Квантовото заплитане е кражба. Бяха проведени нови експерименти за тестване на механизма на квантовото заплитане. Неравенства на Бел, експериментални тестове на неравенства

Квантова хромодинамика Стандартен модел Квантова гравитация

квантово заплитане(вижте раздел "") - квантово механично явление, при което квантовите състояния на две или Повече ▼обектите са взаимозависими. Такава взаимозависимост продължава дори ако тези обекти са разделени в пространството отвъд всякакви известни взаимодействия, което е в логическо противоречие с принципа на локалността. Например, можете да получите двойка фотони в заплетено състояние и тогава, ако при измерване на спина на първата частица спиралността се окаже положителна, тогава спиралността на втората винаги се оказва отрицателна и обратно.

История на обучението

Спор между Бор и Айнщайн, EPR Paradox

В продължение на започналите спорове, през 1935 г. Айнщайн, Подолски и Розен формулират EPR парадокса, който трябваше да покаже непълнотата на предложения модел на квантовата механика. Тяхната статия „Може ли квантовомеханичното описание на физическата реалност да се счита за пълно?“ е публикуван в #47 на Physical Review.

В парадокса на EPR принципът на несигурността на Хайзенберг беше психически нарушен: в присъствието на две частици, които имат общ произход, е възможно да се измери състоянието на една частица и да се предскаже състоянието на друга, върху която измерването все още не е извършено направени. Анализирайки подобни теоретично взаимозависими системи през същата година, Шрьодингер ги нарича "заплетени" (англ. заплетени) . По-късно английски. заплетении английски. заплитанеса станали обичайни термини в англоезичните публикации. Трябва да се отбележи, че самият Шрьодингер смята частиците за заплетени само докато физически взаимодействат една с друга. Когато се отстрани отвъд границите на възможните взаимодействия, заплитането изчезна. Тоест значението на термина в Шрьодингер се различава от това, което се подразбира в момента.

Айнщайн не разглежда парадокса на EPR като описание на реално физическо явление. Това беше именно умствена конструкция, създадена, за да демонстрира противоречията на принципа на несигурността. През 1947 г. в писмо до Макс Борн той нарича тази връзка между заплетени частици „призрачно действие от разстояние“ (гер. spukhafte Fernwirkung, Английски призрачен екшън от разстояниев превода на Борн):

Така че не мога да повярвам, защото (тази) теория е непримирима с принципа, че физиката трябва да отразява реалността във времето и пространството, без (някои) страховити действия на далечни разстояния.

оригинален текст(Немски)

Ich kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit in Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.

- "Заплетени системи: нови насоки в квантовата физика"

Още в следващия брой на Physical Review Бор публикува своя отговор в статия със същото заглавие като авторите на парадокса. Поддръжниците на Бор смятат отговора му за задоволителен, а самия парадокс на ЕПР - за породен от неразбиране на същността на "наблюдателя" в квантовата физика от Айнщайн и неговите поддръжници. Като цяло повечето физици просто са се оттеглили от философските сложности на интерпретацията на Копенхаген. Уравнението на Шрьодингер работи, прогнозите съвпадат с резултатите и в рамките на позитивизма това е достатъчно. Грибин пише за това: "за да стигне от точка А до точка Б, водачът не трябва да знае какво се случва под капака на колата му." Като епиграф към книгата си Грибин поставя думите на Файнман:

Мисля, че мога отговорно да заявя, че никой не разбира от квантова механика. Ако е възможно, спрете да се питате „Как е възможно това?“ - тъй като ще бъдете отведени в задънена улица, от която никой все още не е излязъл.

Неравенства на Бел, експериментални тестове на неравенства

Това състояние на нещата не беше много успешно за развитието на физическата теория и практика. „Заплитането“ и „призрачните действия от разстояние“ бяха игнорирани почти 30 години, докато ирландският физик Джон Бел не се заинтересува от тях. Вдъхновен от идеите на Бом (виж теорията на Де Бройл-Бом), Бел продължава своя анализ на EPR парадокса и през 1964 г. формулира своите неравенства. Чрез значително опростяване на математическите и физическите компоненти можем да кажем, че две недвусмислено разпознаваеми ситуации произтичат от работата на Бел в статистическите измервания на състоянията заплетени частици. Ако състоянията на две заплетени частици се определят в момента на разделянето, тогава едното неравенство на Бел трябва да е в сила. Ако състоянията на две заплетени частици са неопределени, преди да бъде измерено състоянието на една от тях, тогава трябва да е валидно друго неравенство.

