Не так давно появилось очень интересное направление практического применения фундаментальной физики, которое даёт возможность существенно превзойти классические технологии - и речь пойдёт об квантовой радиолокации.

Но, для начала, чтобы нам понять всё сказанное ниже, давайте вернёмся к основам... 

Понятие квантовой запутанности появилось ещё в первой половине XX века, 1935 году, когда Альберт Эйнштейн с соавторами опубликовали знаменитую работу "ЭПР парадокс", где мысленно построили эксперимент, в котором участвовали две частицы со связанными состояниями и изменение состояния одной частицы, мгновенно оказывало влияние на другую, причём, для такого изменения расстояние не играло роли. 

В этой работе было сделано предположение, что понимание квантовой механики является неполным, и существуют ещё какие-то параметры, которые не учтены. 

В дальнейшем, теоретические изыскания Джона Белла в 1964 году, а затем и практический эксперимент Аллена Аспекта (1980-е годы) доказали, что дело не в каких-то скрытых параметрах, а в нелокальности природы наблюдаемого. 

Если сказать ещё проще, то, согласно предположениям Эйнштейна, всё наблюдаемое нами можно охарактеризовать через два параметра:

• Локальность: то есть, все системы оказывают влияние друг на друга только через прямой контакт, либо, с помощью передачи сигналов (например, излучением);

• Реализм: наблюдаемые нами явления имеют свой набор конкретных свойств, которые присущи им ещё до того, как мы начали их измерять.

Таким образом, в рамках этого "реализма", он предполагал, что мы просто ещё не знаем неких параметров, поэтому и возникают нестыковки в теории.

Кстати, надо обратить внимание, что вот эта "локальность", и "реализм" - довольно-таки, логичные штуки, не так ли, и вполне сообразуются с нашей обычной житейской логикой... 

Проблема только в том, что квантовые явления и житейская логика - не стыкуются от слова "никак"! :-)

Как было сказано уже выше, теория 1960-х и эксперименты 1980-х годов показали, что само устройство нашего мира, на фундаментальном уровне, не соответствует обоим вышеизложенным пунктам!

А именно, если ещё проще: Эйнштейн был неправ в обоих:

• Мир нелокален: частицы связаны между собой, несмотря на любое расстояние между ними!

• Свойства не существуют, до того, как они были измерены!

Другими словами, на квантовом уровне, устройство реальности выходит за пределы нашего классического понимания пространства-времени и полностью не соответствует нашей обычной "здравой, житейской логике", так как мы ожидали бы увидеть нечто более логичное! 

Какая-то "Матрица" получается, с "динамической подгрузкой текстур" :-). Ну ок, продолжаем дальше...

Учитывая, что раз уж мы заговорили о практической проверке этой теории на практике, имеет смысл описать и сам опыт, который был проведён в 1980-е годы:

• В специальной печи нагревался кальций до настолько высокой температуры, что испарялся.

• Кальциевый пар выпускали из этой печи, через очень маленькое отверстие, с помощью которого печь была связана с вакуумной камерой (струя испарённого кальция в этом эксперименте называлась "атомарной струей").

• На пути этой струи устанавливали два лазерных луча, таким образом, чтобы они сходились воедино, в одной точке пространства, прямо на пути струи.

• Длины волн обоих лазерных лучей были подобраны таким образом, чтобы их совокупная энергия позволила возбудить только один из 20 электронов атома кальция, находящийся на внешней орбите.

Под "возбуждением" понимается перевод электрона на другой энергетический уровень (выше). 

При таком возбуждении, электрон, один за другим, получает два фотона, по одному от каждого лазерного луча, что переводит его сразу на высокий уровень (возбуждённый). 

Как только атом кальция покидает точку схождения лазерных лучей, он перестаёт получать эту внешнюю энергию подкачки, которая ранее позволяла ранее удерживаться на этом высоком энергетическом уровне внешнему электрону. 

В результате, он скачкообразно (за 2 скачка) возвращается на свой основной уровень, проходя по пути: высокий-промежуточный-основной уровень, где при переходе на промежуточный уровень - он излучает один фотон света, а при переходе на основной - второй фотон. 

Физика процесса такова, что при таком последовательном излучении двух фотонов света, в ходе одного процесса возврата электрона на свой основной уровень - эти фотоны оказываются связанными друг с другом на квантовом уровне, в части поляризации (то есть, говоря более-менее грамотно: "в какой плоскости находится вектор колебаний их электромагнитной волны"). 

Причём, до момента измерения, мы не знаем эту поляризацию, однако, известно, что если, в ходе измерений, у одного, допустим, выявилась вертикальная поляризация, то у другого обязательно будет горизонтальная - говоря другими словами, у таких связанных фотонов, поляризации всегда связаны и зависят друг от друга.

