Свет от квазаров помогает подтвердить квантовую запутанность

Могут ли две частицы, как бы далеко друг от друга они ни находились в пространстве и времени быть связаны способом, бросающим вызов правилам классической физики?

Возьмем, к примеру, две частицы, находящиеся на противоположных краях Вселенной. Если они действительно запутаны, то согласно теории квантовой механики их физические свойства должны быть связаны таким образом, чтобы любое измерение, сделанное на одной частице, мгновенно передавало бы информацию о любом будущем результате измерения другой частицы — корреляции, которые Эйнштейн скептически рассматривал как «жуткое действие на расстоянии».

В 1960-х годах физик Джон Белл вычислил теоретический предел, за которым такие корреляции должны иметь квантовое, а не классическое объяснение.

Но что, если такие корреляции были результатом не квантовой запутанности, а какого-то другого скрытого, классического объяснения? Такие «что-если» известны физикам как лазейки для тестов неравенства Белла, самым упрямым из которых является лазейка «свободы выбора» : возможность того, что какая-то скрытая классическая переменная может повлиять на измерение, которое экспериментатор выбирает для выполнения на запутанной частице, что делает результат квантово-коррелированным, хотя на самом деле это не так.

В феврале прошлого года команда MIT и их коллеги значительно ограничили свободу выбора, используя 600-летний звездный свет, чтобы определить, какие свойства двух запутанных фотонов должны измеряться. Их эксперимент показал, что если классический механизм вызвал корреляции, которые они наблюдали, его пришлось бы приводить в движение более 600 лет назад, прежде чем свет звезд был впервые испущен и задолго до того, как реальный эксперимент был даже задуман.

Теперь, в статье, опубликованной в Physical Review Letters, одна и та же команда значительно расширила случай квантовой запутанности и еще больше ограничила варианты лазеек свободы выбора. Исследователи использовали отдаленные квазары, один из которых излучал свет 7,8 миллиарда лет назад, а другой 12,2 миллиарда лет назад, чтобы определить измерения, которые должны быть сделаны на парах запутанных фотонов. Они нашли корреляции среди более чем 30 000 пар фотонов, в той степени, которая намного превышала предел, который первоначально исчислял Белл для классического механизма.

«Если какой-то заговор происходит для имитации квантовой механики механизмом, который на самом деле является классическим, этот механизм должен был бы начать свою работу — каким-то образом точно знать, когда, где и как этот эксперимент будет сделан — по крайней мере 7,8 миллиарда лет назад. Это кажется невероятно неправдоподобным, поэтому у нас есть очень веские доказательства того, что квантовая механика — это правильное объяснение», — говорит соавтор работы Алан Гут, профессор физики в Массачусетском технологическом институте.

«Земле около 4,5 миллиардов лет, поэтому любой альтернативный механизм, отличный от квантовой механики, который мог бы дать наши результаты, используя эту лазейку, должен был бы быть на месте задолго до того, как появилась планета Земля, не говоря уже о MIT», — добавляет Дэвид Кайзер, профессор физики. «Таким образом, мы отодвинули любые альтернативные объяснения на очень раннюю стадию космической истории.»

В 2014 году Кайзер и два члена нынешней команды, Джейсон Галликкио и Эндрю Фридман, предложили эксперимент по производству запутанных фотонов на Земле —процесс, который является довольно стандартным в исследованиях квантовой механики. Они планировали фиксировать каждого члена запутанной пары в противоположных направлениях, к детекторам света, которые будут производить измерение каждого фотона с помощью поляризатора.

Исследователи будут измерять поляризацию или ориентацию электрического поля каждого входящего фотона, устанавливая поляризатор под разными углами и наблюдая, прошли ли фотоны — результат для каждого фотона, который исследователи могут сравнить, чтобы определить, показали ли частицы корреляции, предсказанные квантовой механикой.

Команда добавила уникальный шаг к предлагаемому эксперименту, который заключался в использовании света от древних, отдаленных астрономических источников, таких как звезды и квазары, для определения угла, под которым устанавливается каждый соответствующий поляризатор.

Поскольку каждый запутанный фотон находился в полете, направляясь к своему детектору со скоростью света, исследователи использовали телескоп, расположенный в каждом детекторе, для измерения длины волны входящего света квазара. Если бы этот свет был краснее, чем некоторая эталонная длина волны, поляризатор наклонялся бы под определенным углом, чтобы произвести конкретное измерение входящего запутанного фотона — выбор измерения, который был определен квазаром. Если бы свет квазара был синее, чем эталонная длина волны, поляризатор наклонялся бы под другим углом, выполняя другое измерение запутанного фотона.

В своем предыдущем эксперименте команда ученых использовала небольшие телескопы для измерения света от звезд на расстоянии 600 световых лет. В своем новом исследовании они использовали гораздо более крупные, более мощные телескопы, чтобы поймать входящий свет из еще более древних, отдаленных астрофизических источников: квазаров, свет которых путешествовал к земле, по крайней мере, 7,8 миллиарда лет — объекты, которые невероятно далеки и все же настолько светятся, что их свет можно наблюдать с Земли.

Исследователи провели два эксперимента, каждый около 15 минут и с двух разных пар квазаров. Для каждого запуска они измеряли 17 663 и 12 420 пар запутанных фотонов соответственно. В течение нескольких часов после закрытия куполов телескопа и просмотра предварительных данных команда могла сказать, что между парами фотонов были сильные корреляции, превышающие предел, рассчитанный Беллом, что указывает на то, что фотоны были коррелированы квантово-механическим способом.

Ученые подсчитали, что для лучшего из двух экспериментов вероятность того, что механизм, основанный на классической физике, мог бы достичь наблюдаемой корреляции, составляла около 10^-20, то есть около одной части в сто миллиардов миллиардов. Для сравнения, исследователи оценили вероятность того, что открытие бозона Хиггса было всего лишь случайностью, равной примерно одному миллиарду.

«Мы, конечно же, сделали невероятно невероятным, что локальная реалистическая теория может быть основой физики Вселенной», — говорит Алан Гут.

И все же, есть еще небольшое пространство для свободы выбора лазейки. Чтобы еще больше ограничить его, команда ученых вынашивает идеи о том, чтобы посмотреть еще дальше во времени, использовать такие источники, как космические микроволновые фоновые фотоны, которые излучались как остаточное излучение сразу после Большого взрыва, хотя такие эксперименты потребуют множество новых технических вызовов.

Dominik Rauch et al, Cosmic Bell Test Using Random Measurement Settings from High-Redshift Quasars, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.080403 , dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.080403