Неравенствата на Бел предоставиха теоретична основа за възможни физически експерименти, но към 1964 г. техническата база все още не позволяваше те да бъдат поставени. Първите успешни експерименти за проверка на неравенствата на Бел са извършени от Клаузър (Английски)Руски и Фридман през 1972 г. От резултатите следва несигурността на състоянието на двойка заплетени частици, преди да бъде направено измерване на една от тях. И все пак до 80-те години на миналия век квантовото заплитане се разглеждаше от повечето физици като „не нов некласически ресурс, който може да бъде експлоатиран, а по-скоро смущение, очакващо окончателно изясняване“ .

Експериментите на групата Clauser обаче бяха последвани от експериментите на Aspe (Английски)Руски през 1981 г. В класическия експеримент на Aspe (виж ) два потока от фотони с нулево общо въртене, излъчвани от източника Снасочвайки се към призмата на Никола аИ b. При тях поради двойно пречупване поляризациите на всеки от фотоните се разделяха на елементарни, след което лъчите се насочваха към детекторите D+И Д-. Сигналите от детекторите чрез фотоумножители постъпваха в записващото устройство Р, където е изчислено неравенството на Бел.

Резултатите, получени както в експериментите на Фридман-Клаузер, така и в експериментите на Аспе ясно говорят в полза на отсъствието на Айнщайнов локален реализъм. „Ужасен екшън на далечни разстояния“ от мисловен експеримент най-накрая стана физическа реалност. Последният удар върху местността беше нанесен през 1989 г. от многосвързаните състояния на Грийнбергер-Хорн-Цайлингер. (Английски)Руски който постави основите на квантовата телепортация. През 2010 г. Джон Клаузър (Английски)Руски , Ален Аспе (Английски)Руски и Антон Зайлингер бяха удостоени с наградата Волф по физика „за фундаментален концептуален и експериментален принос към основите квантова физика, по-специално за серия от все по-сложни тестове на неравенствата на Бел (или разширени версии на тези неравенства), използващи заплетени квантови състояния.

Модерен етап

През 2008 г. група швейцарски изследователи от Женевския университет успяха да разделят два потока от заплетени фотони на разстояние от 18 километра. Наред с други неща, това позволява да се правят измервания на времето с непостижима преди това точност. В резултат на това беше установено, че ако се случи някакво скрито взаимодействие, тогава скоростта на неговото разпространение трябва да бъде поне 100 000 пъти по-голяма от скоростта на светлината във вакуум. При по-ниски скорости ще се забележат забавяния във времето.

През лятото на същата година друга група изследователи от австр (Английски)Руски , включително Zeilinger, успяха да създадат още по-голям експеримент, разпространявайки потоци от заплетени фотони на 144 километра между лабораториите на островите Ла Палма и Тенерифе. Обработката и анализът на такъв мащабен експеримент продължава, последна версиядокладът е публикуван през 2010 г. В този експеримент беше възможно да се изключи възможното влияние на недостатъчното разстояние между обектите по време на измерването и недостатъчната свобода при избора на настройките за измерване. В резултат на това още веднъж беше потвърдено квантовото заплитане и съответно нелокалният характер на реалността. Вярно, остава и трето възможно влияние - недостатъчно пълна извадка. Експеримент, при който и трите потенциални влияния се елиминират едновременно, е въпрос на бъдещето от септември 2011 г.

Повечето експерименти със заплетени частици използват фотони. Това се дължи на относителната простота на получаване на заплетени фотони и тяхното предаване към детектори, както и на двоичния характер на измереното състояние (положителна или отрицателна спиралност). Феноменът на квантовото заплитане обаче съществува и за други частици и техните състояния. През 2010 г. международен екип от учени от Франция, Германия и Испания получи и изследва заплетените квантови състояния на електрони, тоест частици с маса, в твърд свръхпроводник от въглеродни нанотръби. През 2011 г. изследователи от успяха да създадат състояние на квантово заплитане между един атом рубидий и кондензат на Бозе-Айнщайн, разделени на разстояние от 30 метра.

