30 ноября 2016 года более 100 тысяч человек приняли участие в эксперименте по квантовой физике. С помощью смартфонов или других устройств они отправляли физикам случайные биты, которые те воспринимали как инструкции по проведению измерений.
Это был первый эксперимент по проверке феномена квантовой запутанности, использующий массовое проявление человеческой свободной воли. Он подтвердил, что это удивительное явление действительно имеет известные физикам свойства, то есть не является артефактом использования генераторов случайных чисел. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Может показаться очень странным, что обычные гаджеты послужили инструментом исследований на переднем крае науки, а физики безоговорочно доверяли "желанию левой пятки" рядовых геймеров. Но такова концепция гражданской науки.
Строго говоря, каждый пользователь смартфона, ноутбука или другого устройства каждый день проводит эксперимент по проверке законов квантовой физики. Ведь именно эта область науки стала базой для создания полупроводниковой электроники. Если бы её законы не работали, не функционировали бы и приборы.
Однако есть экзотические квантовые эффекты, которые, по мнению учёных, до сих пор нуждаются в дополнительных экспериментальных исследованиях. Одним из них является удивительное явление, известное как квантовая запутанность.
Не погружаясь в дебри теории, можно сказать, что состояния запутанных между собой объектов согласованы, притом что они никак не взаимодействуют между собой. Соответственно, измеряя параметры одного из них, мы получаем сведения и о состоянии другого.
Скажем, пусть одна из запутанных частиц находится в лаборатории А, а другая в лаборатории Б. В каждой из них учёные проводят эксперимент, выясняющий состояние частицы. И, завершив измерение, первый экспериментатор сразу может сказать, что получится у второго. Эта связь сохраняется, даже когда лаборатории находятся друг от друга так далеко, что информация не успела бы пройти это расстояние со скоростью света.
В этом, казалось бы, нет ничего странного. Допустим, мы подняли с пола в аэропорту левую перчатку. Мы точно знаем, что второй человек, держащий в руках перчатку из той же пары, имеет дело с правой. И совершенно не важно, какие моря и континенты разделяют нас с её обладателем.
Но в более изощрённых версиях опыта каждый учёный ещё и случайным образом выбирает, какую именно физическую величину ему измерять. И вот тогда происходит удивительная вещь. Результаты эксперимента в одной лаборатории зависят от того, что именно надумал выяснить сотрудник другой. Пусть, скажем, учёного А интересует "зюмость". Если учёный Б измеряет её же, то у физика А получится один результат. Но вот если исследователь Б занимается не "зюмостью", а "кузявостью", то совсем другой.
Следует подчеркнуть, что подобное положение вещей совсем не является сюрпризом для теоретиков. Из уравнений квантовой механики именно такие результаты и следуют. Так что перед нами ещё одна демонстрация того, что эти формулы работают.
Однако физики хотят понять, почему они работают. Построить более глубокую теорию, объясняющую утверждения, которые современная квантовая механика принимает за аксиомы. И вот по поводу таких "углублённых версий" споры ведутся не первое десятилетие. Такое интригующее явление, как квантовая запутанность, может быть одним из ключей к этим тайнам.
Как мы уже упоминали, исследование требует, чтобы измеряемые величины выбирались независимо и случайно. Чтобы быть уверенным в результатах эксперимента, следует провести многие тысячи опытов. Но, конечно, трудно нескольким учёным столько раз сделать независимый случайный выбор. Тут уж поневоле начнёшь следовать какой-нибудь системе, ибо человеческий мозг великий мастер их выстраивать даже совершенно незаметно для своего обладателя.
Можно переложить эту работу на генераторы случайных чисел. Но тут исследователей поджидает другая каверза. Вдруг, чем природа не шутит, сами исследуемые объекты каким-то образом диктуют этим электронным (и, следовательно, квантовым) "источникам случайности", какой результат выдавать? В конце концов, в глазах нашей интуиции это не большее чудо, чем сама по себе запутанность.
С этой точки зрения предпочтительнее человеческий мозг. Ведь к его работе, как считает подавляющее большинство специалистов, квантовые эффекты не имеют ни малейшего отношения (о компьютерах же, как упоминалось выше, этого не скажешь).
Поэтому в 2016 году и был проведён "большой белловский тест" (BBT). Своё название он получил в честь изобретателя телефона Александра Белла.
Добровольцы играли в видеоигру, которая постоянно провоцировала их выбирать что-то "на авось". В течение 12 часов геймеры порождали более тысячи случайных бит в секунду. Всего участники, которых организаторы эксперимента называли "беллстерами", сгенерировали более 90 миллионов бит.
Эти плоды креативности пользователей отправлялись в 12 лабораторий на четырёх континентах. Их ждали в Брисбене (Австралия), Шанхае, Вене, Риме, Мюнхене, Цюрихе, Ницце, Барселоне, Буэнос-Айресе, Консепсьоне (Чили) и Боулдере (США). Физики считывали их и устанавливали под соответствующими углами поляризаторы или меняли другие параметры опыта.
В каждом из научных центров ставили свой эксперимент с запутанными объектами. В частности, использовались фотоны, одиночные атомы, целые группы атомов и твёрдые тела в сверхпроводящем состоянии.
Учёные очень хотели узнать, "так ли на самом деле всё запутано". Другими словами, подтвердятся ли известные свойства квантовой запутанности в таком массовом эксперименте с использованием человеческой свободной воли как источника непредсказуемости.
"BBT был отличным опытом. Было удивительно видеть, что случайные числа, созданные "беллстерами" по всему миру, управляют нашими экспериментами в реальном времени, и видеть так много людей, участвующих в эксперименте по квантовой физике", – комментирует участник коллаборации Угес де Рьедматтен (Hugues de Riedmatten) в пресс-релизе исследования.
Выяснилось, что и при таком экзотическом способе проверки прогнозы теории остаются верными. "Свалить вину" на электронные генераторы случайных чисел и якобы воздействующие на них запутанные объекты не удалось.
Можно, конечно, предположить, что какой-нибудь фотон и горстка атомов в лаборатории управляет мозгом геймера, находящегося за тысячи километров от неё, но это уж совсем экстравагантная гипотеза. А какое было бы прекрасное объяснение для игровой зависимости: "Мама, я не виноват, мною управляют фотоны!".
Значит, квантовая запутанность действительно такова, какой мы её знаем. И теперь перед теоретиками стоит непростая задача выяснить, почему она именно такова.
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не впервые рассказывают об этом удивительном феномене. Мы говорили и об углублении теории, и о сугубо прикладных технологиях вроде квантовой связи. А ещё наши авторы писали о том, как физики побили рекорд дальности, на которой удаётся сохранить состояние запутанности. Проекты с участием добровольцев мы тоже не обошли вниманием, рассказав, как каждый, у кого есть компьютер и интернет, может поучаствовать в исследовании космоса или, например, в борьбе с серьёзными заболеваниями, в изучении взаимодействий хищников и птиц, а также помочь создать квантовые компьютеры.
