Реальность квантовой запутанности подтвердил свет древнейших квазаров

Физики использовали свет, испущенный до рождения Солнца, чтобы подтвердить удивительный мгновенный обмен информацией между запутанными частицами.  Эксперимент описан в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Антоном Цайлингером (Anton Zeilinger) из Института квантовой оптики и квантовой информации в Австрии. 

Напомним в двух словах что такое квантовая запутанность. Между двумя запутанными частицами существует своего рода незримая связь. Пусть каждая из запутанных частиц А и Б находится в своей лаборатории. Физик из лаборатории А случайным образом выбирает, какой параметр частицы он хочет измерить. Сотрудник лаборатории Б тоже делает подобный выбор, не ведая о том, что именно измерил его коллега из лаборатории А. Но оказывается, что результат, полученный физиком А, зависит от того, какой параметр измерял учёный Б. Хотя, напомним, работают они с двумя разными частицами. Эта связь сохраняется даже тогда, когда лаборатории располагаются очень далеко друг от друга, настолько далеко, что информация из одной по законам физики никак не смогла бы достичь другой даже со скоростью света.

Этот эффект не является неожиданностью для теоретиков: он прямо следует из постулатов квантовой механики. Кроме того, он проверен в многочисленных экспериментах и даже стал основой квантового шифрования, которое уже применяется на практике. Однако для человеческого сознания явление выглядит так странно, что физики неутомимо ищут лазейки для альтернативных объяснений.

Один из возможных вариантов выглядит так. Что, если некий неизвестный процесс заранее определяет, какие величины будут измерять физики? Тем более что на практике они делают выбор не сами (трудно было бы сделать его случайно и независимо во многих тысячах экспериментов), а передоверяют его генераторам случайных чисел.

Но, если выбор был незаметно для экспериментаторов сделан ещё до того, как частицы были разнесены на большое расстояние, то никакой "сверхсветовой связи" не понадобится. В самом деле, если положить каждую перчатку из пары в отдельную коробку, потом их можно разослать хоть в разные галактики, и всё равно, если в коробке А обнаружится левая перчатка, то в коробке Б будет, соответственно, правая.

Цайлингер и его коллеги решили исключить этот вариант. Для этого они переложили выбор на процесс, протекавший за миллиарды лет до рождения Солнца.

11 января 2018 года физики начали эксперимент на вершине горы, расположенной на Канарских островах. Эта гора примечательна тем, что на ней примерно в километре друг от друга стоят два четырёхметровых оптических телескопа. В эту ночь каждый из них был направлен на свой квазар.

Кванты света, принимаемые любым телескопом, разумеется, отличаются по длине волны. Исследователи использовали этот факт для выбора измеряемой физической величины. Если длина волны принятой телескопом порции излучения была больше некоторой эталонной, поляризатор устанавливался под одним углом, а если меньше, то под другим. В итоге измерялась та или иная поляризация запутанных фотонов.

Подчеркнём, что кванты света, принятые от квазаров, не были запутанными. Они использовались только для решения вопроса, под каким углом устанавливать поляризаторы, то есть какую характеристику запутанных фотонов измерять. Сами запутанные фотоны порождались отдельным процессом.

Эксперимент проводился в два сеанса с двумя разными парами квазаров. Каждый опыт длился около 15 минут. В первом испытании участвовало 17663, а во втором 12420 пар запутанных фотонов.

Измерения подтвердили наличие запутанности. При этом ближайший из квазаров, "делавших выбор", располагался на расстоянии 7,8 миллиарда световых лет от Земли, а остальные дальше 12 миллиардов. Для сравнения: нашей планете около 4,5 миллиарда лет, Солнцу около 5 миллиардов, Вселенной в целом 13,7 миллиарда лет.

Как говорил философ Дэвид Юм, доказательством чуда может служить такое свидетельство, ложность которого представляла бы собой ещё большее чудо. Непросто представить себе реальность квантовой запутанности. Но ещё труднее допустить, что некий процесс заранее сделал четыре квазара такими, чтобы кванты их света, встретившись в ничем не примечательной точке пространства через 8–12 миллиардов лет после своего рождения, вели себя как сговорившиеся. Поэтому удивительное квантовое явление в очередной раз доказало свою реальность.