Belum lama berselang, fisikawan menunjukkan hasil pertama dari misi QUESS dan satelit Mozi diluncurkan ke orbit dalam kerangka kerjanya, memberikan catatan pemisahan foton terjerat kuantum pada jarak lebih dari 1200 km. Di masa depan, hal ini dapat mengarah pada pembuatan jalur komunikasi kuantum antara Beijing dan Eropa.
Dunia di sekitarnya besar dan beragam - begitu beragam sehingga hukum muncul pada beberapa skala yang sama sekali tidak terpikirkan oleh orang lain. Hukum politik dan Beatlemania tidak mengikuti struktur atom dengan cara apa pun - uraiannya membutuhkan "rumus" dan prinsipnya sendiri. Sulit untuk membayangkan bahwa apel - benda makroskopis yang perilakunya biasanya mengikuti hukum mekanika Newton - hilang dan hilang, bergabung dengan apel lain, berubah menjadi nanas. Namun fenomena paradoks semacam itulah yang memanifestasikan dirinya pada tingkat partikel elementer. Setelah mengetahui bahwa apel ini berwarna merah, kecil kemungkinannya kita akan menghijau yang lain, yang terletak di suatu tempat di orbit. Sementara itu, inilah tepatnya bagaimana fenomena keterjeratan kuantum bekerja, dan inilah yang ditunjukkan oleh fisikawan Tiongkok, yang karyanya kami mulai percakapan kami, tunjukkan. Mari kita coba mencari tahuapa itu dan bagaimana itu bisa membantu umat manusia.
Bohr, Einstein, dan lainnya
Dunia sekitar bersifat lokal - dengan kata lain, agar beberapa objek yang jauh berubah, ia harus berinteraksi dengan objek lain. Selain itu, tidak ada interaksi yang dapat menyebar lebih cepat daripada cahaya: ini membuat realitas fisik menjadi lokal. Sebuah apel tidak dapat menampar kepala Newton tanpa meraihnya secara fisik. Suar matahari tidak dapat langsung memengaruhi pengoperasian satelit: partikel bermuatan harus menempuh jarak ke Bumi dan berinteraksi dengan elektronik dan partikel atmosfer. Tapi di dunia kuantum, lokalitas dilanggar.
Paradoks paling terkenal dari dunia partikel elementer adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menurutnya tidak mungkin untuk secara akurat menentukan nilai dari kedua karakteristik "pasangan" sistem kuantum. Posisi dalam ruang (koordinat) atau kecepatan dan arah gerakan (impuls), arus atau voltase, besarnya komponen listrik atau magnet pada bidang - semua ini adalah parameter "pelengkap", dan semakin akurat kita mengukur salah satunya, semakin kurang pasti detiknya.
Suatu ketika, prinsip ketidakpastianlah yang menyebabkan kesalahpahaman Einstein dan keberatan skeptisnya yang terkenal, "Tuhan tidak bermain dadu." Namun, tampaknya itu bermain-main: semua eksperimen yang diketahui, pengamatan dan perhitungan langsung dan tidak langsung menunjukkan bahwa prinsip ketidakpastian adalah konsekuensi dari ketidakpastian mendasar dunia kita. Dan lagi-lagi kita sampai pada ketidaksesuaian antara skala dan tingkat kenyataan: di mana kita berada, semuanya pasti: jika Anda melepaskan jari-jari Anda dan melepaskan apel, apel itu akan jatuh, tertarik oleh gravitasi bumi. Tetapi pada tingkat yang lebih dalam, tidak ada sebab dan akibat, dan hanya ada tarian probabilitas.
Video promosi:
Paradoks dari keadaan kuantum terjerat partikel terletak pada kenyataan bahwa "pukulan ke kepala" dapat terjadi tepat bersamaan dengan pemisahan apel dari cabangnya. Keterikatan tidak bersifat lokal, dan mengubah objek di satu tempat secara instan - dan tanpa interaksi yang jelas - mengubah objek lain sepenuhnya di tempat lain. Secara teoritis, kita dapat membawa salah satu partikel yang terjerat setidaknya ke ujung lain alam semesta, tetapi bagaimanapun, segera setelah kita "menyentuh" pasangannya, yang tetap di Bumi, dan partikel kedua akan langsung merespons. Tidak mudah bagi Einstein untuk mempercayai hal ini, dan argumennya dengan Niels Bohr dan rekan-rekannya dari "kubu" mekanika kuantum menjadi salah satu subjek yang paling menarik dalam sejarah sains modern. "Realitas pasti," seperti yang dikatakan Einstein dan pendukungnya, "hanya model, persamaan, dan alat kami yang tidak sempurna." “Model bisa apa saja,tetapi realitas itu sendiri di dasar dunia kita tidak pernah sepenuhnya ditentukan,”bantah penganut mekanika kuantum.
