Физики Университета Глазго во главе с Полем-Антуаном Моро (Paul-Antoine Moreau) впервые в истории сфотографировали пару фотонов в состоянии квантовой запутанности.
Напомним, что в квантовом мире состояние частицы описывается волновой функцией, задающей вероятности, с которыми частица имеет то или иное значение каждой своей характеристики. При этом сам квантовый объект находится во всех возможных состояниях сразу (это называют суперпозицией состояний). Когда же исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает.
Если в ходе какого-то процесса рождается пара частиц, законы сохранения требуют, чтобы они имели определённые характеристики. Например, из двух возникших фотонов один должен иметь спиральность +1, а другой -1. Но, как уже говорилось, до того как наблюдатель измерит спиральность фотона, он находится в состоянии суперпозиции. И вот мы узнаём, что спиральность одного фотона положительна. Тут же у другого фотона, как бы далеко он ни находился, спиральность оказывается отрицательной. Получается, что между частицами происходит взаимодействие, причём это взаимодействие распространяется с огромной скоростью (потенциально — с бесконечной скоростью, если нам удастся разнести эти фотоны на бесконечное расстояние). Такая зависимость квантовых состояний называется «квантовой запутанностью» (более точным термином было бы «квантовая сцепленность» или «квантовая зацепленность»). Квантово запутанных частиц может быть не две, а больше, и характеристики их могут быть не двузначными, мы лишь рассмотрели самый простой пример.
Многие считали все рассуждения о вероятностной природе квантовых явлений лишь метафорой, облегчающей понимание. Эйнштейн отозвался об идее суперпозиции состояний знаменитой фразой «Бог не играет в кости», а квантовую запутанность в письме к физику Борну иронически назвал «жутким дальнодействием». Предполагали, что сами фотоны изначально «знают» свои характеристики, просто мы не можем их определить до измерения. Развитие физики показало, что это не так и что за парадоксальными построениями теоретиков стоит реальность.
Британец Джон Белл, работавший в ЦЕРНе, опубликовал в 1964 году статью, из которой следовала возможность экспериментально проверить, когда определяются характеристики квантово запутанных частиц: в момент их рождения или в тот момент, когда эта характеристика измерена. Статистические результаты эксперимента (так называемые «неравенства Белла») должны были отличаться в зависимости от того, какой из этих вариантов соответствует действительности. Такую проверку впервые провели в 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман, в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспэ. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределённа до её измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого из фотонов спиральность +1, а у какого -1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний. За последние несколько лет физикам удалось создать пары и группы квантово запутанных частиц, разнесённые уже более чем на сотню километров. Квантовая запутанность уже нашла практическое применение в квантовых вычислениях и криптографии.
Авторы нынешней работы разделили поток квантово запутанных фотонов так, чтобы один фотон из пары напрямую попадал на детектор, а второй предварительно проходил через специальный фильтр из жидкокристаллического бета-бората бария (β-BaB2O4), который менял фазу фотонов.
Для эксперимента потребовалась камера, способная снимать отдельные фотоны, фиксировала оба фотона из пары в одной и той же фазе, хотя через фильтр проходил только один из них. Поль-Антуан Моро назвал результат эксперимента «элегантной демонстрацией фундаментального свойства природы».