Локальность мира опровергли в космических масштабах

Световые конусы возможных событий, связанных с измерением запутанности. A и B — звезды, расположенные в удаленных точках неба и на расстоянии 600 и 1900 световых лет от Земли. По вертикальной оси отложено время.

Johannes Handsteiner et al. / arXiv.org, 2016

Физики из Австрии, США, Германии и Китая обнаружили нарушение локального реализма нашего мира в рекордном по масштабу эксперименте. В качестве одного из «элементов» эксперимента физики использовали свет удаленных звезд — он заменил собой обычный «генератор случайных чисел». По словам авторов, это позволило устранить один из изъянов, существующих в традиционных проверках локальности — возможность возникновения скрытых корреляций в прошлом системы. С препринтом исследования можно ознакомиться на сайте arXiv.org, 7 февраля 2017 года исследование прошло рецензирование и было опубликовано в Physical Review Letters.

Локальность — свойство классической физики, которое указывает на то, что изменения в одной точке Вселенной не могут мгновенно изменять физическую действительность в другой точке: событие на Венере не может мгновенно увеличить частоту распада пи-мезонов на Земле. Это свойство лежит в основе классического принципа причинности и возникает из ограничений на скорость передачи взаимодействий скоростью света. В квантовой механике такая локальность может быть специальным образом нарушена.

К нарушениям локальности относятся системы запутанных частиц. Примером такой системы может послужить пара фотонов, родившихся в результате спонтанного параметрического рассеяния — превращения одного кванта в два с меньшей энергией. Поляризация этих фотонов взаимно перпендикулярна, но до измерения фотоны не «знают» своей поляризации. Если измерять поляризацию только одного или другого фотона, то окажется, что она случайна. Но если следить за поляризациями в парах фотонов, то окажется, что измерение состояния первого фотона моментально сказывается на состоянии второго. Он изменяет свое состояние, «подстраиваясь» под результат измерения первой частицы. Это явление Эйнштейн назвал «кошмарным дальнодействием». Важно отметить, что передавать информацию со скоростью быстрее скорости света с помощью этого эффекта нельзя. 

С точки зрения квантовой физики, пара запутанных фотонов ведет себя подобно единой системе вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет. Такое поведение можно списать на наличие некоторых скрытых параметров или переменных в частицах, которые еще до момента измерения синхронизируют состояния фотонов. Однако можно поставить достаточно сложный эксперимент, который способен статистически различить нелокальность и наличие скрытых параметров с помощью многократных измерений состояний частиц. Отличия статистики (частота совпадений результатов специальных измерений) описывается неравенствами Белла.


Многочисленные эксперименты подтвердили нарушение неравенств Белла в системах с запутанными частицами. Однако каждый из них содержал некоторые допущения, необходимые для интерпретации данных. Эти допущения — своеобразные «логические изъяны», с помощью которых можно имитировать нарушения локальности. Например, один такой изъян состоит в том, что не все пары запутанных частиц в экспериментах детектируются. Теоретически, можно предположить, что детектируемая выборка событий нерепрезентативна. За счет избежавших детекции фотонов можно «отменить» нарушения неравенств Белла. Для того чтобы закрыть это допущение физики разработали эксперимент с высокой эффективностью детектирования.

Новая работа посвящена другому допущению, используемому в экспериментах. Традиционно предполагается, что скрытые параметры должны возникать в момент создания пары запутанных частиц. Вместе с тем, формулировка неравенств Белла не требует этого допущения.

Для измерений состояний фотонов в проверке локальности используются случайно выбираемые базисы (например, для измерения поляризации случайным образом выбираются ориентации поляризаторов). Предполагается, что между их выбором для обоих фотонов нет никакой связи. Но если убрать это допущение, то можно теоретически получить ситуацию, в которой неравенство Белла нарушается несмотря на сохранение локальности. Иными словами, скрытые параметры могут возникать до возникновения запутанных пар.

Авторы новой работы нашли способ фундаментально ограничить временной промежуток, в который могут возникнуть скрытые параметры. Это, соответственно, ограничивало корреляции между случайными выборами способов измерений фотонов. 

Эксперимент был устроен следующим образом. Источник запутанных фотонов находился в здании Института квантовой оптики и квантовой информации (Вена). Пары запутанных фотонов передавались на две измерительные установки: одна в Австрийском национальном банке и одна в Университете природных ресурсов. Расстояние до зданий составляли 1149 и 557 метров, соответственно. Для фокусировки пучка фотонов (для приема и передачи) использовалась пара телескопов. Фотоны были запутаны по поляризации.

В зданиях происходили независимые измерения поляризации с помощью поляризаторов, установленных под определенным углом. Требования эксперимента по проверке неравенств Белла требуют случайного выбора базиса — расположения поляризаторов. В одном здании требовалось случайным образом выставлять поляризатор под углом 90 или 45 градусов, в другом — 22,5 и 67,5.

Возможные корреляции, которые могли возникнуть в прошлом, авторы убрали, использовав в качестве генераторов случайных условий звезды. С помощью пары телескопов ученые фиксировали цвет фотонов, прилетавших от двух различных звезд — в согласии с современными знаниями, распределение фотонов по цветам вдоль одного направления можно рассматривать как случайное.

В случае если  длина волны «звездного» фотона была ближе к коротковолновому диапазону, прибор проводил измерения в одном базисе, если фотон относился к инфракрасному диапазону — в другом.

Выбранные звезды находились на расстоянии 600 и свыше 1000 световых лет от Земли, в разных направлениях от наблюдателя. В соответствии с принципом причинности, скрытые переменные в таком эксперименте могли возникнуть не раньше, чем 600 лет назад, а событие, которое могло обеспечить подобные корреляции, должно было произойти, по меньшей мере, 2000 лет назад.

Несмотря на такие ограничения, авторы с уверенностью обнаружили в статистике эксперимента отклонения от неравенств Белла на уровне не менее 11 стандартных отклонений. В физике элементарных частиц, к примеру, для заявления об открытии достаточно значимости в пять стандартных отклонений.

Ученые подчеркивают, что эксперимент не закрывает полностью допущение о том, что скрытые переменные могут возникать в прошлом. Он лишь накладывает ограничения на то, в каком временном отрезке могли действовать механизмы, подчиняющиеся принципам локальности. По словам авторов, дальнейшие эксперименты, использующие излучение квазаров или гравитационные волны могут наложить ограничения в миллиарды лет до эксперимента, вплоть до эпохи ранней Вселенной.

Существует большое количество различных интерпретаций квантовой механики. Самой распространенной является копенгагенская интерпретация — в согласии с ней все процессы можно описывать как вероятностные. С вероятностной трактовкой долгое время не мог согласиться Эйнштейн — он указывал, что «Бог не играет в кости». Эта трактовка соответствует детерминизму и принципу причинности. Кроме того, существует многомировая интерпретация квантовой механики и ряд других, менее популярных трактовок.

Обновление (8 февраля 2017 года): Работа прошла процедуру рецензирования и опубликована в журнале Physical Review Letters. В обновленной версии статьи статистическая значимость результатов двух идентичных экспериментов упала до 7,31 и 11,9 сигма, что по-прежнему больше требуемых в физике элементарных частиц пяти сигма. Снижение значимости связано с новым подходом к ее вычислению: ранее каждая регистрация одиночных фотонов рассматривалась как независимое событие. Теперь же физики учли возможные «эффекты памяти», подробнее с ними можно ознакомиться в приложении к статье.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.