CC BY
16
2002.03.013. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА КОЛЛАПСА РЕЛЯТИВИСТСКОГО КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ В ДВИЖУЩИХСЯ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА/ЗБИНДЕН Х. И ДР. EXPERIMENTAL TEST OF RELATIVISTIC QUANTUM STATE COLLAPSE WITH MOVING REFERENCE FRAMES /Zbinden H. et al//http://xxx.lanl.gov/arXiv:quant-ph/0002031. - (ArXiv:quant-ph. - Geneva, 2000. - Jul. - Vol.3, N5. - 6 p.).
Сотрудники группы прикладной физики Женевского университета (Швейцария) Х.Збинден (H.Zbinden), Ж.Брендель (J.Brendel), В.Титтель (W.Tittel) и Н.Гизин (N.Gisin) развивают в своей статье одну из тем так называемой «экспериментальной метафизики», полагая, что результаты их экспериментальных исследований могут привести к пересмотру содержания фундаментальных понятий физики «состояние» и «причинность». Физической основой представляемых экспериментов являются так называемые «запутанные состояния» (entangled states), открытие которых является важнейшей особенностью квантовой механики (КМ). Эти состояния лежат в основе парадокса Эйнштейна -Подольского - Розена и являются определяющими в активно исследуемых процессах квантовой обработки информации.
Наличие противоречий между КМ и теорией относительности привлекает внимание исследователей в контексте переформулировки КМ в терминах локальных скрытых параметров и проверки неравенств ДжБелла. Цель этого подхода состояла в том, чтобы обеспечить полноту КМ в смысле ее описания физической реальности. Несмотря на отсутствие проверки неравенств Белла, полностью свободной от петель, большинство физиков убеждено, что КМ правильно описывает атомный мир, включая корреляцию между удаленными системами. При этом некоторые физики хотели бы трактовать вектор состояния у в качестве описывающего физическую реальность, а не просто как «информацию для физиков». На взгляд авторов, такой подход интересен в связи с тем, что в его рамках есть возможность ставить новые эксперименты.
Источником трудностей реалистических интерпретаций является коллапс волновой функции. Для преодоления этих трудностей есть две альтернативы. Первая предполагает, что коллапс является лишь относительным явлением: наблюдатель, измерительная аппаратура и испытываемая квантовая система коррелируются так, что все будущие наблюдения оказываются согласованными. В этом случае нет реального случайного выбора, а все результаты измерения осуществляются в различных мирах, которые находятся в квантовой суперпозиции («многомировая» интерпретация). Вторая альтернатива допускает
реальный коллапс с реальным выбором. Можно заключить, что между этими альтернативами нет никакого наблюдаемого различия, однако это заключение зависит от уточнения формы постулируемого коллапса. Например, модель динамического коллапса и модель диффузии квантового состояния предсказывают тонкие различия, но они неизмеримы с помощью современных технологий.
Авторы предприняли попытку экспериментальной проверки альтернативы реального коллапса. Методологически эта проверка была основана на идее А. Суареса (A.Suarez) и В.Скарани (V.Scarani), согласно которой коллапс имеет место в системе отсчета, определяемой измерительной аппаратурой. Затем экспериментально устанавливались пределы на скорость коллапса в двух системах отсчета: одна
формировалась массивным окружением эксперимента, которое существует в системе отсчета Женевы, где находился источник запутанных фотонов, другая - космическим фоновым излучением. Каждый измерительный прибор определял свою систему отсчета, которую авторы назвали измерительной системой (measuring frame). В каждой системе одни измерения (выполненные на удаленных системах) осуществлялись до измерения в некоторой рассматриваемой измерительной системе отсчета, а некоторые - позже. Гипотеза заключалась в том, что вероятности результатов измерений определяются локальным квантовым состоянием (как в стандартной КМ) и что локальное квантовое состояние подвергается коллапсу под влиянием всех измерений, которые происходят до измерения в данной измерительной системе отсчета. Если имеется только одна измерительная система отсчета, то тогда это идентично стандартной КМ.
Однако в случае ЭПР-подобных ситуаций с двумя удаленными и перемещающимися измерительными приборами, определяющими различные системы отсчета, требование специальной теории относительности подразумевает, что хронология измерений может изменяться от одной измерительной системы отсчета к другой. Предположим, что существуют две запутанные удаленные друг от друга системы отсчета, в одной из которых находится Алиса, а в другой - Боб (персонажи-наблюдатели, ставшие традиционными в статьях по обсуждению процессов с квантовой информацией. - Реф.). Допустим сначала, что в обеих измерительных системах отсчета измерение, выполняемое Алисой, происходит до измерения Боба. В таком случае Алиса первой получает результат с вероятностями, определяемыми ее локальным состоянием (полученным отслеживанием системы Боба). Затем Боб получает результат с вероятностями, также определяемыми его
локальным состоянием, но это состояние учитывает результат Алисы. Последнее и означает, что состояние Боба коллапсирует.