Такие фотоны называют "запутанной парой". 

Около такого места излучения фотонов устанавливается система из поляризаторов и оптических волоконных волноводов, которые захватывают эти два фотона, и направляют их по двум отдельным путям. 

На конце каждого волновода устанавливается детектор света, перед которым размещается пьезоэлектрический поляризационный фильтр, который может с очень большой скоростью (наносекунды) изменять плоскость поляризации. 

Основной задачей этих фильтров является изменить плоскость поляризации случайным образом, уже после того момента, когда фотоны уже покинули атом, но ещё не долетели до поляризаторов: то есть поляризация каждого фильтра меняется независимо от другого фильтра, каждый раз - на случайный угол.

Зачем нужна эта система с поляризаторами, будет подробное пояснение ниже, пока же примем как данность.

Далее, мы многократно (тысячи раз) проводим эксперимент по генерации фотонов, и, с помощью компьютера, записываем все возможные комбинации, которые у нас получились на первом и втором детекторе. 

К примеру, если мы выставили на первом детекторе 13°, а на втором 14° - и, на первом фотоне плоскость поляризации была развёрнута также под 13°, а на втором была развёрнута под 44°, то, с помощью компьютера мы записываем, что на первом детекторе фотон прошёл до детектора сквозь поляризатор (записываем "да"), а на втором - не прошёл (нет). 

И набираем таких комбинаций тысячи штук, составляя огромную таблицу. 

После того как таблица готова, мы начинаем её анализировать, производя поиск в ней зависимостей.

В ходе такого анализа, было обнаружено, что существует аномально высокое количество статистических соотношений значений между первым и вторым детектором, которое невозможно объяснить в рамках теории Эйнштейна и его неких "скрытых параметров", так как, в таком случае, было бы совпадение только некоторого количества пар. 

Здесь же, было обнаружено, что для всех возможных значений углов существуют абсолютно чёткие статистические соотношения между первым и вторым детекторами!

Что это означает: результаты каждого конкретного измерения двух пар детекторов выглядят, только на первый взгляд, случайными, однако, если произвести множество измерений, то выявится интересная вещь - что, некоторые соотношения углов для первого и второго детектора попадаются в таблице аномально часто: например, почему-то попадается соотношение 10° и 44°, 23° и 70° (это просто для примера, числа могут быть любыми).

Другими словами, существующая на данный момент теория позволяет вычислить, каким будет соотношение, в процентах, для любых пар углов. 

Например, если дано, что один угол равен 1°, а второй равен 77°, то, вероятность составит 54% (это просто числа для примера, для понимания происходящего). 

Далее, если попытаться проверить эти числа, данные нам теорией, на практике, то они полностью совпадут с теоретическим предсказанием.

При этом, что интересно, сам акт измерения одного фотона, приводит к изменению состояния (выводу из неопределённого положения, "суперпозиции" если хотите), у другого фотона - то есть, говорят, что факт измерения "приводит к коллапсу волновой функции, описывающий всю систему из двух фотонов, в результате чего, происходит определение состояния второго фотона".

Я понимаю, что вы этот последний момент прочитали с достаточно обескураженным видом, и долго думаете, пытаясь понять, "как это вообще возможно?!" - потому что это полностью расходится с логикой. 

Хочу вас успокоить - вы в этом не одиноки, так как Эйнштейн думал точно так же, в своё время, полагая (весьма логично), что есть заранее определённые свойства объектов, которые условно постоянны и неизменны, а наше измерение позволяет нам просто узнать их (но не повлиять на них, самим фактом нашего измерения!), и по этому поводу известно его высказывание: "неужели Луна существует только потому, что на неё смотрит мышь?". 

Однако эксперименты показывают, что дело обстоит именно так, как ни странно (это сейчас не о Луне, а о квантовом мире, где частицы (по крайней мере в рамках нашего эксперимента) находятся в состоянии суперпозиции, и определяются только после факта наблюдения).

Эксперименты с изменением угла поляризации после вылета фотонов как раз это и доказывают, что передача состояния происходит мгновенно, после того как одна из частиц была приведена в определённое состояние (столкнулась с поляризатором и прошла или нет), - так как это является одним из самых логичных объяснений (другого, учёными пока не предложено). 

Кстати, ещё о "мгновенности": расположение детекторов и произведение замеров было осуществлено таким образом, что, даже если частицы были бы "условно разумными" и могли бы каким-то образом обменяться информацией о текущем положении поляризаторов, после чего принять решение, как на это реагировать, - то, это им надо было бы делать со скоростью, больше скорости света; тем не менее, связь сохранялась, что говорит о их реакции условно "быстрее скорости света" - то есть, назовём это "мгновенно".