Името на явлението в рускоезични източници

Със стабилен английски термин Квантово заплитане, който се използва доста последователно в англоезичните публикации, произведенията на руски език показват голямо разнообразие от употреба. От термините, които се срещат в източниците по темата, можете да посочите (по азбучен ред):

Това разнообразие може да се обясни с няколко причини, включително обективното наличие на два обозначени обекта: а) самата държава (англ. квантово заплитане) и б) наблюдаваните ефекти в това състояние (англ. призрачен екшън от разстояние ), които в много произведения на руски език се различават по-скоро в контекста, отколкото в терминологията.

Математическа формулировка

Получаване на заплетени квантови състояния

В най-простия случай източникът Сзаплетени фотонни потоци е определен нелинеен материал, върху който се насочва лазерен лъч с определена честота и интензитет (схема с един емитер). В резултат на спонтанно параметрично разсейване (SPS) на изхода се получават два поляризационни конуса зИ V, пренасящи двойки фотони в заплетено квантово състояние (бифотони) .

квантово заплитане

Квантовото заплитане е в основата на бъдещите технологии като квантовия компютър и квантовата криптография и също така се използва в експерименти с квантова телепортация. В теоретично и философско отношение това явление е едно от най-революционните свойства на квантовата теория, тъй като може да се види, че корелациите, предвидени от квантовата механика, са напълно несъвместими с представите за привидно очевидната локалност на реалния свят, в който информацията за състоянието на системата може да се предава само чрез нейната непосредствена среда. Различните възгледи за това какво всъщност се случва по време на процеса на квантово механично заплитане водят до различни интерпретации на квантовата механика.

Заден план

През 1935 г. Айнщайн, Подолски и Розен формулират известния парадокс Айнщайн-Подолски-Розен, който показва, че квантовата механика се превръща в нелокална теория поради свързаността. Знаем как Айнщайн се присмиваше на свързаността, наричайки я „кошмарно действие от разстояние“. Естествено, нелокалната свързаност опроверга постулата на ТО за ограничаващата скорост на светлината (предаване на сигнала).

От друга страна, квантовата механика превъзхожда в предсказването експериментални резултати, и всъщност се наблюдават дори силни корелации поради феномена на заплитане. Има начин, който изглежда успешен при обяснението на квантовото заплитане, подход на "теория на скритата променлива", при който определени, но неизвестни микроскопични параметри са отговорни за корелациите. Но през 1964 г. Дж. С. Бел показа, че „добра“ локална теория така или иначе не може да бъде конструирана по този начин, т.е. заплитането, предсказано от квантовата механика, може да бъде експериментално разграничено от резултатите, предсказани от широк клас теории с локални скрити параметри . Резултатите от последващите експерименти предоставиха зашеметяващо потвърждение на квантовата механика. Някои проверки показват, че има редица пречки в тези експерименти, но общоприето е, че те не са значителни.

Свързаността има интересна връзка с принципа на относителността, който гласи, че информацията не може да пътува от място на място по-бързо от скоростта на светлината. Въпреки че двете системи могат да бъдат разделени от голямо разстояние и да бъдат заплетени, да предават чрез връзката си полезна информацияневъзможно, така че причинно-следствената връзка не се нарушава от заплитането. Това се случва по две причини:
1. резултатите от измерванията в квантовата механика са фундаментално вероятностни;
2. Теоремата за клониране на квантовото състояние забранява статистическа проверка на заплетени състояния.

Причини за влиянието на частиците

В нашия свят има специални състояния на няколко квантови частици - заплетени състояния, в които се наблюдават квантови корелации (като цяло корелацията е връзка между събития над нивото на случайни съвпадения). Тези корелации могат да бъдат открити експериментално, което беше направено за първи път преди повече от двадесет години и сега се използва рутинно в различни експерименти. В класическия (т.е. неквантовия) свят има два вида корелации – когато едно събитие е причина за друго или когато и двете имат обща причина. В квантовата теория възниква трети тип корелация, свързана с нелокалните свойства на заплетени състояния на няколко частици. Този трети тип корелация е трудно да си представим с помощта на познати битови аналогии. Или може би тези квантови корелации са резултат от някакво ново, непознато досега взаимодействие, поради което заплетените частици (и само те!) си влияят?

