Одна из загадок квантовой физики: как один электрон может мгновенно изменить состояние другого электрона, даже их разделяют световые года. Эта идея будоражит воображение - как что-то может двигаться быстрее света, и почему каким-то непостижимым образом реальность определяется по измерениям, которые мы делаем.
Команда экспериментаторов из Австралии заявила, что может объяснить эту странность.
Эксперимент включает в себя концепцию под названием "запутанность".
Рассмотрим электрон. В верхней части рисунка он может вращаться в одном или другом направлении, то есть его спин направлен вверх или вниз. Однако квантовая теория говорит, что электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, но в тот момент, когда вы проводите измерение, квантовое состояние будет "коллапсировать", так что вы найдете электрон со спином, направленным или вверх или вниз с равной вероятностью.
Важно, как именно проводится такое измерение. Согласно квантовой теории, вы не можете просто измерить спин непосредственно; вы должны использовать анализатор, который может быть установлен удаленно, определенно ориентированно, чтобы узнать, как именно вращается электрон. В случае, если установка анализатора вертикальна относительно вращения электрона, мы получим один или другой результат с вероятностью 50/50.
Еще одна странность - два электрона могут быть запутанными, спин каждого электрона полностью неизвестен, но два спина запутанных электронов коррелируют между собой . Предположим, что Алиса и Боб (анализаторы А и Б) наблюдают два запутанных электрона, и каждый анализатор "установлен" вертикально. Если анализатор А (Алиса) измеряет состояние ее электрона и считает момент спина, она знает, что в это же самое время Анализатор Б (Боб) получит такое же измерение, даже если он находится в соседней галактике.
Это "жуткое взаимодействие на расстоянии" сильно раздражало Эйнштейна, так как получалось, что электроны взаимодействуют со скоростью большей, чем скорость света. Эйнштейн нашел эту идею неприятной. Он утверждал, что квантовая механика не полна, что в каждом электроне закодированы "скрытые переменные". Что квантовые волны не могут коллапсировать быстрее скорости света. Он также с насмешкой относился к идее, что только сами измерения выявляют некоторые аспекты мира, существующего независимо от них же.
Однако в 1964 году британский теоретик Джон Белл нашел способ, как проверить данную странность квантовой механики.
Согласно квантовой теории, если "Алиса" и "Боб" будут ориентированы под различными углами, они больше не должны видеть прекрасные корреляции в своих измерениях. Например, предположим, что Алиса продолжает ее анализ в вертикальной ориентации, а Боб - под углом в 45 градусов. Если Алиса находит, что спин ее электрона направлен вниз, шанс, что Боб в своей нынешней ориентации найдет его электрон с так же ориентированным спином, только 71%. Белл думал, что Алиса и Боб неоднократно изменяли ориентации их анализаторов. Он математически доказал, что скрытые переменные будут давать корреляции меньше, чем определенный предел, и изложил это в формуле, называемой "неравенством Белла". Сворачивание квантовых волн может дать сильные корреляции. Формула же являлась лакмусовой бумажкой для определения, есть ли на самом деле эти скрытые переменные.
Теорема или неравенство Белла показывает, что вне зависимости от реального наличия в квантово-механической теории неких скрытых параметров, влияющих на любую физическую характеристику квантовой частицы, можно провести серийный эксперимент, статистические результаты которого подтвердят либо опровергнут наличие таких скрытых параметров в квантово-механической теории. Условно говоря, в одном случае статистическое соотношение составит не более 2:3, а в другом — не менее 3:4.
Белл также пояснил, что сворачивание квантовых волн быстрее, чем свет, не обязательно нарушает запрет теории относительности на путешествия быстрее, чем скорость света. Потому что Алиса не может контролировать результаты своих измерений, она не может использовать их, чтобы отправить информацию Бобу быстрее, чем свет. Она и Боб могут лишь подтверждать корреляции после факта измерений.
Неравенства Белла возникают из предположения, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики объясняется наличием скрытых параметров, то есть неполнотой описания. Существование такого параметра означало бы справедливость концепции локального реализма. Локальный реализм — это комбинация принципа локальности с «реалистичным» предположением, что все объекты обладают «объективно существующими» значениями своих параметров и характеристик для любых возможных измерений, могущих быть произведенными над этими объектами, ПЕРЕД тем как эти измерения производятся.
Расчет вероятностей различных результатов измерения по законам квантовой механики приводит к нарушению неравенств Белла. Поэтому если абсолютно верить квантовой механике, предположение о «локальном реализме» нужно отвергнуть.
В 1970-х годах экспериментаторы начали предпринимать попытки проверить, имеет ли место неравенство Белла. Они последовательно находили корреляции сильнее, чем позволяли скрытые переменные. Эти результаты в целом убедили физиков, что Эйнштейн был неправ.
Либо квантовые волны действительно должны сворачиваться быстрее, чем свет, или результаты измерений не могут быть предопределены из-за скрытых переменных: так как невозможно измерить, куда направлен спин электрона, он в буквальном смысле вращается в обоих направлениях.
В последние годы физики обеспокоились поиском "лазеек", которые позволили бы обнаружить какие-либо еще эффекты, кроме мгновенного распада квантовых волн, которые искажали бы результаты.
Чтобы проверить идею Белла, физики должны убедиться, что между электронами нет никакого иного взаимодействия в то время, как проводятся измерения. Это трудная задача, так как скорость света 299,792 километров в секунду. Физики разделили две станции с их электронами на 1,28 километра. Это дало им 4,27 микросекунды для выполнения обоих измерений.
Исследователям нужно было запутать отдаленные друг от друга электроны. Чтобы сделать это, они сначала запутали каждый электрон, чтобы он вращался согласованно с состоянием фотона, который они послали по оптическому волокну к промежуточной станции. Только если два фотона прибыли одновременно и запутались друг с другом нужным образом, можно сказать, что электроны также стали запутанными. Это сложный процесс. Меньше чем одна из 150 миллионов пар фотонов зарегистрировала правильный сигнал.
Кроме того, физики должны были быть уверены, что они достоверно определяют состояние электронов.
Ученые использовали отдельные электроны Хэнсона, захваченные в дефектах алмазов атоммарных размеров, охлажденных почти до абсолютного нуля. В этих дефектах электроны легко поддерживают свои спиновые состояния и ими можно манипулировать с помощью микроволн и света. Физики измерили спин каждого электрона с эффективностью более 95%.
Выполнив все условия, исследователи увидели явное нарушение неравенств и оправдали неравенство Белла. Конечно, это не окончательный результат и потребуется еще много экспериментов и измерений, но оно стоит того, так как развивающиеся квантовые технологии, использующие запутанные частицы, должны быть надежными (например, для кодирования секретных сообщений в так называемых "независимых устройствах квантовых дистрибутивов"). | 
