собранные фотоны по оптическим волокнам подавали на специальные зеркала-делители. Фотон с длиной волны < 700 нм отражался в одну сторону (генерируя «0»), а фотон с длиной волны > 700 нм — в другую (генерируя «1»). Этот «космический» сигнал и задавал случайную настройку для измерения поляризации запутанных фотонов от основного источника.
Результат венского эксперимента на крышах стал еще одним подтверждением: неравенство Белла нарушено. Любое скрытое влияние, способное симулировать этот результат, должно было возникнуть более 600 лет назад — примерно столько лет свету от использованных звезд. Это был успех, но масштаб был еще не космологическим. Идея Кайзера и его коллег изначально была амбициознее — использовать свет не звезд, а квазаров. Квазары — невероятно яркие ядра далеких галактик, свет которых путешествовал к нам миллиарды лет. «Квазары — самые далекие объекты, которые еще можно наблюдать в оптические телескопы», — пояснил Шайдл. Для такого эксперимента нужны были большие телескопы. Пришло время подняться на гору.
Место выбрали идеальное — вершину Роке-де-лос-Мучачос (высота 2300 метров) на острове Ла-Пальма (Канарские острова). Эта гора усеяна телескопами мирового класса. Конфигурация подходила: требовались три точки с прямыми линиями обзора между ними. «Алиса» должна была использовать 3,58-метровый Итальянский Национальный Телескоп имени Галилея (Telescopio Nazionale Galileo — TNG). «Боб» — 4,2-метровый Телескоп Уильяма Гершеля (William Herschel Telescope — WHT), управляемый Великобританией, Нидерландами и Испанией. Источник запутанных фотонов разместили почти точно посередине, примерно в 500 метрах от каждого телескопа, на парковке Скандинавского Оптического Телескопа (Nordic Optical Telescope — NOT). Там установили лабораторию в контейнере.
Уговорить астрономов предоставить драгоценное время на больших телескопах для квантового эксперимента было непросто. Но в итоге выбили три ночи наблюдений в январе. Азарт добавили новости о том, что команда из Китая под руководством Цзянь-Вэй Паня (бывшего ученика Цайлингера) готовит аналогичный эксперимент.
И вот, 13 декабря 2017 года, во время финальных приготовлений на вершине горы, случилась катастрофа. Студент Доминик Раух (чьим PhD был этот проект) отмечал день рождения. Начался невиданный для этих мест зимний шторм. Ветер подхватил контейнер-лабораторию и ударил им о купол ближайшего телескопа, совсем рядом с крутым обрывом. «Никто не пострадал, — сказал Раух. — Мы были очень счастливы». Но кристалл, генерирующий пары запутанных фотонов — сердце эксперимента, — разбился вдребезги.
Цайлингер и Шайдл, находившиеся в Вене, получили шокирующие новости. «Ты все равно получишь свою степень PhD, и у тебя будет история, которую можно рассказывать», — вспоминает Раух слова Цайлингера. Сам Раух в тот момент не разделял оптимизма руководителя. Рабочие попытались закрепить контейнер, но ветер снова его сорвал. На этот раз он чуть не улетел в пропасть. «Я подумал, что все, что не было сломано до этого, теперь точно сломано», — сказал Раух. В последующие дни команда отремонтировала большую часть аппаратуры, восстановила оптические линии связи между источником фотонов и станциями Алисы и Боба. Но кристалл был невосстановим. Раух срочно заказал новый и улетел домой на Рождество.
Чудом команде удалось восстановить установку к назначенным дням наблюдений в январе 2018 года. Но первая ночь пропала из-за нового шторма: шел град, и купола телескопов не открыли. Вторая ночь тоже оказалась потерянной из-за непогоды. Третья ночь выдалась ясной. Луна зашла, небо потемнело. Гигантские телескопы TNG и WHT начали слежение за выбранными квазарами.
Однако возникла проблема с оборудованием «Алисы» на TNG — оно не могло собрать достаточно фотонов от своего квазара. Пока команда пыталась ее решить, выделенное время на телескопе истекло. На следующий день ученые отчаянно просили добавить время. Телескоп имени Галилея (TNG) был доступен. Сложнее оказалось с WHT. Помогла щедрость одного астронома, работавшего на WHT. Он пожертвовал квантовикам 2 часа из своего времени наблюдений. «Мы купили ему немного пива и вина», — вспоминает Шайдл.
