Prediksi mekanika kuantum terkadang sulit dikaitkan dengan gagasan tentang dunia klasik. Sementara posisi dan momentum sebuah partikel klasik dapat diukur secara bersamaan, dalam kasus kuantum, Anda hanya dapat mengetahui kemungkinan menemukan sebuah partikel dalam satu keadaan atau lainnya. Selain itu, teori kuantum menyatakan bahwa ketika dua sistem terjerat, mengukur keadaan salah satunya secara instan memengaruhi yang lain. Pada 2015, tiga kelompok fisikawan membuat kemajuan signifikan dalam memahami sifat keterjeratan dan teleportasi kuantum. Physics Today dan Lenta.ru berbicara tentang pencapaian para ilmuwan.
Albert Einstein tidak setuju dengan interpretasi probabilistik dari mekanika kuantum. Dalam hubungan inilah dia mengatakan bahwa "Tuhan tidak bermain dadu" (yang kemudian dijawab oleh fisikawan Denmark Niels Bohr bahwa bukan Einstein yang memutuskan apa yang harus dilakukan dengan Tuhan). Ilmuwan Jerman tidak menerima ketidakpastian yang melekat di dunia mikro, dan menganggap determinisme klasik adalah benar. Pencipta teori relativitas umum percaya bahwa ketika mendeskripsikan dunia mikro, mekanika kuantum tidak memperhitungkan beberapa variabel tersembunyi, yang tanpanya teori kuantum itu sendiri tidak lengkap. Ilmuwan menyarankan untuk mencari parameter tersembunyi saat mengukur keadaan kuantum dengan perangkat klasik: proses ini melibatkan perubahan pertama demi detik, dan Einstein menganggap mungkin untuk bereksperimen di mana tidak ada perubahan seperti itu.
Sejak itu, para ilmuwan telah mencoba untuk menentukan apakah ada variabel tersembunyi dalam mekanika kuantum atau apakah itu adalah penemuan Einstein. Masalah variabel tersembunyi diformalkan pada tahun 1964 oleh fisikawan teoretis Inggris John Bell. Dia mengusulkan ide eksperimen di mana keberadaan parameter tersembunyi dalam sistem dapat ditemukan dengan melakukan analisis statistik dari serangkaian eksperimen khusus. Eksperimennya seperti ini. Sebuah atom ditempatkan di medan luar, secara bersamaan memancarkan sepasang foton, yang tersebar ke arah yang berlawanan. Tugas para peneliti adalah melakukan beberapa pengukuran arah putaran foton.
Ini akan memungkinkan untuk mengumpulkan statistik yang diperlukan dan, dengan menggunakan pertidaksamaan Bell, yang merupakan deskripsi matematis dari keberadaan parameter tersembunyi dalam mekanika kuantum, periksa sudut pandang Einstein. Kesulitan utama terletak pada implementasi praktis eksperimen, yang kemudian berhasil direproduksi oleh fisikawan. Para peneliti telah menunjukkan bahwa kemungkinan besar tidak ada parameter tersembunyi dalam mekanika kuantum. Sementara itu, ada dua celah teori (lokasi dan deteksi) yang bisa membuktikan kebenaran Einstein. Secara umum, ada lebih banyak celah. Eksperimen tahun 2015 menutupnya dan menegaskan bahwa kemungkinan besar tidak ada realisme lokal di mikrokosmos.
"Tindakan seram" antara Bob dan Alice
Gambar: JPL-Caltech / NASA
Kita berbicara tentang eksperimen tiga kelompok fisikawan: dari Universitas Teknik Delft di Belanda, Institut Standar dan Teknologi Nasional di Amerika Serikat dan Universitas Wina di Austria. Eksperimen para ilmuwan tidak hanya mengkonfirmasi kelengkapan mekanika kuantum dan tidak adanya parameter tersembunyi di dalamnya, tetapi juga membuka kemungkinan baru kriptografi kuantum - metode mengenkripsi informasi (melindunginya) menggunakan keterikatan kuantum menggunakan protokol kuantum - dan mengarah pada pembuatan algoritme yang tidak dapat dipecahkan untuk menghasilkan nomor acak.
Video promosi:
Keterikatan kuantum adalah fenomena di mana status kuantum partikel (misalnya, spin elektron atau polarisasi foton), dipisahkan oleh jarak satu sama lain, tidak dapat dijelaskan secara independen. Prosedur untuk mengukur keadaan satu partikel mengarah pada perubahan keadaan partikel lainnya. Dalam eksperimen tipikal pada keterjeratan kuantum, agen-agen yang berinteraksi dengan jarak terpisah - Alice dan Bob - masing-masing memiliki satu partikel (foton atau elektron) dari sepasang partikel yang terjerat. Pengukuran partikel oleh salah satu agen, misalnya, Alice, berkorelasi dengan keadaan yang lain, meskipun Alice dan Bob tidak tahu sebelumnya tentang manipulasi satu sama lain.