Menentang paradoksnya, pada 1935 Einstein, bersama Boris Podolsky dan Nathan Rosen, merumuskan paradoksnya sendiri. “Oke,” mereka beralasan, “katakanlah tidak mungkin untuk mengetahui koordinat dan momentum sebuah partikel pada saat yang bersamaan. Tetapi bagaimana jika kita memiliki dua partikel yang memiliki asal yang sama, yang keadaannya identik? Kemudian kita bisa mengukur momentum salah satu, yang akan memberi kita informasi secara tidak langsung tentang momentum yang lain, dan koordinat yang lain, yang akan memberi pengetahuan tentang koordinat yang pertama. Partikel semacam itu adalah konstruksi spekulatif murni, eksperimen pemikiran - mungkin itulah sebabnya Niels Bohr (atau lebih tepatnya, para pengikutnya) berhasil menemukan jawaban yang layak hanya 30 tahun kemudian.
Mungkin momok pertama dari paradoks kuantum-mekanik diamati oleh Heinrich Hertz, yang memperhatikan bahwa jika elektroda celah percikan diterangi dengan sinar ultraviolet, perjalanan percikan terasa lebih mudah. Eksperimen Stoletov, Thomson, dan fisikawan hebat lainnya memungkinkan untuk memahami bahwa ini terjadi karena fakta bahwa, di bawah pengaruh radiasi, materi memancarkan elektron. Namun, ini sama sekali berbeda dari apa yang disarankan logika; Misalnya energi elektron yang dilepaskan tidak akan lebih tinggi jika kita meningkatkan intensitas radiasi, tetapi akan meningkat jika kita menurunkan frekuensinya. Dengan meningkatkan frekuensi ini, kita sampai pada batas, di mana zat tersebut tidak menunjukkan efek foto - tingkat ini berbeda untuk zat yang berbeda.
Einstein mampu menjelaskan fenomena ini, di mana dia dianugerahi Hadiah Nobel. Mereka terhubung dengan kuantisasi energi - dengan fakta bahwa energi hanya dapat ditransmisikan oleh "bagian mikro" tertentu, kuanta. Setiap foton radiasi membawa energi tertentu, dan jika cukup, maka elektron atom yang menyerapnya akan terbang menuju kebebasan. Energi foton berbanding terbalik dengan panjang gelombang, dan ketika batas efek fotolistrik tercapai, bahkan tidak cukup untuk memberikan energi minimum yang dibutuhkan untuk pelepasan ke elektron. Saat ini fenomena ini ditemui di mana-mana - dalam bentuk panel surya, yang fotoselnya bekerja tepat atas dasar efek ini.
Eksperimen, interpretasi, mistisisme
Pada pertengahan 1960-an, John Bell menjadi tertarik pada masalah nonlokalitas dalam mekanika kuantum. Dia mampu menawarkan dasar matematika untuk eksperimen yang sepenuhnya layak, yang harus diakhiri dengan salah satu hasil alternatif. Hasil pertama "berhasil" jika prinsip lokalitas benar-benar dilanggar, yang kedua - jika, bagaimanapun, itu selalu berhasil dan kita harus mencari teori lain untuk menjelaskan dunia partikel. Pada awal tahun 1970-an, eksperimen semacam itu dilakukan oleh Stuart Friedman dan John Clauser, dan kemudian oleh Alain Aspan. Sederhananya, tugasnya adalah membuat pasangan foton yang terjerat dan mengukur putarannya, satu per satu. Pengamatan statistik telah menunjukkan bahwa putaran tidak bebas, tetapi berkorelasi satu sama lain. Eksperimen semacam itu telah dilakukan hampir terus menerus sejak saat itu,lebih dan lebih tepat dan sempurna - dan hasilnya sama.