В ту решающую ночь середины января 2018 года два гигантских телескопа зафиксировались на квазарах в противоположных участках неба. Свет одного квазара путешествовал к Земле 7,8 миллиарда лет. Свет другого — невероятные 12,2 миллиарда лет. Каждый фотон от этих древних маяков, в зависимости от своего цвета, задавал случайную настройку для измерения поляризации запутанных фотонов на станциях Алисы и Боба.
За ночь ученые собрали и проанализировали данные почти по 18 000 пар запутанных фотонов. Результат был недвусмысленным и статистически мощным: неравенство Белла снова нарушено. Причем значительно.
Значение результата
Почему использование квазаров так важно? Ключ кроется в понятии «светового конуса прошлого». Для любого события (например, измерения Алисой или Бобом) световой конус прошлого — это область пространства-времени, из которой сигнал, движущийся со скоростью света или медленнее, мог достичь этого события. Квазары, использованные в эксперименте, расположены в противоположных направлениях. Их световые конусы прошлого пересекаются только в очень далеком прошлом — примерно 13,15 миллиардов лет назад.
Нарушение неравенства Белла в этих условиях означает, что любые гипотетические локальные реалистические механизмы (скрытые параметры), которые могли бы объяснить результаты без квантовой нелокальности, должны были быть «запрограммированы» до того, как свет от квазаров начал свой путь к Земле. Иными словами, такие механизмы могут существовать только в крошечной области пространства-времени — в той точке, где пересеклись световые конусы квазаров 13,15 миллиардов лет назад. Эта область составляет всего около 4 процентов от всего возможного пространства-времени, где такой скрытый механизм вообще мог зародиться, чтобы повлиять на эксперимент. «Мы отодвинули гипотетический мир Эйнштейна в крошечный уголок космоса, — заявил Кайзер. — Практически весь световой конус прошлого эксперимента, простирающийся вплоть до Большого взрыва, свободен от локального реализма».
Post Scriptum
Ставит ли этот эксперимент точку в вековом споре? Почти, но не совсем. Команда Кайзера-Цайлингера блестяще закрыла лазейку локальности и максимально отодвинула во времени лазейку свободы выбора. Однако лазейка неэффективности детектирования осталась открытой. Передача запутанных фотонов по воздуху между установками привела к большим потерям. Не все сгенерированные фотоны были зарегистрированы, что теоретически оставляет пространство для сомнений скептикам локального реализма.
Параллельно китайская команда Цзянь-Вэй Пана провела свой масштабный эксперимент на окраинах Шанхая. Они использовали свет ближних звезд (всего 11 световых лет) для выбора настроек, но зато минимизировали потери фотонов, передавая их по оптическим волокнам, и достигли высокой эффективности детектирования. «Наш эксперимент окончательно исключает модели локальных скрытых параметров, действовавших за 11 лет до эксперимента», — заявил Пан. Их работа стала важным шагом к одновременному закрытию всех трех основных лазеек.
Обе группы смотрят в будущее. Следующая граница — использование реликтового излучения, космического микроволнового фонового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Его фотоны путешествовали почти 13,8 миллиардов лет. «Это была бы восхитительная техническая задача, очень красивый, очень сложный эксперимент, — говорит Кайзер. — Нет в космосе более раннего источника света, который можно было бы попытаться использовать».
Несмотря на оставшиеся технические нюансы, основной вывод Ла-Пальмского эксперимента и ему подобных звучит все громче: квантовая странность — не артефакт наших лабораторий или несовершенных приборов. Это фундаментальное свойство реальности, действующее в космических масштабах на протяжении миллиардов лет.
Мир Эйнштейна, где все локально и предопределено скрытыми параметрами, если и существует, то лишь в исчезающе малом уголке мироздания. Для подавляющей части Вселенной квантовая механика — или теория, основанная на ее принципах — остается непревзойденно точным описанием природы. Ее тайны, возможно, так же глубоки, как и прежде, но для Дэвида Кайзера это повод не для разочарования, а для восхищения: «Я думаю, обычная квантовая теория выглядит так же хорошо, как и всегда — что означает, она выглядит великолепно».
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram. Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы.
