Квантовая нелокальность

Интерферометр – это устройство, где проявляются волновые свойства микрочастицы. Модификация конструкции интерферометра позволяет преобразовать поведение частицы из волнового в корпускулярное. Если это происходит в процессе движения частицы через интерферометр, то изменение поведения частицы называется отложенным выбором состояния частицы, или волны. Такой опыт предложил Джон Арчибальд Уиллер (1911–2008) в 1984 г. Эксперимент с отложенным выбором в интерферометре Маха–Цендера реализовал V. Jacques et al. в 2007 г. (Science 315, 966).

Интерферометр Маха–Цендера показан на рис. 8, а. От источника S одиночный фотон направляется к делителю B1, который содержит полупрозрачное зеркало, напыленное на стеклянную пластинку и показанное толстой линией. Фотонодержит полупрозрачное зеркало, показанное на рисунке 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 проходит B1 в прямом направлении, или отражается вниз, с вероятностями и поступает в канал 1 или 2. Отразившись от зеркалM1 и M2 с вероятностью , фотон проходит делительB2 и регистрируется детектором D1 или D2. Стеклянная пластинка K в канале 2 увеличивает фазу проходящей волны на φ. Выбор расположения делителей обеспечивает одинаковый оптический путь к детектору для каждого канала. Зеркала M1 и M2 сдвигают фазы в каждом канале на одинаковую величину, что не влияет на разность фаз и в формулах не учитывается.

Рис. 8. Интерферометр Маха–Цендера

Из рис. 8, а получаем амплитуды вероятности прохождения фотона по каналам 1 и 2 к детекторам:

D1: ,

D2: ,

где амплитуды прохождения делителей ,; амплитуды отражения от делителей. На каждом делителе сумма вероятностей прохожденияи вероятностей отраженияудовлетворяет условию унитарности. С учетомвероятности срабатывания детекторов

,

(2.84)

зависят от сдвига фазы φ. Одиночные фотоны многократно пропускаются через интерферометр, угол φ изменяется. Функции ипоказаны на рис. 8,б. Выполняется нормировка вероятностей срабатывания детекторов . Фотон ведет себя как волна при налачии двух делителей и распространяется одновременно по двум каналам, интерферирует, но в каждом опыте срабатывает лишь один детектор.

При убранном делителе B2 фотон попадает к детектору, проходя лишь по одному из каналов, интерференция при этом отсутствует. Из рис. 8, а получаем

, , (2.85)

.

Срабатывания детекторов не зависят от фазы φ и равновероятны, как показано на рис. 8, в. Активизированный детектор указывает канал, по которому прошел фотон. Он ведет себя как классическая локализованная частица, распространяющаяся лишь по одному из возможных каналов. Снятие второго делителя превращает фотон в частицу.

В эксперименте V. Jacques et al. с отложенным выбором использовался интерферометр Маха–Цендера со световодами в каналах 1 и 2 протяженностью 48 м. За время движения фотона от делителя B1 по световодам генератор случайных чисел менял состояние делителя B2. В рамках классической физики судьба фотона решается на первом делителе – он идет по одному каналу как частица, или одновременно по двум каналам как волна. Эксперимент подтвердил результаты (2.84) и (2.85) квантовой механики, основанные на том, что все решается наличием или отсутствием второго делителя. Тогда в рамках классической физики возникает вопрос – как «узнает фотон» во что превратиться – в волну или частицу, если установка или снятие второго делителя происходит после того, как фотон прошел первое разветвление каналов? Из изложенных особенностей квантового поведения следует, что до момента срабатывания детектора фотон является суперпозицией волны и частицы. Этот вывод подтвердили последующие эксперименты, где второй делитель используется в квантовом режиме суперпозиции состояний установленного и снятого делителя B2. Следовательно, фотон не локализован в пространстве-времени, но присутствует во всех каналах одновременно и реагирует мгновенно на изменения в конструкции устройства, где бы эти изменения ни проводились. Такое поведение частицы называется квантовой нелокальностью, и это можно рассматривать как нахождение вне пространства-времени. Использовать нелокальность для передачи информации со сверхсветовой скоростью невозможно из-за вероятностного характера квантовых процессов, отображающихся в пространстве-времени. Регистрация частицы локализует ее и переводит в пространство-время.

Физические переменные и их флуктуации, описывающие две подсистемы, пространственно разнесенные на расстояние, остаются взаимно согласованными. Комбинация их корреляций, полученная в рамках теории с локальными физическими переменными, не превышает 2 согласно неравенству, доказанному Беллом в 1966 г. Та же комбинация корреляций, полученная в рамках квантовой механики для перепутанных состояний, достигает . Многочисленные экспериментальные проверки показали нарушениенеравенства Белла. Следовательно, любая локальная теория не может воспроизвести предсказания квантовой механики, содержащей существенно нелокальные свойства частиц.

Джон Стюарт Белл (1928–1990)

42