Il n'y a pas si longtemps, les physiciens ont montré les premiers résultats de la mission QUESS et le satellite Mozi mis en orbite dans son cadre, fournissant une séparation record de photons intriqués quantiques à une distance de plus de 1200 km. À l'avenir, cela pourrait conduire à la création d'une ligne de communication quantique entre Pékin et l'Europe.
Le monde qui l'entoure est vaste et diversifié - si diversifié que des lois apparaissent à certaines échelles qui sont totalement impensables pour d'autres. Les lois de la politique et de la Beatlemania ne découlent en aucune façon de la structure de l'atome - leur description nécessite leurs propres «formules» et leurs propres principes. Il est difficile d'imaginer qu'une pomme - un objet macroscopique dont le comportement suit généralement les lois de la mécanique newtonienne - a pris et a disparu, a fusionné avec une autre pomme, se transformant en ananas. Et pourtant, ce sont précisément ces phénomènes paradoxaux qui se manifestent au niveau des particules élémentaires. Ayant appris que cette pomme est rouge, il est peu probable que nous devenions une autre verte, située quelque part en orbite. En attendant, c'est exactement ainsi que fonctionne le phénomène de l'intrication quantique, et c'est exactement ce que les physiciens chinois, avec les travaux desquels nous avons commencé notre conversation, ont démontré. Essayons de le comprendrequ'est-ce que c'est et comment peut-il aider l'humanité.
Bohr, Einstein et autres
Le monde qui l'entoure est local - en d'autres termes, pour qu'un objet distant change, il doit interagir avec un autre objet. De plus, aucune interaction ne peut se propager plus vite que la lumière: cela rend la réalité physique locale. Une pomme ne peut pas frapper Newton sur la tête sans l'atteindre physiquement. Une éruption solaire ne peut pas affecter instantanément le fonctionnement des satellites: les particules chargées devront couvrir la distance de la Terre et interagir avec l'électronique et les particules atmosphériques. Mais dans le monde quantique, la localité est violée.
Le plus célèbre des paradoxes du monde des particules élémentaires est le principe d'incertitude de Heisenberg, selon lequel il est impossible de déterminer avec précision la valeur des deux caractéristiques de «paire» d'un système quantique. La position dans l'espace (coordonnée) ou la vitesse et la direction du mouvement (impulsion), le courant ou la tension, la valeur de la composante électrique ou magnétique du champ - tous ces paramètres sont "complémentaires", et plus nous mesurons avec précision l'un d'eux, moins le second deviendra défini.
Il était une fois le principe d'incertitude qui a causé l'incompréhension d'Einstein et sa célèbre objection sceptique, «Dieu ne joue pas aux dés». Cependant, il semble jouer: toutes les expériences connues, observations indirectes et directes et calculs indiquent que le principe d'incertitude est une conséquence de l'indétermination fondamentale de notre monde. Et encore une fois on arrive à un décalage entre les échelles et les niveaux de réalité: là où nous existons, tout est bien sûr: si vous desserrez les doigts et relâchez la pomme, elle tombera, attirée par la gravité de la Terre. Mais à un niveau plus profond, il n'y a tout simplement pas de causes ni d'effets, et il n'y a qu'une danse des probabilités.
Vidéo promotionelle:
Le paradoxe de l'état d'enchevêtrement quantique des particules réside dans le fait que le «coup à la tête» peut se produire exactement en même temps que la séparation de la pomme de la branche. L'enchevêtrement n'est pas local et changer un objet à un endroit instantanément - et sans aucune interaction évidente - change entièrement un autre objet à un autre. Théoriquement, nous pouvons transporter l'une des particules intriquées au moins à l'autre extrémité de l'Univers, mais de toute façon, dès que nous «touchons» son partenaire, resté sur Terre, la seconde particule répondra instantanément. Il n'a pas été facile pour Einstein de le croire, et son argument avec Niels Bohr et ses collègues du «camp» de la mécanique quantique est devenu l'un des sujets les plus fascinants de l'histoire moderne de la science. «La réalité est certaine», comme diraient Einstein et ses partisans, «seuls nos modèles, équations et outils sont imparfaits». «Les modèles peuvent être n'importe quoi,mais la réalité elle-même à la base de notre monde n'a jamais été complètement déterminée », objectèrent les adeptes de la mécanique quantique.