Веднага си струва да се подчертае „анормалността“ на такова хипотетично взаимодействие. Квантови корелации се наблюдават дори ако откриването на две частици, разделени на голямо разстояние, се случи едновременно (в границите на експерименталните грешки). Това означава, че ако такова взаимодействие се осъществи, тогава то трябва да се разпространява в лабораторната референтна система изключително бързо, със свръхсветлинна скорост. И от това неизбежно следва, че в други референтни системи това взаимодействие ще бъде като цяло мигновено и дори ще действа от бъдещето в миналото (макар и без да се нарушава принципът на причинно-следствената връзка).

Същността на експеримента

Геометрията на експеримента. Двойки заплетени фотони бяха генерирани в Женева, след което фотоните бяха изпратени по оптични кабели с еднаква дължина (маркирани в червено) до два приемника (маркирани с буквите APD) на 18 км един от друг. Изображение от въпросната статия в Nature

Идеята на експеримента е следната: създаваме два заплетени фотона и ги изпращаме до два детектора възможно най-далеч един от друг (в описания експеримент разстоянието между двата детектора беше 18 км). В този случай ние правим пътищата на фотоните до детекторите възможно най-идентични, така че моментите на тяхното детектиране да са възможно най-близки. В тази работа моментите на откриване съвпаднаха с точност от приблизително 0,3 наносекунди. При тези условия все още се наблюдават квантови корелации. Така че, ако приемем, че те „работят“ поради описаното по-горе взаимодействие, тогава неговата скорост трябва да надвишава скоростта на светлината сто хиляди пъти.
Такъв експеримент всъщност е бил извършен от същата група и преди. Новостта на тази работа е само, че експериментът продължи дълго време. Квантовите корелации се наблюдават непрекъснато и не изчезват по всяко време на деня.
Защо е важно? Ако хипотетично взаимодействие се носи от някаква среда, тогава тази среда ще има разграничена референтна рамка. Поради въртенето на Земята, лабораторната отправна система се движи спрямо тази отправна система с различни скорости. Това означава, че интервалът от време между две събития на откриване на два фотона ще бъде различен за тази среда през цялото време, в зависимост от времето на деня. По-конкретно, ще има момент, когато тези две събития за тази среда ще изглеждат като едновременни. (Тук между другото се използва фактът от теорията на относителността, че две едновременни събития ще бъдат едновременни във всички инерционни отправни системи, движещи се перпендикулярно на свързващата ги права).

Ако квантовите корелации се извършват поради хипотетичното взаимодействие, описано по-горе, и ако скоростта на това взаимодействие е крайна (дори ако е произволно голяма), тогава в този момент корелациите ще изчезнат. Следователно непрекъснатото наблюдение на корелациите през деня напълно би затворило тази възможност. И повторението на такъв експеримент в различни периоди от годината би затворило тази хипотеза дори при безкрайно бързо взаимодействие в собствената, избрана референтна рамка.

За съжаление това не беше постигнато поради несъвършенството на експеримента. В този експеримент, за да се каже, че действително се наблюдават корелации, е необходимо сигналът да се натрупа за няколко минути. Изчезването на корелации, например, за 1 секунда, този експеримент не може да забележи. Ето защо авторите не успяха напълно да затворят хипотетичното взаимодействие, а само получиха ограничение на скоростта на разпространението му в избраната от тях референтна система, което, разбира се, значително намалява стойността на получения резултат.

Може би...?

Читателят може да попита: ако все пак хипотетичната възможност, описана по-горе, се реализира, но експериментът просто я е пропуснал поради нейното несъвършенство, означава ли това, че теорията на относителността е неправилна? Може ли този ефект да се използва за свръхсветлинно предаване на информация или дори за движение в пространството?

Не. Хипотетичното взаимодействие, описано по-горе чрез конструкция, служи на единствената цел - това са „зъбните колела“, които карат квантовите корелации да „работят“. Но вече е доказано, че с помощта на квантови корелации е невъзможно да се предаде информация по-бърза скоростСвета. Следователно, какъвто и да е механизмът на квантовите корелации, той не може да наруши теорията на относителността.
© Игор Иванов

Вижте торсионни полета.
Основи на финия свят - физически вакуум и торсионни полета. 4.

