Eksperiments, kas ļaus cilvēkiem redzēt kvantu sapīšanos

Sapīšanās ir dīvaina parādība, kurā divas kvantu daļiņas kļūst tik cieši saistītas, ka tām ir viena un tā pati eksistence. Ja tas notiek, vienas daļiņas mērījums nekavējoties ietekmē otru neatkarīgi no attāluma starp tām.

Sapīšanās ir mulsinājusi fiziķus gadsimta labāko daļu. Sākumā tika apstrīdēta tā pastāvēšana. Bet šodien fiziķi laboratorijās visā pasaulē rada sapinušās daļiņas milzīgā daudzumā. Viņi regulāri izmanto sapinšanos, lai nosūtītu perfekti šifrētus ziņojumus, pētītu kvantu aprēķinus un labāk izprastu šīs dziļās parādības būtību.

Vieglums, ar kādu daļiņas, piemēram, fotoni, var sapīties, ir licis dažiem fiziķiem uzdot interesantu papildu jautājumu: vai cilvēki kādreiz varēs redzēt sapīšanās?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties dažu draugu Valentīnas Kapraras Vivoli darbam Ženēvas Universitātē Šveicē. Viņi ir izstrādājuši eksperimentu, kas ļautu cilvēka acij tieši noteikt sapīšanās. Un viņi saka, ka aina ir izveidota pirmajam šāda veida eksperimentam.

Atrast veidu, kā cilvēka acs atklāt sapinušos fotonus, izklausās vienkārši. Galu galā acs ir fotonu detektors, tāpēc jebkurā standarta sapīšanās noteikšanas eksperimentā vajadzētu būt iespējai acij aizstāt fotodetektoru.

Šāds eksperiments var sastāvēt no sapinušos fotonu pāru avota, no kuriem katrs tiek nosūtīts uz foto detektoru, izmantojot atbilstošu eksperimentālo iestatījumu.

Salīdzinot fotonu nonākšanu katrā detektorā un atkārtojot noteikšanas procesu daudzas reizes, ir iespējams statistiski noteikt, vai notiek sapīšanās.

Ir viegli iedomāties, ka šo eksperimentu var viegli atkārtot, aizstājot vienu no fotodetektoriem ar aci. Bet izrādās, ka tas tā nav.

Galvenā problēma ir tā, ka acs nevar noteikt atsevišķus fotonus. Tā vietā katrs gaismas noteikšanas stienis acs aizmugurē ir jāstimulē ar labu sauju fotonu, lai aktivizētu noteikšanu. Tiek uzskatīts, ka mazākais fotonu skaits, kas spēj paveikt šo triku, ir aptuveni septiņi, taču praksē cilvēki parasti redz fotonus tikai tad, kad tie nonāk simtos vai tūkstošos.

Pat tad acs nav īpaši efektīvs fotodetektors. Labā optikas laboratorijā būs fotodetektori, kuru efektivitāte ir krietni virs 90 procentiem. Turpretī pašā zemākajā apgaismojumā acs efektivitāte ir aptuveni 8 procenti. Tas nozīmē, ka tam trūkst daudz fotonu.

Tas rada būtisku problēmu. Ja cilvēka acs kādreiz redz sapinšanos šādā veidā, tad fiziķiem būs jāsapin ne tikai divi fotoni, bet vismaz septiņi, un ideālā gadījumā daudzi simti vai tūkstoši.

Un tas vienkārši nav iespējams ar mūsdienu tehnoloģijām. Labākajā gadījumā fiziķi spēj sapīt pusduci fotonu, taču pat tas ir grūts uzdevums.

Ir nepieciešams veids, kā pastiprināt viena sapinušies fotona efektu, lai to varētu noteikt ar aci, bet lai to izdarītu, neiznīcinot visu svarīgo sapīties.

Vivoli un citi saka, ka viņi ir izstrādājuši triku, kas efektīvi pastiprina vienu sapinušos fotonu daudzos fotonos, ko var redzēt acs. Viņu triks ir atkarīgs no tehnikas, ko sauc par pārvietošanas operāciju, kurā divi kvantu objekti traucē tā, ka viens maina otra fāzi.

