Эксперимент Аспекта был первым экспериментом квантовой механики , продемонстрировавшим нарушение неравенств Белла с фотонами , использующими удаленные детекторы. Его результат 1982 года позволил провести дальнейшее подтверждение принципов квантовой запутанности и локальности . Он также дал экспериментальный ответ на парадокс Альберта Эйнштейна , Бориса Подольского и Натана Розена , который был предложен примерно пятьдесят лет назад.
Это был первый эксперимент, в котором удалось устранить лазейку локальности , поскольку он позволял изменять угол поляризаторов во время полета фотонов быстрее, чем это потребуется свету, чтобы достичь другого поляризатора, что исключало возможность связи между детекторами.
Эксперимент проводил французский физик Ален Аспект в Институте теоретической и прикладной оптики в Орсе в период с 1980 по 1982 год. Его важность была немедленно признана научным сообществом. Хотя методология, реализованная Аспектом, представляет собой потенциальный недостаток, лазейку обнаружения , его результат считается решающим и привел к многочисленным другим экспериментам (так называемым тестам Белла ), которые подтвердили оригинальный эксперимент Аспекта. [1]
За свою работу по этой теме Аспект был удостоен части Нобелевской премии по физике 2022 года . [2]
Парадокс Эйнштейна –Подольского–Розена (ЭПР) — мысленный эксперимент, предложенный физиками Альбертом Эйнштейном , Борисом Подольским и Натаном Розеном , в котором утверждается, что описание физической реальности, предоставляемое квантовой механикой, является неполным. [3] В статье ЭПР 1935 года под названием «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» они утверждали о существовании «элементов реальности», которые не являются частью квантовой теории, и предполагали, что должно быть возможно построить теорию, содержащую эти скрытые переменные . Разрешение парадокса имеет важные последствия для интерпретации квантовой механики .
Мысленный эксперимент включает пару частиц, подготовленных в том, что позже стало известно как запутанное состояние . Эйнштейн, Подольский и Розен указали, что в этом состоянии, если измерить положение первой частицы, можно было бы предсказать результат измерения положения второй частицы. Если вместо этого измерить импульс первой частицы, то можно было бы предсказать результат измерения импульса второй частицы. Они утверждали, что никакое действие, предпринятое в отношении первой частицы, не может мгновенно повлиять на другую, поскольку это включало бы передачу информации быстрее света, что запрещено теорией относительности . Они сослались на принцип, позже известный как «критерий реальности ЭПР», утверждающий, что: «Если, никоим образом не возмущением системы, мы можем предсказать с уверенностью (т. е. с вероятностью, равной единице) значение физической величины, то существует элемент реальности, соответствующий этой величине». Из этого они сделали вывод, что вторая частица должна иметь определенное значение как положения, так и импульса до того, как будет измерена любая из величин. Но квантовая механика считает эти две наблюдаемые величины несовместимыми и, таким образом, не связывает одновременные значения для обеих величин с какой-либо системой. Поэтому Эйнштейн, Подольский и Розен пришли к выводу, что квантовая теория не дает полного описания реальности. [4]
В 1964 году ирландский физик Джон Стюарт Белл продвинул анализ квантовой запутанности гораздо дальше. [5] Он пришел к выводу, что если измерения проводятся независимо на двух разделенных частицах запутанной пары, то предположение о том, что результаты зависят от скрытых переменных внутри каждой половины, подразумевает математическое ограничение на то, как коррелируют результаты двух измерений. Это ограничение позже будет названо неравенствами Белла . Затем Белл показал, что квантовая физика предсказывает корреляции, которые нарушают это неравенство. Следовательно, единственный способ, которым скрытые переменные могут объяснить предсказания квантовой физики, — это если они «нелокальны», то есть каким-то образом две частицы способны мгновенно влиять друг на друга, независимо от того, насколько далеко они когда-либо будут разделены. [6] [7]
В 1969 году Джон Клаузер и Майкл Хорн вместе с докторантом Хорна Эбнером Шимони и докторантом Фрэнсиса Пинки Ричардом Холтом предложили неравенство CHSH — переформулировку неравенства Белла, которую можно было лучше проверить экспериментально. [8]