квантово заплитане.

Copyright © 2015 Безусловна любов

• Превод

Квантовото заплитане е една от най-сложните концепции в науката, но нейните основни принципи са прости. И ако го разберете, заплитането отваря пътя към по-добро разбиране на такива концепции като многото светове в квантовата теория.

Очарователна аура на мистерия заобикаля идеята за квантово заплитане, както и (някак) свързаното твърдение на квантовата теория, че трябва да има „много светове“. И все пак в основата си това са научни идеи със светски смисъл и конкретни приложения. Бих искал да обясня понятията за преплитане и много светове толкова просто и ясно, колкото аз ги познавам.

аз

Заплитането се появява в ситуации, в които имаме частична информация за състоянието на две системи. Например два обекта могат да станат наши системи – нека ги наречем каони. "K" ще означава "класически" обекти. Но ако наистина искате да си представите нещо конкретно и приятно, представете си, че това са торти.

Нашите каони ще имат две форми, квадратна или кръгла, и тези форми ще показват техните възможни състояния. Тогава четирите възможни съвместни състояния на два каона ще бъдат: (квадрат, квадрат), (квадрат, кръг), (кръг, квадрат), (кръг, кръг). Таблицата показва вероятността системата да бъде в едно от четирите изброени състояния.

Ще кажем, че каоните са „независими“, ако знанието за състоянието на единия от тях не ни дава информация за състоянието на другия. И тази маса има такова свойство. Ако първият каон (торта) е квадратен, ние все още не знаем формата на втория. Обратно, формата на втория не ни казва нищо за формата на първия.

От друга страна, казваме, че два каона са заплетени, ако информацията за единия подобрява познанията ни за другия. Втората таблетка ще ни покаже силно заплитане. В този случай, ако първият каон е кръгъл, ще знаем, че вторият също е кръгъл. И ако първият каон е квадратен, тогава вторият ще бъде същият. Познавайки формата на единия, можем еднозначно да определим формата на другия.

Квантовият вариант на вплитането всъщност изглежда по същия начин – това е липса на независимост. В квантовата теория състоянията се описват от математически обекти, наречени вълнови функции. Правилата, които съчетават вълнови функции с физически възможности, пораждат много интересни сложности, които ще обсъдим по-късно, но основната концепция на заплетеното знание, която демонстрирахме за класическия случай, остава същата.

Въпреки че тортите не могат да се считат за квантови системи, заплитането в квантовите системи се случва естествено - например след сблъсъци на частици. На практика незаплетените (независими) състояния могат да се считат за редки изключения, тъй като между тях възникват корелации по време на взаимодействието на системите.

Помислете например за молекулите. Те се състоят от подсистеми - по-специално електрони и ядра. Минималното енергийно състояние на една молекула, в което тя обикновено се намира, е силно заплетено състояние на електрони и ядро, тъй като подреждането на тези съставни частици в никакъв случай няма да бъде независимо. Когато ядрото се движи, електронът се движи с него.

Да се ​​върнем към нашия пример. Ако запишем Φ■, Φ● като вълнови функции, описващи система 1 в нейните квадратни или кръгли състояния и ψ■, ψ● за вълнови функции, описващи система 2 в нейните квадратни или кръгли състояния, тогава в нашия работен пример всички състояния могат да бъдат описани , как:

Независим: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Заплетен: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Независимата версия може да бъде написана и като:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Обърнете внимание как в последния случай скобите ясно разделят първата и втората система на независими части.

Има много начини за създаване на заплетени състояния. Единият е да измерите съставната система, която ви дава частична информация. Възможно е да знаете например, че две системи са се съгласили да бъдат от една и съща форма, без да знаят коя форма са избрали. Тази концепция ще стане важна малко по-късно.

По-характерните последици от квантовото заплитане, като ефектите на Айнщайн-Подолски-Розен (EPR) и Грийнберг-Хорн-Зайлингер (GHZ), възникват от взаимодействието му с друго свойство на квантовата теория, наречено „принцип на допълване“. За да обсъдим EPR и GHZ, нека първо ви запозная с този принцип.