Но, насколько нам известно, ничто не может быть быстрее скорости света, однако сам факт наблюдается!

Из этого следует вывод, но не тот, что нарушаются фундаментальные законы физики, а тот, что на фундаментальном уровне, система является единым целым - независимо от того, какое расстояние между элементами системы. 

Однако, вернёмся к квантовому радару...

Квантовый радар

Первые идеи о применении квантовой запутанности в качестве ключевого принципа в составе радара нового типа, начали обсуждаться ещё в начале 2000-х годов, когда благодаря идеям разработчиков из Массачусетского Технологического Института (MIT) была разработана основная методика, в дальнейшем использовавшаяся в радарах нового типа - Quantum illumination (квантовая подсветка). 

Основная идея, лежащая в основе этого принципа, заключается в генерации пар запутанных фотонов, где один из них направляется в сторону предполагаемой цели, а состояние второго сразу считывается, и информация об этом хранится в памяти. 

Эксперимент проводится многократно в течение короткого времени (миллионы раз в секунду). 

В результате такой отсылки большинство (99,9%) отправленных фотонов будет потеряно - рассеяно, поглощено целью и т.д., и обратно вернётся только небольшая часть, которую и можно анализировать. 

После чего проводится сравнение поляризации пришедших фотонов, с теми состояниями их пар, которые были записаны, в результате чего происходит нахождение спутанных фотонов (т.е парных) и отфильтровывание шума.

Другими словами, такой принцип позволяет кратно повысить соотношение сигнал/шум, выделив и обнаружив даже очень слабый сигнал, отражённый, в том числе от стелс-объектов: в лабораторных условиях подобные установки превосходят классические радары приблизительно в 600 раз (в реальности несколько меньше, однако всё равно наблюдается многократное превосходство). 

Не нужно думать, что всё вышеописанное относится только к оптическому диапазону (лазерное излучение, о котором говорилось ранее): в рамках этого принципа возможно задействование излучения электромагнитного спектра любой длины волны, в том числе, невидимого глазом (радиоволны), где наиболее перспективным является использование микроволнового диапазона, так как этот диапазон позволяет лучше бороться с неблагоприятными природными факторами в виде дождей, туманов и т.д., а также, благодаря короткой длине волны позволяет получать более детальное изображение объекта.

Вроде бы, теперь всё стало понятно, и всё хорошо и прекрасно? 

К сожалению, нет: излучение и приём подобных микроволновых фотонов находится на грани возможностей современной технологии и требуются очень сложные системы, чтобы это реализовать. 

В качестве устройства для излучения таких фотонов используется сверхпроводящая система, охлаждённая почти до температуры абсолютного нуля, которая состоит из квантового колебательного контура, который выглядит, как своеобразная "спортивная гантеля", на концах которой вместо грузов расположены сверхпроводящие конденсаторы, а ручка представлена сверхпроводящим проводником, посередине которого находится перемычка, в несколько атомов толщиной, так называемый "джозефсоновский переход", через который могут проходить пары электронов (куперовские пары).

Теперь, если всю систему облучить микроволнами определённой частоты, то энергия фотонов излучения поглощается системой (говорят "накачивает её") и в системе возникает колеблющийся ("осциллирующий") ток: множественные быстрые переходы через вот эту перемычку.

Как мы знаем, источником любого электромагнитного излучения, от света до радиоволны - являются колебания электрона во время его перемещения по своей траектории, где при этом, длина волны электромагнитного излучения, которую генерирует электрон, зависит от того, с какой частотой колеблется электрон, во время движения по этой траектории.

Ситуация здесь с джозефсоновским переходом не исключение: куперовские пары очень быстро переходят "туда-сюда", с частотой, в миллиарды раз в секунду, где в процессе такого перехода, через эту перемычку, - и излучается одновременно два фотона, запутанных между собой, микроволнового диапазона. 

Сама природа физики процесса такова, что, после рождения, они разлетаются в разные стороны, где и улавливаются двумя отдельными волноводами, один из которых направляет этот фотон на детектор и считывается его состояние, а другой перенаправляет фотон на цель (которую "радарим"). 

Приёмник устроен не менее сложно, и также работает при криогенных температурах. 

В целом, можно сказать, что вся система представляет собой сложнейший квантовый механизм, где кроме собственно обеспечения низкой температуры, необходимо очень точно отслеживать состояние всех элементов, обеспечить вакуум, и, кроме того, на данный момент скорость сканирования лучом, всё ещё остаётся весьма низкой - и это ещё не учитывая сложность создания на начальном этапе самой системы в целом! 

Поэтому, в основном, такие системы остаются лабораторными образцами и ни одна из таких систем ещё не готова к внедрению и практическому использованию, но перспективы технология сулит очень интересные…