Парадокс ЭПР: эксперимент, который доказал существование квантовой запутанности

Квантовая теория, разработанная в середине 1920-х годов, успешно объясняет свойства и взаимодействия атомов и молекул. Однако в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен вызвали бурные дискуссии, предложив мысленный эксперимент, который позже стал известен как парадокс ЭПР. В этом эксперименте два связанных частиц, которые движутся в разные стороны, демонстрируют загадочную корреляцию в своих последующих измерениях. Эта корреляция, кажущаяся парадоксальной, так как измерение одной частицы, по-видимому, влияет на другую, несмотря на отсутствие между ними взаимодействия, стала предметом многочисленных исследований и обсуждений. В современной терминологии этот феномен известен как квантовая запутанность.

В 1964 году физик задался целью экспериментально проверить этот феномен, наблюдая корреляцию и запутанность в лабораторных условиях. Для этого был разработан простой эксперимент, использующий видимые фотоны, испускаемые возбужденными атомами кальция. Эти фотоны, не взаимодействующие друг с другом, обладают определенными поляризационными состояниями, которые можно измерить с помощью обычных линейных поляризаторов.

Суть эксперимента заключается в том, что два фотона, испущенные одним атомом, проходят через поляризаторы, установленные перед детекторами. В зависимости от угла поворота поляризаторов, изменяется количество зафиксированных совпадений, когда оба фотона проходят через свои поляризаторы. Эксперимент был направлен на проверку трёх ключевых предсказаний квантовой теории:

1. Вероятность прохождения фотона через поляризатор составляет 50%, независимо от его ориентации.
2. Если оси поляризаторов параллельны, оба фотона могут пройти через свои поляризаторы, и будут наблюдаться совпадения.
3. Если оси поляризаторов перпендикулярны, то совпадений не будет.

Первое и второе предсказания согласуются с классической физикой, так как пучки света некогерентны. Однако третье предсказание, связанное с квантовой запутанностью, не имеет аналогов в классической физике и представляет особый интерес.

После почти трёхлетних лабораторных исследований результаты эксперимента показали, что теоретические предсказания полностью подтверждаются: при параллельных осях поляризаторов наблюдаются совпадения, а при перпендикулярных — нет. Это демонстрирует явное согласие между теорией и экспериментом.

Однако остается вопрос: является ли это парадоксом? В классической механике поведение гироскопа, например, полностью объясняется законами Ньютона и не вызывает парадоксов. С квантовой запутанностью всё иначе: хотя квантовая теория точно предсказывает результаты эксперимента, интуиция, основанная на опыте в классическом мире, сталкивается с трудностями при осмыслении таких явлений.

Если каждый фотон имеет 50% шанс пройти через поляризатор, то почему при перпендикулярных поляризаторах совпадения не наблюдаются в 25% случаев? Этот вопрос, возможно, можно было бы объяснить недостающим компонентом квантовой теории, но на данный момент никаких доказательств такой теории не найдено.

Хотя парадоксы квантовой механики могут показаться непостижимыми, эксперименты, такие как описанный здесь, помогают расширить наше понимание и принять эти «странные, но удивительные» аспекты природы.