До този момент сме си представяли, че каоните се предлагат в две форми (квадратна и кръгла). А сега си представете, че те също са в два цвята - червено и синьо. Имайки в предвид класически системи, например торти, това допълнително свойство би означавало, че каонът може да съществува в едно от четири възможни състояния: червен квадрат, червен кръг, син квадрат и син кръг.

Но квантовите торти са си квантови торти... Или квантоните... Те се държат съвсем различно. Фактът, че квантонът в някои ситуации може да има различна формаи цветът не означава непременно, че има форма и цвят едновременно. Всъщност здравият разум, който Айнщайн изисква от физическата реалност, не съвпада с експерименталните факти, както скоро ще видим.

Можем да измерим формата на квантон, но по този начин губим цялата информация за цвета му. Или можем да измерим цвят, но да загубим информация за формата му. Според квантовата теория не можем да измерваме формата и цвета едновременно. Ничие виждане за квантовата реалност не е пълно; човек трябва да вземе предвид много различни и взаимно изключващи се картини, всяка от които има своя собствена непълна представа за това, което се случва. Това е същността на принципа на комплементарността, така както е формулиран от Нилс Бор.

В резултат на това квантовата теория ни принуждава да бъдем внимателни при приписването на свойства на физическата реалност. За да се избегнат спорове, трябва да се признае, че:

Няма имот, ако не е измерен.
Измерването е активен процес, който променя измерваната система

II

Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен (EPR) описаха удивителния ефект, който се получава, когато две квантови системи се заплитат. EPR ефектът съчетава специална, експериментално постижима форма на квантово заплитане с принципа на допълване.

EPR двойка се състои от два квантона, всеки от които може да бъде измерен във форма или цвят (но не и двете). Да предположим, че имаме много такива двойки, всички те са еднакви и можем да изберем кои измервания да предприемем на техните компоненти. Ако измерим формата на един от членовете на двойката EPR, е еднакво вероятно да получим квадрат или кръг. Ако измерим цвета, тогава със същата вероятност ще получим червено или синьо.

Интересни ефекти, които изглеждаха парадоксални за EPR, възникват, когато измерваме и двата члена на двойката. Когато измерваме цвета на двата елемента или тяхната форма, откриваме, че резултатите винаги съвпадат. Тоест, ако установим, че единият от тях е червен и след това измерим цвета на втория, ние също откриваме, че е червен - и така нататък. От друга страна, ако измерим формата на едното и цвета на другото, не се наблюдава корелация. Тоест, ако първият е квадрат, тогава вторият със същата вероятност може да бъде син или червен.

Според квантовата теория ще получим такива резултати, дори ако двете системи са разделени от огромно разстояние и измерванията се правят почти едновременно. Изборът на тип измерване на едно място изглежда влияе върху състоянието на системата на друго място. Това "плашещо действие от разстояние", както го нарича Айнщайн, изглежда изисква предаване на информация - в нашия случай информация за направеното измерване - със скорост, по-висока от скоростта на светлината.

Но дали е така? Докато не знам какъв резултат имаш, не знам какво да очаквам. Получавам полезна информация, когато получа вашия резултат, а не когато правите измерване. И всяко съобщение, съдържащо резултата, който сте получили, трябва да бъде предадено по някакъв физически начин, по-бавен от скоростта на светлината.

С по-нататъшно проучване парадоксът се разрушава още повече. Нека разгледаме състоянието на втората система, ако измерването на първата даде червен цвят. Ако решим да измерим цвета на втория квантон, получаваме червено. Но по принципа на допълването, ако решим да измерим формата му, когато е в "червено" състояние, ще имаме равен шанс да получим квадрат или кръг. Следователно резултатът от EPR е логически предопределен. Това е просто преразказ на принципа на допълване.

Няма парадокс в това, че далечните събития са корелирани. В крайна сметка, ако поставим една от двете ръкавици от чифт в кутии и ги изпратим в различни части на планетата, не е изненадващо, че като погледна в една кутия, мога да определя за коя ръка е предназначена другата ръкавица. По същия начин, във всички случаи, корелацията на EPR двойки трябва да бъде фиксирана върху тях, когато са наблизо, така че да могат да издържат на последващото разделяне, сякаш имат памет. Странността на парадокса на EPR не е във възможността за самата корелация, а във възможността за нейното запазване под формата на добавки.