Первый элементарный эксперимент, предназначенный для проверки теоремы Белла, был выполнен в 1972 году Клаузером и Стюартом Фридманом в Калифорнийском университете в Беркли . [9] В 1973 году в Гарвардском университете эксперименты Пипкина и Холта привели к противоположному выводу, отрицая, что квантовая механика нарушает неравенства Белла. [8] Эдвард С. Фрай и Рэндалл К. Томпсон из Техасского университета A&M повторили эксперимент в 1973 году и согласились с Клаузером. [8] Эти эксперименты были лишь ограниченным тестом, поскольку выбор настроек детектора был сделан до того, как фотоны покинули источник. [8]
По совету Джона Белла Ален Аспект работал над разработкой эксперимента, который позволил бы устранить это ограничение. [8]
Ален Аспект защитил докторскую диссертацию в 1971 году, работая над голографией, а затем уехал за границу, чтобы преподавать в École Normale в Камеруне . Он вернулся во Францию в 1974 году и присоединился к Institut d'optique в Орсе, работая над своей докторской диссертацией. Физик Кристиан Имбер обрабатывал с ним различные статьи из Bell, а Аспект работал в течение пяти лет над конструкцией и предварительными испытаниями для его эксперимента. [8] Он опубликовал свои первые экспериментальные результаты в 1981 году и завершил свою докторскую диссертацию в 1983 году с окончательными результатами своего эксперимента. [8] В число рецензентов вошли Андре Марешаль и Кристиан Имбер из Institut d'optique, Франк Лалоэ , Бернар д'Эспанья , Клод Коэн-Таннуджи и Джон Белл. [8]
На рисунке выше представлена принципиальная схема, с помощью которой Джон Белл продемонстрировал свои неравенства: источник S запутанных фотонов одновременно испускает два фотона и , поляризация которых настроена таким образом, что вектор состояния обоих фотонов равен:
Эта формула просто означает, что фотоны находятся в суперпозиции : они находятся в линейной комбинации обоих фотонов, поляризованных вертикально, и обоих фотонов, поляризованных горизонтально, с равной вероятностью. Затем эти два фотона измеряются с помощью двух поляризаторов P 1 и P 2 , каждый из которых имеет настраиваемый угол измерения: α и β . Результатом измерения каждого поляризатора может быть (+) или (−) в зависимости от того, параллельна или перпендикулярна измеряемая поляризация углу измерения поляризатора.
Один примечательный аспект заключается в том, что поляризаторы, воображаемые для этого идеального эксперимента, дают измеримый результат как в (−), так и в (+) ситуациях. Не все реальные поляризаторы способны на это: некоторые обнаруживают, например, ситуацию (+), но не способны обнаружить ничего в ситуации (−) (фотон никогда не покидает поляризатор). Ранние эксперименты использовали последний тип поляризатора. Поляризаторы Алена Аспекта были способны лучше обнаруживать оба сценария и, следовательно, были гораздо ближе к идеальному эксперименту.
Учитывая аппарат и начальное состояние поляризации, приданное фотонам, квантовая механика способна предсказать вероятности измерения (+,+), (−,−), (+,−) и (−,+) на поляризаторах (P 1 ,P 2 ), ориентированных под углами ( α , β ):
Интересующая нас величина представляет собой корреляционную функцию, заданную формулой [10]
с
где ( α ', β ') — набор различных углов. Согласно неравенству CHSH ,
тип неравенства Белла. Квантовая механика предсказывает максимальное нарушение этого неравенства при | α − β | = | α' − β | = | α' − β' | = 22,5° и | α − β' | = 67,5°.
В 1975 году, поскольку решающий эксперимент, основанный на нарушении неравенств Белла и подтверждающий достоверность квантовой запутанности, все еще отсутствовал, Ален Аспект предложил в своей статье эксперимент, достаточно тщательный, чтобы быть неопровержимым. [11] [12]
Ален Аспект сформулировал свой эксперимент так, чтобы он был как можно более решающим. А именно:
Ален Аспект провел серию из трех раундов все более сложных экспериментов с 1980 по 1981 год. Первый раунд экспериментов воспроизводил экспериментальные тесты Клаузера, Холта и Фрая. Во втором раунде экспериментов Аспект добавил двухканальные поляризаторы, которые повысили эффективность обнаружения. Эти два раунда экспериментов проводились с помощью инженера-исследователя Жерара Роже и физика Филиппа Гранжье
, который в то время был студентом бакалавриата. [8]Третий раунд экспериментов состоялся в 1982 году и был проведен в сотрудничестве с Роджером и физиком Жаном Далибардом , молодым студентом в то время. [8] Этот последний раунд, наиболее близкий к первоначальным спецификациям, будет описан здесь.