Viens veids, kā to izdarīt ar fotoniem, ir stara sadalītājs. Iedomājieties koherentu fotonu staru no lāzera, kas ir vērsts uz stara sadalītāju. Stars tiek pārraidīts caur sadalītāju, bet fāzes maiņa var izraisīt tā atstarošanos.

Tagad iedomājieties citu koherentu fotonu staru, kas traucē pirmajam. Tas maina pirmā stara fāzi tā, lai tas tiktu atspoguļots, nevis pārraidīts. Citiem vārdiem sakot, otrais stars var ieslēgt un izslēgt atspulgu.

Būtiski, ka pārslēgšanas gaismai nav jābūt tik intensīvai kā galvenajam gaismai — tam ir jābūt tikai saskaņotam. Patiešām, viens fotons var veikt šo viltību, pārslēgt intensīvāku staru kūli, vismaz teorētiski.

Tas ir jaunās pieejas pamatā. Ideja ir izmantot vienu sapinušo fotonu, lai pārslēgtu jaudīgāka stara pāreju caur staru sadalītāju. Un tieši šo jaudīgāko staru acs uztver un kas joprojām saglabā sākotnējās sapīšanās kvantu raksturu.

Tāda ir teorija. Vivoli un citi saka, ka tehnoloģija ir pieejama šāda veida eksperimenta veikšanai tagad. Viņi saka, ka viņu darbs pārliecinoši demonstrē iespēju realizēt pirmo eksperimentu, kurā sapīšanās tiek novērota ar aci.

Tomēr šo eksperimentu būs grūti veikt. Piemēram, būs grūti nodrošināt, ka optiskais pastiprinātājs darbojas, kā viņi apgalvo.

Un pat tad, ja tā notiek, uzticami reģistrēt katru noteikšanu acī būs vēl grūtāk. Sapīšanās pārbaude ir statistiska, un no abiem detektoriem ir jāveic daudz skaitījumu. Tas nozīmē, ka indivīdam būs jāpiedalās eksperimentā, reģistrējot atbildi jā vai nē par katru piegājienu, kas jāatkārto tūkstošiem vai desmitiem tūkstošu reižu. Brīvprātīgajiem būs jāatvēl daudz laika.

Tomēr ir iespējams, ka pirmie šāda veida eksperimenti jau notiek, iespējams, pat Vivoli un co laboratorijās. Tāpēc drīzumā mēs varam uzzināt pirmās personas identitāti, kas redz sapinšanos.

Protams, šādi eksperimenti ātri noņems valdzinājumu un romantiku no populārās sapīšanās uztveres. Patiešām, ir grūti saprast, kāpēc kāds vēlas būt sapinies ar fotodetektoru laika gaitā, kas nepieciešams šī eksperimenta veikšanai.

Viens no veidiem, kā palielināt šo motivāciju, būtu modificēt eksperimentu tā, lai tajā tiktu iesaistīti divi cilvēki. Nav grūti iedomāties cilvēkus, kuri vēlas piedalīties šādā eksperimentā, iespējams, pat dedzīgi.

Tam būs nepieciešama modificēta konfigurācija, kurā abi detektori ir cilvēka acis ar augstu palaišanas līmeni un zemu efektivitāti. Pagaidām nav skaidrs, vai tas būs iespējams, izmantojot Vivoli un co iestatīšanu.

Tikai tad brīvprātīgie varēs atbildēt uz jautājumu, kas ir neērti lielākajai daļai fiziķu. Kāda ir sajūta būt sapinies ar citu cilvēku?

Ņemot vērā šī eksperimenta būtību, atbilde būs satraucoši garlaicīga. Taču, kā savā secinājumā norāda Vivoli un citi: var droši teikt, ka cilvēka redzes zondēšana ar kvantu gaismu ir terra incognita. Tas padara to par pievilcīgu izaicinājumu.

Diezgan!

Atsauce: arxiv.org/abs/1602.01907 : Kas nepieciešams, lai redzētu sapinšanos?

paslēpties