III

Всеки отделен експериментатор получава произволни резултати. Чрез измерване на формата на квантона той получава квадрат или кръг с еднаква вероятност; измервайки цвета на квантона, той получава червено или синьо с еднаква вероятност. Докато всичко е нормално.

Но когато експериментаторите се събират и сравняват резултатите, анализът разкрива изненадващ резултат. Да речем, че наричаме квадратна форма и червен цвят „добри“, а кръгове и син цвят – „зли“. Експериментаторите откриват, че ако двама от тях решат да измерят форма, а третият избере цвят, тогава или 0, или 2 измервания са „лоши“ (т.е. кръгли или сини). Но ако и тримата решат да измерят цвета, тогава или 1, или 3 измервания са зло. Квантовата механика предвижда това и точно това се случва.

Въпрос: Четно или нечетно е количеството зло? И двете възможности се реализират в различни измерения. Трябва да прекратим този въпрос. Няма смисъл да се говори за количеството зло в една система без оглед на това как се измерва. И това води до противоречия.

Ефектът GHZ, както го описва физикът Сидни Колман, е „шамар в лицето на квантовата механика“. Той нарушава обичайното, научено очакване, че физическите системи имат предварително определени свойства, независимо от тяхното измерване. Ако случаят беше такъв, тогава балансът на доброто и злото нямаше да зависи от избора на видове измервания. След като приемете съществуването на ефекта GHZ, няма да го забравите и хоризонтите ви ще се разширят.

IV

Говорим за „заплетени истории“, когато е невъзможно да се присвои определено състояние на системата във всеки момент от времето. Точно както изключваме възможностите в традиционното заплитане, можем също така да създаваме заплетени истории, като правим измервания, които събират частична информация за минали събития. В най-простите заплетени истории имаме един квантон, който изучаваме в два различни момента във времето. Можем да си представим ситуация, в която определяме, че формата на нашия квантон е била квадратна и двата пъти, или кръгла и двата пъти, но и двете ситуации остават възможни. Това е временна квантова аналогия с най-простите варианти на заплитане, описани по-рано.

Използвайки по-сложен протокол, можем да добавим малко допълнителност към тази система и да опишем ситуации, които причиняват свойството "много светове" на квантовата теория. Нашият квантон може да бъде приготвен в червено състояние и след това измерен и получен в синьо. И както в предишните примери, не можем да присвоим постоянно на квантона свойството цвят в интервала между две измерения; няма определена форма. Такива истории осъзнават по ограничен, но напълно контролиран и прецизен начин интуицията, присъща на картината на множеството светове в квантовата механика. Определено състояние може да се раздели на две противоречиви исторически траектории, които след това да се свържат отново.

Ервин Шрьодингер, основателят на квантовата теория, който беше скептичен относно нейната коректност, подчерта, че еволюцията на квантовите системи естествено води до състояния, измерването на които може да даде изключително различни резултати. Неговият мисловен експеримент с "котката на Шрьодингер" постулира, както знаете, квантовата несигурност, доведена до нивото на влияние върху котешката смъртност. Преди измерване е невъзможно да се определи свойството живот (или смърт) на котка. И двете, или нито една от тях, съществуват заедно в отвъдния свят на възможностите.

Всекидневният език не е подходящ за обяснение на квантовата комплементарност, отчасти защото ежедневният опит не я включва. Практичните котки взаимодействат с околните молекули на въздуха и други обекти по напълно различни начини, в зависимост от това дали са живи или мъртви, така че на практика измерването е автоматично и котката продължава да живее (или не живее). Но историите описват квантони, които са котенцата на Шрьодингер, със сложност. Техен Пълно описаниеизисква да разгледаме две взаимно изключващи се траектории на свойства.