Первые эксперименты по проверке неравенств Белла имели источники фотонов низкой интенсивности и требовали непрерывной недели для завершения. Одно из первых усовершенствований Аспекта состояло в использовании источника фотонов на несколько порядков более эффективного. Этот источник позволял обнаруживать 100 фотонов в секунду, тем самым сокращая длительность эксперимента до 100 секунд .
В качестве источника используется кальциевый излучательный каскад, возбуждаемый криптоновым лазером.
Одной из главных задач этого эксперимента было убедиться в том, что корреляция между измерениями P 1 и P 2 не является результатом «классических» эффектов, в частности экспериментальных артефактов.
Например, когда P 1 и P 2 готовятся с фиксированными углами α и β , можно предположить, что это состояние генерирует паразитные корреляции через токовые или массовые петли или некоторые другие эффекты. По сути, оба поляризатора принадлежат к одной и той же установке и могут влиять друг на друга через различные цепи экспериментального устройства и генерировать корреляции при измерении.
Тогда можно представить, что фиксированная ориентация поляризаторов каким-то образом влияет на состояние, в котором испускается пара фотонов. В таком случае корреляции между результатами измерений можно было бы объяснить локальными скрытыми переменными внутри фотонов при их испускании. Ален Аспект упомянул эти наблюдения самому Джону Беллу. [ необходима цитата ]
Один из способов исключить подобные эффекты — определить ориентацию (α, β) поляризаторов в последний момент — после испускания фотонов и до их обнаружения — и расположить их достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить попадание любого сигнала на любой из них.
Этот метод гарантирует, что ориентация поляризаторов во время излучения не влияет на результат (поскольку ориентация еще не определена во время излучения). Он также гарантирует, что поляризаторы не влияют друг на друга, находясь слишком далеко друг от друга.
В результате экспериментальная установка Аспекта имеет поляризаторы P1 и P2, установленные на расстоянии 6 метров от источника и 12 метров друг от друга. При такой установке между испусканием фотонов и их обнаружением проходит всего 20 наносекунд. В течение этого чрезвычайно короткого периода времени экспериментатор должен принять решение об ориентации поляризаторов, а затем сориентировать их.
Поскольку физически невозможно изменить ориентацию поляризатора в течение такого промежутка времени, были использованы два поляризатора — по одному с каждой стороны — и предварительно ориентированы в разных направлениях. Высокочастотное шунтирование случайным образом ориентировано к одному или другому поляризатору. Установка соответствовала одному поляризатору со случайным наклоном угла поляризации.
Поскольку не было возможности заставить испускаемые фотоны спровоцировать наклон, поляризаторы периодически шунтировались каждые 10 наносекунд (асинхронно с испусканием фотона), гарантируя, что направляющее устройство наклонится по крайней мере один раз между испусканием фотона и его обнаружением.
Другой важной характеристикой эксперимента 1982 года было использование двухканальных поляризаторов, которые позволяли получить измеряемый результат в ситуациях (+) и (−). Поляризаторы, использовавшиеся до эксперимента Аспекта, могли обнаружить ситуацию (+), но не ситуацию (−). Эти одноканальные поляризаторы имели два основных неудобства:
Двухканальные поляризаторы, которые Аспект использовал в своем эксперименте, позволили избежать этих двух неудобств и позволили ему напрямую использовать формулы Белла для расчета неравенств.
Технически поляризаторы, которые он использовал, представляли собой поляризационные кубы, которые передавали одну полярность и отражали другую, имитируя устройство Штерна-Герлаха .
Неравенства Белла устанавливают теоретическую кривую числа корреляций (++ или −−) между двумя детекторами в зависимости от относительного угла детекторов . Форма кривой характерна для нарушения неравенств Белла. Соответствие мер форме кривой устанавливает, количественно и качественно, что неравенства Белла были нарушены.
Все три эксперимента Аспекта однозначно подтвердили нарушение, как и предсказывала квантовая механика, тем самым подорвав локальный реалистичный взгляд Эйнштейна на квантовую механику и локальные сценарии скрытых переменных . В дополнение к подтверждению, нарушение было подтверждено точно так, как предсказывала квантовая механика , со статистическим согласием до 242 стандартных отклонений . [13]
Учитывая техническое качество эксперимента, тщательное избежание экспериментальных артефактов и почти идеальное статистическое согласие, этот эксперимент убедил научное сообщество в целом в том, что квантовая физика нарушает неравенства Белла.
После получения результатов некоторые физики обоснованно попытались найти недостатки в эксперименте Аспекта и выяснить, как его улучшить, чтобы противостоять критике.