Предположим, далее, что Алиса и Боб находятся в таком относительном движении, что в каждой из двух измерительных систем отсчета локальное измерение имеет место до измерения в удаленной системе. В этом случае вероятности каждого результата определяются локальным состоянием без какого-либо коллапса, а модель Суареса -Скарани вообще не предсказывают никаких корреляций. Это противоречит предсказаниям КМ, согласно которым корреляция должна наблюдаться независимо от какого-либо упорядочивания по времени. Поскольку коллапс нелокален, а эксперименты проводились в контексте модели реалистического коллапса, постольку в качестве реального физического феномена коллапс должен иметь место в некоторой выделенной (привилегированной) системе отсчета. Тогда естественно допустить, что последняя определяется либо измерительным прибором, либо массивным окружением, либо полем фонового излучения. Притягательный аспект этих соображений состоит в том, что они подводят к сложным, но выполнимым экспериментам, которые могли бы существенно уменьшить пространство «реалистических моделей коллапса». Они также ставят вопрос о том, что представляет собой измерение в конкретном контексте, поскольку измеряющее устройство определяет подходящую измерительную систему отсчета.
Хотя общая идея модели Суареса - Скарани ясна, для проектирования экспериментов должны быть разработаны более специальные модели. Чтобы проверить общую идею, необходимо подвергнуть релятивистскому движению всю установку измерения. К счастью, в любой модели коллапса допускается внутренний необратимый выбор, после которого происходит коллапс. Этого достаточно, чтобы ускорять устройство там, где такой выбор происходит. Суарес и Скарани предположили, что устройствами выбора альтернативы являются светоделители. Описываемый эксперимент проверяет предположение, что коллапс осуществляется под влиянием всех детекторов и поглотителей. Мотивация для такого предположения состоит в том, что соответствующие физические процессы в детекторах имеют место в первых слоях, где происходит необратимое поглощение (абсорбция) менее чем за пикосекунду. Авторы отмечают, что отрицательные результаты (частица не детектируется или не поглощается) также приводят к коллапсу. В результате первый детектор или поглотитель, с которым сталкивается какая-либо частица, действует как устройство выбора альтернативы. При бинарной альтернативе, которая имеет место в
описываемых экспериментах, когда частица сталкивается со вторым детектором или поглотителем в абсолютном будущем устройства выбора альтернативы, коллапс всегда происходит и больше нет никакой альтернативы: второе устройство просто показывает выбор, сделанный устройством выбора альтернативы.
Краткая схема экспериментальной проверки состоит в следующем. За основу берется схема экспериментов по проверке неравенств Белла на больших расстояниях. Источник запутанных фотонов по параметру «энергия-время» располагался в центре Женевы. Фотоны направлялись через оптическую телекоммуникационную сеть к двум городкам Bellevue и Bernex, находящимся на расстоянии 10,6 км друг от друга. В них фотоны анализировались двумя несбалансированными интерферометрами Майкельсона на волоконной оптике в течение интервала менее 5 пс. Случаи, когда оба фотона проходили либо через короткое плечо интерферометров, либо через длинное плечо, являются неразличимыми и приводили к интерференции. Один интерферометр сохранялся при неизменной температуре, в то время как температура другого сканировалась, производя вариации фазы, что позволяло непрерывно измерять корреляцию как функцию фазы.
В системе отсчета Женевы результаты демонстрируют квази-одновременные измерения квантовой корреляции, причем устанавливают нижнюю границу на скорость любого гипотетического квантового воздействия в системе отсчета Женевы, равную 2/3-107 с, где с - скорость света. Эта скорость остается сверхсветовой в любых системах отсчета. В системе отсчета, определяемой фоновым излучением, эксперименты дали скорость квантового воздействия, равную 3/2-104 с.
Полученные ограничения на скорость передачи «квантовой информации» не противоречат теории относительности. Алиса может предсказать с определенностью квантовое состояние фотона, находящегося в 10 км, которое было в полностью запутанном состоянии несколько пс ранее. Но означает ли это передачу некоторого типа информации или воздействия? Данный вопрос является предметом обсуждения или моделирования. Интересно отметить, что для моделирования подобного эксперимента с классическими коммуникациями потребовалось бы экстремальная скорость, превышающая скорость света в 10 млн. раз.
В.Д.Эрекаев