S'opposant à ses paradoxes, en 1935 Einstein, avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, a formulé son propre paradoxe. «D'accord», ont-ils raisonné, «disons qu'il est impossible de connaître les coordonnées et l'élan d'une particule en même temps. Mais que se passe-t-il si nous avons deux particules d'origine commune, dont les états sont identiques? Ensuite, nous pouvons mesurer l'élan de l'un, ce qui nous donnera indirectement des informations sur l'élan de l'autre, et la coordonnée de l'autre, ce qui donnera la connaissance de la coordonnée du premier. De telles particules étaient une construction purement spéculative, une expérience de pensée - c'est peut-être pour cela que Niels Bohr (ou plutôt ses disciples) a réussi à trouver une réponse décente seulement 30 ans plus tard.
Peut-être le premier spectre de paradoxes de la mécanique quantique a-t-il été observé par Heinrich Hertz, qui a remarqué que si les électrodes d'éclateur étaient éclairées avec de la lumière ultraviolette, le passage de l'étincelle était sensiblement plus facile. Les expériences de Stoletov, Thomson et d'autres grands physiciens ont permis de comprendre que cela se produit du fait que, sous l'influence du rayonnement, la matière émet des électrons. Cependant, c'est complètement différent de ce que la logique suggère; par exemple, l'énergie des électrons libérés ne sera pas plus élevée si nous augmentons l'intensité du rayonnement, mais elle augmentera si nous diminuons sa fréquence. En augmentant cette fréquence, nous arrivons à la frontière, au-delà de laquelle la substance ne présente aucun effet photo - ce niveau est différent pour différentes substances.
Einstein a pu expliquer ces phénomènes, pour lesquels il a reçu le prix Nobel. Ils sont liés à la quantification de l'énergie - au fait qu'elle ne peut être transmise que par certaines "micro-portions", les quanta. Chaque photon de rayonnement transporte une certaine énergie, et si cela suffit, l'électron de l'atome qui l'a absorbé s'envolera vers la liberté. L'énergie des photons est inversement proportionnelle à la longueur d'onde, et lorsque la limite de l'effet photoélectrique est atteinte, il ne suffit plus même de conférer à l'électron l'énergie minimale nécessaire à la libération. Aujourd'hui, ce phénomène se rencontre partout - sous forme de panneaux solaires, dont les photocellules fonctionnent précisément sur la base de cet effet.
Expériences, interprétations, mysticisme
Au milieu des années 1960, John Bell s'est intéressé au problème de la non-localité en mécanique quantique. Il a pu offrir une base mathématique pour une expérience tout à fait réalisable, qui devrait se terminer par l'un des résultats alternatifs. Le premier résultat «fonctionnait» si le principe de localité est vraiment violé, le second - si, après tout, cela fonctionne toujours et que nous devons chercher une autre théorie pour décrire le monde des particules. Déjà au début des années 1970, de telles expériences étaient menées par Stuart Friedman et John Clauser, puis par Alain Aspan. Pour faire simple, la tâche était de créer des paires de photons intriqués et de mesurer leurs spins, un par un. Des observations statistiques ont montré que les spins ne sont pas gratuits, mais corrélés les uns aux autres. De telles expériences ont été menées presque sans interruption depuis lors,de plus en plus précis et parfait - et le résultat est le même.