Против данной установки можно выдвинуть некоторые теоретические возражения:
Идеальный эксперимент, который бы свел на нет любую мыслимую возможность индуцированных корреляций, должен:
Условия эксперимента также страдали от пробела в обнаружении . [1]
После 1982 года физики начали искать применение запутанности, что привело к развитию квантовых вычислений и квантовой криптографии . [8]
За свою работу по этой теме Аспект получил несколько наград, включая премию Вольфа по физике 2010 года и Нобелевскую премию по физике 2022 года , обе из которых он разделил с Джоном Клаузером и Антоном Цайлингером за их тесты Белла. [2] [14]
Упомянутые лазейки удалось устранить только начиная с 1998 года. Тем временем эксперимент Аспекта был воспроизведен, и нарушение неравенств Белла было систематически подтверждено со статистической достоверностью до 100 стандартных отклонений .
Другие эксперименты были проведены для проверки нарушений неравенств Белла с наблюдаемыми величинами, отличными от поляризации, чтобы приблизиться к изначальному духу парадокса ЭПР, в котором Эйнштейн представлял себе измерение двух комбинированных переменных (таких как положение и количество движения) на паре ЭПР. Эксперимент ввел комбинированные переменные (время и энергию), что, в очередной раз, подтвердило квантовую механику. [15]
В 1998 году Женевский эксперимент проверил корреляцию между двумя детекторами, установленными на расстоянии 30 километров друг от друга с использованием швейцарской оптоволоконной телекоммуникационной сети. [16] Расстояние давало больше времени для коммутации углов поляризаторов. Поэтому было возможно иметь совершенно случайное шунтирование. Кроме того, два удаленных поляризатора были полностью независимы. Измерения записывались с каждой стороны и сравнивались после эксперимента путем датирования каждого измерения с помощью атомных часов. Нарушение неравенств Белла было еще раз проверено в строгих и практически идеальных условиях. Если эксперимент Аспекта подразумевал, что гипотетический координационный сигнал должен распространяться в два раза быстрее скорости света c , то Женевский достигал 10 миллионов раз c . [ необходима цитата ]
В 2000 году в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) был проведен эксперимент по запутыванию захваченных ионов с использованием очень эффективного метода обнаружения, основанного на корреляции. [17] Надежность обнаружения оказалась достаточной для того, чтобы эксперимент нарушил неравенства Белла в целом, хотя все обнаруженные корреляции не нарушали их.
В 2001 году команда Антуана Суареса, в которую входил Николя Жизен , участвовавший в Женевском эксперименте, воспроизвела эксперимент с использованием зеркал или детекторов в движении, что позволило им изменить порядок событий в системах отсчета в соответствии со специальной теорией относительности (такая инверсия возможна только для событий без какой-либо причинно-следственной связи). Скорости выбраны таким образом, что когда фотон отражается или пересекает полупрозрачное зеркало, другой фотон уже пересек или был отражен с точки зрения системы отсчета, прикрепленной к зеркалу. Это конфигурация «после-после», в которой звуковые волны играют роль полупрозрачных зеркал.
В 2015 году первые три Bell-теста без существенных лазеек были опубликованы в течение трех месяцев независимыми группами в Делфтском технологическом университете , Венском университете и NIST. Все три теста одновременно рассматривали лазейку обнаружения, лазейку локальности и лазейку памяти. [8]
До экспериментов Аспекта теорема Белла была в основном узкоспециализированной темой. Публикации Аспекта и его коллег вызвали более широкое обсуждение предмета. [18]
Тот факт, что природа нарушает неравенство Белла, подразумевает, что одно или несколько предположений, лежащих в основе этого неравенства, не должны быть верными. Различные интерпретации квантовой механики дают различные взгляды на то, какие предположения следует отвергнуть. [19] [20] [21] Интерпретации копенгагенского типа обычно берут нарушение неравенств Белла за основание для отклонения предположения, часто называемого контрфактуальной определенностью . [22] [23] [24] Это также путь, по которому идут интерпретации, происходящие от копенгагенской традиции, такие как последовательные истории (часто рекламируемые как «Копенгаген, сделанный правильно»), [25] а также QBism . [26] Напротив, все версии многомировой интерпретации нарушают неявное предположение Белла о том, что измерения имеют единственный результат. [27] В отличие от всех них, бомовская или «пилотная волна» интерпретация отказывается от предположения локальности: мгновенная связь может существовать на уровне скрытых переменных, но ее нельзя использовать для отправки сигналов. [28]