Harus ditambahkan bahwa mekanisme yang menjelaskan keterjeratan kuantum masih belum jelas, hanya ada fenomena - dan interpretasi yang berbeda memberikan penjelasannya. Jadi, dalam interpretasi mekanika kuantum di banyak dunia, partikel terjerat hanyalah proyeksi dari kemungkinan status sebuah partikel di alam semesta paralel lainnya. Dalam interpretasi transaksional, partikel-partikel ini dihubungkan oleh gelombang waktu yang berdiri. Bagi "mistik kuantum", fenomena keterjeratan adalah satu lagi alasan untuk mempertimbangkan basis paradoks dunia sebagai cara untuk menjelaskan segala sesuatu yang tidak dapat dipahami, dari partikel elementer itu sendiri hingga kesadaran manusia. Mistik bisa mengerti: jika Anda memikirkannya, maka konsekuensinya pusing.
Eksperimen sederhana Clauser-Friedman menunjukkan bahwa lokalitas dunia fisik pada skala partikel elementer dapat dilanggar, dan dasar realitas ternyata - dengan kengerian Einstein - kabur dan tidak terbatas. Ini tidak berarti bahwa interaksi atau informasi dapat dikirimkan secara instan, dengan mengorbankan keterjeratan. Pemisahan partikel terjerat di ruang berlangsung dengan kecepatan normal, hasil pengukurannya acak, dan sampai kita mengukur satu partikel, partikel kedua tidak akan berisi informasi apa pun tentang hasil yang akan datang. Dari sudut pandang penerima partikel kedua, hasilnya benar-benar acak. Mengapa semua ini menarik minat kami?
Cara menjerat partikel: Ambil kristal dengan sifat optik nonlinier - yaitu, kristal yang interaksinya cahayanya bergantung pada intensitas cahaya ini. Misalnya lithium triborate, barium beta borate, potassium niobate. Menyinari dengan laser dengan panjang gelombang yang sesuai dan foton berenergi tinggi dari radiasi laser kadang-kadang akan meluruh menjadi pasangan foton terjerat dengan energi rendah (fenomena ini disebut "hamburan parametrik spontan") dan terpolarisasi dalam bidang tegak lurus. Yang tersisa hanyalah menjaga partikel yang terjerat tetap utuh dan menyebarkannya sejauh mungkin.
Sepertinya kita menjatuhkan apel saat berbicara tentang prinsip ketidakpastian? Angkat dan lemparkan ke dinding - tentu saja, akan rusak, karena dalam makrokosmos paradoks mekanika kuantum lain - penerowongan - tidak berfungsi. Selama penerowongan, sebuah partikel mampu mengatasi penghalang energi yang lebih tinggi dari energinya sendiri. Analoginya dengan apel dan dinding, tentu saja, sangat mendekati, tetapi jelas: efek terowongan memungkinkan foton menembus ke dalam media pemantul, dan elektron "mengabaikan" lapisan tipis aluminium oksida yang menutupi kabel dan sebenarnya adalah dielektrik.
Logika sehari-hari kita dan hukum fisika klasik tidak terlalu dapat diterapkan pada paradoks kuantum, tetapi mereka masih berfungsi dan digunakan secara luas dalam teknologi. Fisikawan tampaknya telah (sementara) memutuskan: bahkan jika kita belum sepenuhnya mengetahui cara kerjanya, manfaatnya sudah dapat diperoleh hari ini. Efek tunneling mendasari pengoperasian beberapa microchip modern - dalam bentuk dioda terowongan dan transistor, persimpangan terowongan, dll. Dan, tentu saja, kita tidak boleh lupa tentang pemindaian mikroskop penerowongan, di mana penerowongan partikel memberikan pengamatan molekul dan atom individu - dan bahkan manipulasi oleh mereka.
Komunikasi, teleportasi dan satelit
Memang, mari kita bayangkan bahwa kita telah "menjerat kuantum" dua apel: jika apel pertama ternyata merah, maka apel kedua harus hijau, dan sebaliknya. Kami dapat mengirim satu dari Petersburg ke Moskow, menjaga keadaan bingung mereka, tetapi tampaknya itu saja. Hanya jika di St. Petersburg sebuah apel diukur sebagai merah, yang kedua akan berubah menjadi hijau di Moskow. Sampai saat pengukuran, tidak ada kemungkinan untuk memprediksi keadaan apel, karena (semua paradoks yang sama!) Mereka tidak memiliki keadaan yang paling pasti. Apa gunanya keterjeratan ini?.. Dan pengertian itu sudah ditemukan pada tahun 2000-an, ketika Andrew Jordan dan Alexander Korotkov, dengan mengandalkan ide-ide fisikawan Soviet, menemukan cara untuk mengukur, seolah-olah, "tidak sampai akhir", dan karena itu untuk memperbaiki keadaan partikel.