Il faut ajouter que le mécanisme expliquant l'intrication quantique n'est toujours pas clair, il n'y a qu'un phénomène - et différentes interprétations donnent leurs explications. Ainsi, dans l'interprétation multi-mondes de la mécanique quantique, les particules intriquées ne sont que des projections des états possibles d'une seule particule dans d'autres univers parallèles. Dans l'interprétation transactionnelle, ces particules sont liées par des ondes stationnaires de temps. Pour les «mystiques quantiques», le phénomène de l'intrication est une raison de plus de considérer la base paradoxale du monde comme un moyen d'expliquer tout ce qui est incompréhensible, des particules élémentaires elles-mêmes à la conscience humaine. Les mystiques peuvent comprendre: si vous y réfléchissez, les conséquences sont vertigineuses.
L'expérience simple de Clauser-Friedman indique que la localité du monde physique à l'échelle des particules élémentaires peut être violée et que la base même de la réalité s'avère être - à l'horreur d'Einstein - vague et indéfinie. Cela ne signifie pas que l'interaction ou l'information peut être transmise instantanément, au détriment de l'enchevêtrement. La séparation des particules intriquées dans l'espace se déroule à vitesse normale, les résultats de mesure sont aléatoires, et jusqu'à ce que nous mesurions une particule, la seconde ne contiendra aucune information sur le résultat futur. Du point de vue du receveur de la seconde particule, le résultat est complètement aléatoire. Pourquoi tout cela nous intéresse-t-il?
Comment enchevêtrer les particules: Prenez un cristal aux propriétés optiques non linéaires, c'est-à-dire dont l'interaction de la lumière avec laquelle dépend de l'intensité de cette lumière. Par exemple, le triborate de lithium, le bêta-borate de baryum, le niobate de potassium. L'irradier avec un laser d'une longueur d'onde appropriée et les photons de rayonnement laser à haute énergie se désintègrent parfois en paires de photons intriqués d'énergie inférieure (ce phénomène est appelé «diffusion paramétrique spontanée») et polarisés dans des plans perpendiculaires. Il ne reste plus qu'à garder intactes les particules enchevêtrées et à les écarter le plus possible.
Il semble que nous ayons laissé tomber la pomme en parlant du principe d'incertitude? Soulevez-le et jetez-le contre le mur - bien sûr, il se cassera, car dans le macrocosme, un autre paradoxe de la mécanique quantique - le tunneling - ne fonctionne pas. Pendant le tunneling, une particule est capable de surmonter une barrière énergétique supérieure à sa propre énergie. L'analogie avec une pomme et un mur est, bien sûr, très approximative, mais illustrative: l'effet tunnel permet aux photons de pénétrer dans le milieu réfléchissant, et aux électrons d '"ignorer" le film mince d'oxyde d'aluminium qui recouvre les fils et est en fait un diélectrique.
Notre logique quotidienne et les lois de la physique classique ne sont pas très applicables aux paradoxes quantiques, mais elles fonctionnent toujours et sont largement utilisées dans la technologie. Les physiciens semblent avoir (temporairement) décidé: même si nous ne savons pas encore parfaitement comment cela fonctionne, les avantages peuvent en être tirés dès aujourd'hui. L'effet tunnel sous-tend le fonctionnement de certaines micropuces modernes - sous la forme de diodes et de transistors tunnel, de jonctions tunnel, etc. par eux.
Communication, téléportation et satellite
En effet, imaginons que l'on ait «enchevêtré quantique» deux pommes: si la première pomme se révèle rouge, alors la seconde est forcément verte, et vice versa. Nous pouvons en envoyer un de Pétersbourg à Moscou, en gardant leur état confus, mais cela semble être tout. Ce n'est qu'à Saint-Pétersbourg qu'une pomme est mesurée en rouge, la seconde deviendra verte à Moscou. Jusqu'au moment de la mesure, il n'y a aucune possibilité de prédire l'état de la pomme, car (tous les mêmes paradoxes!) Ils n'ont pas un état très spécifique. A quoi sert cet enchevêtrement?.. Et le sens a été trouvé déjà dans les années 2000, quand Andrew Jordan et Alexander Korotkov, s'appuyant sur les idées des physiciens soviétiques, ont trouvé un moyen de mesurer, pour ainsi dire, "pas jusqu'au bout", et donc de fixer les états des particules.
