Так играет ли Бог в кости, по крайней мере, в квантовые?

26 февраля 2016 г., 13:12

Генераторы случайных чисел, разработанные в ICFO (Институт оптики) группами проф. Моргана Митчела (Morgan W. Mitchell) и Валерио Прюнери (Valerio Pruneri), сыграли решающую роль в историческом эксперименте, опубликованном в Nature группой Рональда Хэнсона (Ronald Hanson) из Делфтского технического университета. Эксперимент дает самое сильное на сегодняшний день опровержение принципа "локального реализма" Альберта Эйнштейна, который говорит, что Вселенная подчиняется законам, а не случаю, и что нет связи быстрее, чем свет.

(Принцип локального реализма является сочетанием принципа локальности и «реалистического» предположения, что все объекты должны объективно иметь ранее существующие значения физических величин для любого возможного измерения до того, как это измерение будет выполнено, - прим. ред.)

Как описано группой Хэнсона, эксперимент в Делфте впервые "зацепил" два электрона, захваченных в ловушки внутри двух различных кристаллов алмаза, а затем измерил ориентации электронов. В квантовой теории зацепление является могущественным и загадочным: математически два электрона описываются одной волновой функцией, которая определяет, являются ли они когерентными или не когерентными, а не в каком направлении расположены их спины. В математическом смысле они теряют свою индивидуальность. Локальный реализм пытается объяснить те же явления с меньшей таинственностью, говоря, что спины должны быть направлены куда-то, мы просто не знаем их направления, пока мы их не измерим.

При измерении, выполненном в Делфте, электроны действительно показывают индивидуальную случайность, но в то же время очень хорошо согласованную. Так хорошо, на самом деле, что они не могут иметь ранее существовавшие ориентации, как утверждает реализм. Такое поведение возможно, только если электроны «общаются» друг с другом, что очень удивительно для электронов, захваченных в разных кристаллах. Но вот что еще более удивительно: в эксперименте в Делфте алмазы находились в разных зданиях на расстоянии 1,3 км друг от друга. Более того, измерения были проведены так быстро, что не было времени для взаимодействия электронов, даже с сигналами, передающимися со скоростью света. Это ставит принцип "локального реализма" в очень узкие рамки: если ориентации электронов реальны, электроны должны были сообщить их друг другу. Но если они были сообщены, это должно быть сделано быстрее, чем со скоростью света. Поскольку это неосуществимо, то принцип локального реализма опровергнут. Либо Бог играет в "кости" со Вселенной, либо спины электронов могут разговаривать друг с другом быстрее, чем со скоростью света.

Этот удивительный эксперимент требует сверхбыстрых, непредсказуемых решений о том, как измерить электронные ориентации. Если измерения были бы предсказуемы, электроны могли договориться заранее, какую ориентацию принять, имитируя связь там, где на самом деле ее не было, пробел в экспериментальном доказательстве, известный как "лазейка". Чтобы закрыть эту лазейку, команда Делфт обратилась в ICFO, в котором удерживается рекорд по самым быстрым квантовым генераторам случайных чисел. ICFO разработал пару "квантовых костей" для эксперимента: специальную версию их запатентованной технологии генерирования случайных чисел, включающую очень быструю электронику "извлечения случайности". Генератор вырабатывал один чрезвычайно чистый случайный бит для каждого измерения, проведенного в эксперименте в Делфте. Биты генерировались около 100 нс, время, за которое свет проходит всего в 30 м, что не достаточно для общения электронов. «Делфт попросил нас выйти за рамки существующего уровня техники генерации случайных чисел. Никогда прежде эксперимент не требовал такие хорошие случайные числа за такое короткое время», - сказал Карлос Абейан (Carlos Abellán), аспирант в ICFO и соавтор исследования в Делфте.

Для команды ICFO участие в эксперименте в Делфте было больше, чем шанс внести свой вклад в фундаментальную физику. Проф. Морган Митчелл заметил: «Работа над этим экспериментом побудила нас разработать технологии, которые мы теперь можем применить для улучшения безопасности связи, высокопроизводительных вычислений и в других областях, которые требуют высокой скорости и высокого качества случайных чисел».

С помощью квантовых генераторов случайных чисел ICFO эксперимент в Делфте дает почти идеальное опровержение мировоззрения Эйнштейна, в котором "ничего не движется быстрее, чем свет" и "Бог не играет в кости". По крайней мере, одно из этих утверждений должно быть неправильным. Законы, которые управляют Вселенной, действительно могут определяться броском костей.

Так играет ли Бог в кости, по крайней мере, в квантовые?