Ini berarti bahwa partikel entah bagaimana menyimpan informasi tentang satu sama lain, dan tidak menukarnya, katakanlah, dengan kecepatan cahaya menggunakan beberapa interaksi mendasar yang diketahui sains. Albert Einstein menyebutnya "aksi menyeramkan dari kejauhan". Partikel yang terjerat melanggar prinsip lokalitas, yang menurutnya keadaan suatu objek hanya dapat dipengaruhi oleh lingkungan terdekatnya. Kontradiksi ini dikaitkan dengan paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (yang mengasumsikan ketidaklengkapan mekanika kuantum dan keberadaan parameter tersembunyi yang disebutkan di atas) dan merupakan salah satu kesulitan konseptual utama (yang, bagaimanapun, tidak lagi dianggap sebagai paradoks) mekanika kuantum (setidaknya dalam interpretasi Kopenhagen-nya.).
Skema percobaan para ilmuwan Belanda
Foto: arXiv.org
Pendukung realisme lokal berpendapat bahwa hanya variabel lokal yang dapat mempengaruhi partikel, dan korelasi antara partikel Alice dan Bob dilakukan dengan menggunakan beberapa metode tersembunyi yang masih belum diketahui oleh para ilmuwan. Tugas para ilmuwan adalah untuk menyangkal kemungkinan ini secara eksperimental, khususnya untuk mencegah penyebaran sinyal tersembunyi dari satu agen ke agen lainnya (dengan asumsi itu bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa - kemungkinan maksimum di alam), dan dengan demikian menunjukkan bahwa perubahan dalam status kuantum partikel kedua telah terjadi sebelum sinyal laten dari partikel pertama bisa mencapai yang kedua.
Dalam praktiknya, ini berarti menempatkan Bob dan Alice pada jarak yang cukup jauh satu sama lain (setidaknya puluhan meter). Ini mencegah perambatan sinyal tentang perubahan status salah satu partikel sebelum mengukur status lainnya (perangkap lokasi). Sementara itu, ketidaksempurnaan pendeteksian status kuantum partikel tunggal (terutama foton) menyisakan ruang untuk celah pengambilan sampel (atau pendeteksian). Untuk pertama kalinya, fisikawan dari Universitas Teknologi Delft berhasil mengatasi dua kesulitan sekaligus.
Dalam percobaan, kami menggunakan sepasang detektor berlian dengan pemisah sinyal di antara keduanya. Para ilmuwan mengambil sepasang foton yang tidak terjerat dan menyebarkannya ke ruang yang berbeda. Kemudian masing-masing elektron terjerat dengan sepasang foton, yang kemudian dipindahkan ke ruang ketiga. Selama percobaan, dimungkinkan untuk mengamati bahwa perubahan keadaan (spin) salah satu elektron mempengaruhi elektron lainnya. Hanya dalam 220 jam (lebih dari 18 hari), fisikawan telah menguji ketimpangan Bell sebanyak 245 kali. Jumlah elektron yang diamati diukur menggunakan sinar laser.
Dalam percobaan, dimungkinkan untuk mengukur status kuantum partikel yang dipisahkan oleh jarak sekitar 1,3 kilometer dan untuk menunjukkan validitas ketidaksamaan Bell (yaitu, validitas teori kuantum dan kekeliruan konsep realisme lokal). Hasil penelitian ini dipublikasikan di jurnal Nature. Penulisnya diprediksikan akan mendapatkan Hadiah Nobel dalam bidang fisika.
Posisi detektor dalam eksperimen Belanda
Foto: arXiv.org
Tim dari Amerika Serikat dan Austria telah bereksperimen dengan foton. Dengan demikian, para ilmuwan dari National Institute of Standards and Technology mampu memecahkan rekor jarak teleportasi kuantum (transmisi status kuantum suatu sistem melalui jarak jauh) melalui kabel serat optik, membawanya keluar pada jarak 102 kilometer. Untuk melakukan ini, para ilmuwan menggunakan empat detektor foton tunggal yang dibuat di institut yang sama berdasarkan kawat nano superkonduktor (didinginkan hingga minus 272 derajat Celcius) dari molibdenum mengandung silika. Hanya satu persen dari foton yang menempuh jarak 102 kilometer. Rekor sebelumnya untuk jarak teleportasi kuantum melalui fiber adalah 25 kilometer (sebagai perbandingan: rekor jarak teleportasi kuantum melalui udara adalah 144 kilometer).
Ilmuwan Austria menggunakan sensor yang lebih efisien daripada sensor Amerika, tetapi resolusi temporal dalam eksperimen fisikawan dari AS jauh lebih tinggi. Tidak seperti fisikawan Belanda, yang penyiapannya mencatat sekitar satu peristiwa per jam, ilmuwan dari Amerika Serikat dan Austria mampu melakukan lebih dari seribu pengujian per detik, yang secara virtual menghilangkan korelasi kebetulan dalam hasil eksperimen.
Para ilmuwan saat ini mencoba untuk meningkatkan efisiensi eksperimen - mereka membawa partikel ke jarak yang lebih jauh dan meningkatkan frekuensi pengukuran. Sayangnya, perpanjangan saluran optik menyebabkan hilangnya sebagian kecil partikel yang terdeteksi dan sekali lagi menimbulkan bahaya celah deteksi. Para ilmuwan di National Institute of Standards and Technology sedang mencoba untuk melawan ini dengan menggunakan generator bilangan acak kuantum dalam eksperimen. Dalam hal ini, tidak perlu membawa foton jarak jauh, dan teknologi yang dibuat akan berguna dalam kriptografi kuantum.
Andrey Borisov