Dengan menggunakan "pengukuran kuantum lemah", Anda seolah-olah dapat melihat apel dengan setengah mata, menangkap sekilas, mencoba menebak warnanya. Anda dapat melakukan ini berulang kali, pada kenyataannya, tanpa melihat apel dengan benar, tetapi dengan yakin menentukan bahwa apel itu, misalnya, merah, yang berarti bahwa apel di Moskow yang membingungkan akan berwarna hijau. Hal ini memungkinkan partikel yang terjerat digunakan berulang kali, dan metode yang diusulkan sekitar 10 tahun yang lalu memungkinkan mereka untuk disimpan dengan berjalan dalam lingkaran untuk waktu yang tidak terbatas. Itu tetap membawa salah satu partikel pergi - dan mendapatkan sistem yang sangat berguna.
Sejujurnya, tampaknya manfaat partikel terjerat jauh lebih banyak daripada yang diperkirakan umumnya, hanya imajinasi kita yang sedikit, yang dibatasi oleh skala realitas makroskopik yang sama, tidak memungkinkan kita untuk menghasilkan aplikasi nyata untuk mereka. Namun, proposal yang sudah ada cukup fantastis. Dengan demikian, berdasarkan partikel yang terjerat, dimungkinkan untuk mengatur saluran teleportasi kuantum, "membaca" lengkap status kuantum dari satu objek dan "merekam" ke objek lain, seolah-olah yang pertama hanya dipindahkan ke jarak yang sesuai. Prospek kriptografi kuantum lebih realistis, yang algoritmanya menjanjikan saluran komunikasi yang hampir "tidak dapat dipecahkan": gangguan apa pun dalam pekerjaannya akan memengaruhi keadaan partikel yang terjerat dan akan segera diketahui oleh pemiliknya. Di sinilah eksperimen Cina QESS (Quantum Experiments at Space Scale) berperan.
Komputer dan satelit
Masalahnya adalah, di Bumi, sulit untuk membuat sambungan yang andal untuk partikel terjerat yang berjauhan. Bahkan dalam serat optik paling canggih, yang melaluinya foton ditransmisikan, sinyal secara bertahap memudar, dan persyaratannya sangat tinggi di sini. Ilmuwan China bahkan menghitung bahwa jika Anda membuat foton terjerat dan mengirimkannya ke dua arah dengan panjang bahu sekitar 600 km - setengah jarak dari pusat sains kuantum di Dalinghe ke pusat di Shenzhen dan Lijiang - maka Anda dapat berharap untuk menangkap pasangan terjerat dalam waktu sekitar 30 seribu tahun. Luar angkasa adalah masalah lain, di ruang hampa yang dalam di mana foton terbang sejauh itu tanpa menemui hambatan. Dan kemudian satelit eksperimental Mozi ("Mo-Tzu") memasuki tempat kejadian.
Sebuah sumber (laser dan kristal nonlinier) dipasang di pesawat ruang angkasa, yang setiap detik menghasilkan beberapa juta pasang foton terjerat. Dari jarak 500 hingga 1700 km, beberapa foton ini dikirim ke observatorium berbasis darat di Dalinghe di Tibet, dan yang kedua ke Shenzhen dan Lijiang di Tiongkok selatan. Seperti yang diperkirakan, hilangnya partikel utama terjadi di lapisan bawah atmosfer, tetapi ini hanya sekitar 10 km dari jalur setiap berkas foton. Akibatnya, saluran partikel yang terjerat menutupi jarak dari Tibet ke selatan negara itu - sekitar 1200 km, dan pada November tahun ini jalur baru dibuka, yang menghubungkan provinsi Anhui di timur dengan provinsi tengah Hubei. Sejauh ini, saluran tersebut kurang dapat diandalkan, tetapi ini sudah masalah teknologi.
Dalam waktu dekat, China berencana meluncurkan satelit yang lebih canggih untuk mengatur saluran semacam itu dan berjanji bahwa segera kita akan melihat koneksi kuantum yang berfungsi antara Beijing dan Brussel, pada kenyataannya, dari satu ujung benua ke ujung lainnya. Paradoks "mustahil" lain dari mekanika kuantum menjanjikan lompatan lain dalam teknologi.
Sergey Vasiliev