En utilisant des «mesures quantiques faibles», vous pouvez, pour ainsi dire, regarder une pomme avec un demi-œil, attraper un aperçu, essayer de deviner sa couleur. Vous pouvez le faire encore et encore, sans vraiment regarder la pomme correctement, mais décider en toute confiance qu'elle est, par exemple, rouge, ce qui signifie qu'une pomme à Moscou qui est confondue avec elle sera verte. Cela permet aux particules enchevêtrées d'être utilisées encore et encore, et les méthodes proposées il y a environ 10 ans leur permettent d'être stockées en tournant en cercle pendant une durée indéfinie. Il reste à emporter l'une des particules - et à obtenir un système extrêmement utile.
Franchement, il semble que les avantages des particules enchevêtrées sont bien plus que ce que l'on pense généralement, notre maigre imagination, contrainte par la même échelle macroscopique de la réalité, ne nous permet pas de trouver de vraies applications pour elles. Cependant, les propositions déjà existantes sont assez fantastiques. Ainsi, à partir de particules intriquées, il est possible d'organiser un canal de téléportation quantique, de «lire» complète l'état quantique d'un objet et de «l'enregistrer» dans un autre, comme si le premier était simplement transporté à la distance appropriée. Les perspectives de la cryptographie quantique sont plus réalistes, dont les algorithmes promettent des canaux de communication quasi «incassables»: toute interférence dans leur travail affectera l'état des particules intriquées et sera immédiatement remarquée par le propriétaire. C'est là qu'entre en jeu l'expérience chinoise QESS (Quantum Experiments at Space Scale).
Ordinateurs et satellites
Le problème est que, sur Terre, il est difficile de créer une connexion fiable pour des particules enchevêtrées éloignées les unes des autres. Même dans la fibre optique la plus avancée, à travers laquelle les photons sont transmis, le signal se désintègre progressivement et ses exigences sont ici particulièrement élevées. Des scientifiques chinois ont même calculé que si vous créez des photons intriqués et les envoyez dans deux directions avec des épaules d'environ 600 km mille ans. L'espace est une autre affaire, dans le vide profond duquel les photons volent à une telle distance sans rencontrer d'obstacles. Et puis le satellite expérimental Mozi ("Mo-Tzu") entre en scène.
Une source (laser et cristal non linéaire) a été installée sur l'engin spatial, produisant chaque seconde plusieurs millions de paires de photons intriqués. D'une distance de 500 à 1700 km, certains de ces photons ont été envoyés à l'observatoire au sol de Deling au Tibet, et le second - à Shenzhen et Lijiang dans le sud de la Chine. Comme on pouvait s'y attendre, la principale perte de particules s'est produite dans les couches inférieures de l'atmosphère, mais il ne s'agit que d'environ 10 km du trajet de chaque faisceau de photons. En conséquence, le canal de particules enchevêtrées a couvert la distance du Tibet au sud du pays - environ 1200 km, et en novembre de cette année, une nouvelle ligne a été ouverte qui relie la province d'Anhui à l'est à la province centrale du Hubei. Jusqu'à présent, la chaîne manque de fiabilité, mais c'est déjà une question de technologie.
Dans un proche avenir, les Chinois envisagent de lancer des satellites plus avancés pour organiser de telles chaînes et promettent que bientôt nous verrons une connexion quantique fonctionnelle entre Pékin et Bruxelles, en fait, d'un bout à l'autre du continent. Un autre paradoxe «impossible» de la mécanique quantique promet un autre saut technologique.
Sergey Vasiliev
