Представительная выборка в действии.
Fair sampling in action.
Третья лазейка Белла закрыта для фотонов
Третья и последняя лазейка в важном тесте квантовой природы фотона была закрыта международной группой физиков. Исследователи закрыли то, что называется лазейкой «представительной выборки», которая говорит, что не квантовые, а классические эффекты могут быть ответственны за обнаруженные корреляции между парами запутанных фотонов. Фотон является первой системой, в которой нарушение «неравенства Белла» было однозначно установлено. В то время как некоторые физики будут удивлены, что все три лазейки уже закрыты, это могло бы стать важным шагом на пути развития безотказной квантовой криптографии.
Эксперимент по закрытию лазейки исполнили Антон Цайлингер (Anton Zeilinger), Марисса Джистина (Marissa Giustina) и их коллеги из Венского университета, Австрийской академии наук, Института Макса Планка квантовой оптики и немецкой и американской лабораторий национальных стандартов (PTB и NIST). В нем приняли участие два наблюдателя, получившие наименования Алиса и Боб, и источник, который создавал пары фотонов, которые поляризационно запутаны - квантово-механическая концепция, приводящая к определенной корреляции между поляризациями, гораздо более сильной, чем это допускается классической физикой.
Это означает, что если Алиса измеряет поляризацию последовательностей фотонов, она получает случайный результат. Но, в то время как измерения Боба также появляются случайно, его результаты коррелированы при сравнении их фотон за фотоном с результатами Алисы. Другими словами, когда фотон Алисы имеет вертикальную поляризацию, например, у Боба наиболее вероятно будет фотон с такой же поляризацией.
В 1964 году Джон Белл, физик из Северной Ирландии, стал известен тем, что подсчитал верхний предел того, насколько сильными могут быть эти корреляции, если они были бы вызваны только классической физикой - это стало известно как неравенство Белла. Корреляции сильнее, чем этот предел, рассуждал он, могут произойти только, если фотоны были запутанными, как это определено квантовой механикой. Но, не смотря на то, что многие эксперименты подтвердили, что неравенство Белла действительно нарушается, эти эксперименты - использующие фотоны, ионы и других запутанные частицы - страдают от лазеек [возможных неучтенных факторов]. Скептик может поэтому утверждать, что нарушение происходит из-за некоторого непредвиденного эффекта классической физики, а не является квантовым эффектом.
Закрытие лазеек
Существуют три основные лазейки. Во-первых, это «лазейка локальности», по которой информацией об измерениях могут каким-то образом обмениваться детекторы Алисы и Боба. Во-вторых, лазейка «свободы выбора», в результате которой источник запутанных частиц может как-то общаться классически с детекторами и влиять на измерения.
Обе лазейки были закрыты одновременно для фотонов в эксперименте, сделанном в 2010 году группой во главе с Цайлингером после того как исследователи передали фотоны на расстояние до 144 км между двумя из Канарских островов. Это означало, что действие каких либо таинственных связей между детекторами и источником была не возможна, потому что это должно было бы произойти быстрее, чем скорость света.
Что касается третьей основной проблемы для нарушения неравенства Белла - так называемая лазейка «представительной выборки» - это утверждение, что классическое объяснение возможно, если эксперимент обнаруживает только некоторые из пар фотонов, а не обнаруживает каждую из них. Если этот измерительный процесс, так или иначе, предпочитает коррелированные пары в ущерб некоррелированным парам, то будет измеряться кажущееся нарушение неравенства Белла. Эта лазейка была закрыта более десяти лет назад для спутанных пар ионов, но чрезвычайно трудно обнаружить каждый фотон в эксперименте.
К счастью, около 20 лет назад Филипп Эберхард из лаборатории Лоуренса в Беркли в США сотворил новый тип неравенства, который принимает во внимание незамеченные события. Данная интерпретация требует, чтобы только 67% всех спутанных фотонов должны быть обследованы. Но даже для достижения этого нижнего порога, команда должна была сделать значительные улучшения оборудования, используемого для создания и обнаружения спутанных фотонов. Пары были сделаны с помощью «спонтанного параметрического рассеяния света», в результате чего более высоко энергетические фотоны обстреливают специальный кристалл для получения пар с более низкой энергией поляризационно спутанных фотонов.