Контролираната експериментална реализация на заплетени истории е деликатно нещо, тъй като изисква събирането на частична информация за квантоните. Конвенционалните квантови измервания обикновено събират цялата информация наведнъж - например определят точната форма или точния цвят - вместо да получават частична информация няколко пъти. Но може да се направи, макар и с изключителни технически трудности. По този начин можем да придадем определено математическо и експериментално значение на разпространението на концепцията за "много светове" в квантовата теория и да демонстрираме нейната реалност.

Квантовото заплитане е квантово-механично явление, което започва да се изучава на практика сравнително наскоро - през 70-те години на миналия век. Състои се в следното. Представете си, че в резултат на някакво събитие са се родили два фотона едновременно. Двойка квантово заплетени фотони може да се получи, например, чрез излъчване на лазер с определени характеристики върху нелинеен кристал. Генерираните фотони в двойка могат да имат различни честоти (и дължини на вълните), но сумата от техните честоти е равна на честотата на първоначалното възбуждане. Те също така имат ортогонални поляризации в основата на кристалната решетка, което улеснява тяхното пространствено разделяне. Когато се роди двойка частици, трябва да бъдат изпълнени законите за запазване, което означава, че общите характеристики (поляризация, честота) на две частици имат предварително определена, строго определена стойност. От това следва, че знаейки характеристиките на един фотон, можем определено да разберем характеристиките на друг. Според принципите на квантовата механика до момента на измерване частицата е в суперпозиция от няколко възможни състояния, като по време на измерването суперпозицията се премахва и частицата се озовава в едно състояние. Ако анализираме много частици, тогава във всяко състояние ще има определен процент частици, съответстващ на вероятността за това състояние в суперпозицията.

Но какво се случва със суперпозицията на състояния на заплетени частици в момента на измерване на състоянието на една от тях? Парадоксът и контраинтуитивността на квантовото заплитане се крие във факта, че характеристиката на втория фотон се определя точно в момента, в който сме измерили характеристиката на първия. Не, това не е теоретична конструкция, това е суровата истина за околния свят, потвърдена експериментално. Да, това предполага наличието на взаимодействие, предаващо с безкрайно висока скорост, надвишаваща дори скоростта на светлината. Все още не е много ясно как да се използва това в полза на човечеството. Има идеи за приложения за квантови компютри, криптография и комуникация.

Учени от Виена са успели да разработят напълно нова и изключително контраинтуитивна техника за изображения, базирана на квантовата природа на светлината. В тяхната система изображението се формира от светлина, която никога не е взаимодействала с обекта. Технологията се основава на принципа на квантовото заплитане. Статия за това е публикувана в списание Nature. В проучването са участвали служители на института квантова оптикаи квантова информация (Институт за квантова оптика и квантова информация, IQOQI) на Виенския център за квантова наука и технологии (VCQ) и Университета на Виена.

В експеримента на виенските учени един от двойката заплетени фотони е с дължина на вълната в инфрачервената част на спектъра и именно той е преминал през пробата. Брат му имаше дължина на вълната, съответстваща на червената светлина, и можеше да бъде засечен от камерата. Светлинният лъч, генериран от лазера, беше разделен на две половини, а половините бяха насочени към два нелинейни кристала. Предметът беше поставен между два кристала. Това беше издълбан силует на котка - в чест на героя от спекулативния експеримент Ервин Шрьодингер, който вече беше мигрирал към фолклора. Към него бил насочен инфрачервен лъч фотони от първия кристал. След това тези фотони преминаха през втория кристал, където фотоните, преминали през изображението на котката, се смесиха с току-що родени инфрачервени фотони, така че беше напълно невъзможно да се разбере в кой от двата кристала са родени. Освен това камерата изобщо не засича инфрачервени фотони. И двата лъча червени фотони бяха комбинирани и изпратени до приемно устройство. Оказа се, че благодарение на ефекта на квантовото заплитане те съхраняват цялата информация за обекта, необходима за създаване на изображение.

Експеримент доведе до подобни резултати, при които изображението не беше непрозрачна плоча с изрязан контур, а триизмерно силиконово изображение, което не абсорбира светлина, но забавя преминаването на инфрачервен фотон и създава фазова разлика между фотоните, преминали през различни части на изображението. Оказа се, че подобна пластичност засяга и фазата на червените фотони, които са в състояние на квантово заплитане с инфрачервени фотони, но никога не преминават през изображението.