Эти пары разделяют с помощью оптической системы и направляют на два раздельных детектора фотонов, играющие роль Алисы и Боба. Чтобы убедиться, что эффективность регистрации очень высока исследователи использовали сверхпроводящие датчики пограничного перехода (TES - transition-edge sensor) для обнаружения света. Когда фотон поглощается TES-датчиком, то дополнительная энергия нагревает сверхпроводник и он возвращается в свое обычное состояние, что характеризуется большим увеличением его электрического сопротивления, которое может быть обнаружено.
Окончательный улов
Команда провела серию экспериментов, каждая из которых длится около пяти минут и включает около 24 миллионов спутанных пар, из которых были отловлены 75% пар. Данные показали ошеломляющие 69σ нарушения неравенства Эберхарда - эффективно закрыв дверь в лазейку представительной выборки.
Существует, однако, одна загвоздка. Чтобы гарантировать, что более 67% пар было обнаружено, эксперимент был проведен в лаборатории и Алиса, Боб и источник находились близко друг к другу. В результате данный эксперимент не исключает одновременно другие две лазейки. По мнению Джистин, закрытие всех трех в эксперименте на Канарских островах будет крайне сложно.
Хотя этот последний эксперимент вряд ли изменит отношение большинства физиков к квантовой механике - большинство из них и не сомневается в спутанности и других квантовых эффектах - возможность создавать системы, в которых все три лазейки закрыты, может иметь важные последствия для развития квантовой криптографии. Это потому, что криптография опирается на запутанность и, следовательно, лазейка в системе может быть использована квантовыми хакерами.
"Существует, однако, одна загвоздка. Чтобы гарантировать, что более 67% пар было обнаружено, эксперимент был проведен в лаборатории и Алиса, Боб и источник находились близко друг к другу."
Ты меня извини, Олег, но КАКИМ Образом, в пределах Пространства ОДНОЙ лаборатории, можно установить Превышение скорости Света (скорости перемещения "обычных", таких же "запутанных" - согласно КМ, фотонов) при передаче Сигнала - используя для ТАКОЙ передачи Такие же (ровно в такой же степени "запутанные") другие фотоны.
Я думаю, у физиков на сегодня НЕТ способа ИЗМЕРИТЬ ДОСТОВЕРНО расхождения ТАКИХ скоростей и на расстоянии 100 км, а тем более на паре десятков метров.
Как и нет достоверного способа "нанести" на "отдельные" фотоны специфические метки-определители в таких опытах. Чтобы "снять" их на результирующем этапе эксперимента.
Еще раз прошу прощения, но я вспоминаю наблюдения раннего детства - гадалка матери говорит: вот видишь эту карту - это дальняя дорога, а вот эта - письмо. Не переживай, скоро получишь... ну, и так далее. Похоже, до ужаса:-)))
И самое главное - успокаивает же!
О. Е. Кириллов
26 апреля 2013 г.
21:25:43
"Это означало, что действие каких либо таинственных связей между детекторами и источником была не возможна, потому что это должно было бы произойти быстрее, чем скорость света."
Логику этой фразы не могу понять. Что, существование предельной скорости распространения сигналов в виде скорости света такое уж не зыблемое свойство Природы, что в нем даже и сомнений и нет ни у кого?
Думается, эксперимент на Канарских островах не закрыл лазейку "нелокальности", а обострил ее!
Насчет "представительности выборки" терзают меня смутные сомнения... Неужели более 67% рожденных спутанных пар регистрируются установкой? За пять минут всего 24 миллиона пар?! 80 тысяч в секунду, 80 штук в миллисекунду.. По меркам микромира миллисекунда - это огромное время! Мне казалось, что их там миллиарды миллиардов этих фотонов излучается - ведь излучающих атомов многие миллиарды. Как тут контролируется и мониторится процесс, совершенно не понятно.
Это не к тому, что я сомневаюсь в результатах эксперимента - просто не понятно как он проводится, но это уже больше мои проблемы, чем проблемы авторов.