Cum să încurci particulele. Entanglement cuantic în termeni simpli. Miracolele continuă. Inegalitățile lui Bell, teste experimentale ale inegalităților

• Traducere

Entanglementul cuantic este unul dintre cele mai complexe concepte din știință, dar principiile sale de bază sunt simple. Și dacă îl înțelegi, întanglementul deschide calea către o mai bună înțelegere a unor concepte precum numeroasele lumi din teoria cuantică.

O aură încântătoare de mister înconjoară noțiunea de întricare cuantică, precum și afirmația (cumva) legată a teoriei cuantice că trebuie să existe „multe lumi”. Și totuși, la baza lor, acestea sunt idei științifice cu un înțeles banal și aplicații specifice. Aș dori să explic conceptele de încurcătură și multe lumi la fel de simplu și clar pe cât le cunosc eu însumi.

eu

Încurcarea apare în situațiile în care avem informații parțiale despre starea a două sisteme. De exemplu, două obiecte pot deveni sistemele noastre - să le numim kaoni. „K” va desemna obiecte „clasice”. Dar dacă chiar vrei să-ți imaginezi ceva concret și plăcut, imaginează-ți că acestea sunt prăjituri.

Kaonii noștri vor avea două forme, pătrate sau rotunde, iar aceste forme vor indica stările lor posibile. Atunci cele patru stări posibile de îmbinare a doi kaoni vor fi: (pătrat, pătrat), (pătrat, cerc), (cerc, pătrat), (cerc, cerc). Tabelul arată probabilitatea ca sistemul să se afle într-una dintre cele patru stări enumerate.

Vom spune că kaonii sunt „independenți” dacă cunoștințele despre starea unuia dintre ei nu ne oferă informații despre starea celuilalt. Și această masă are o astfel de proprietate. Dacă primul kaon (tort) este pătrat, încă nu știm forma celui de-al doilea. În schimb, forma celui de-al doilea nu ne spune nimic despre forma primului.

Pe de altă parte, spunem că doi kaoni sunt încurși dacă informațiile despre unul ne îmbunătățesc cunoștințele despre celălalt. A doua tabletă ne va arăta o încurcătură puternică. În acest caz, dacă primul kaon este rotund, vom ști că și al doilea este rotund. Și dacă primul kaon este pătrat, atunci al doilea va fi același. Cunoscând forma unuia, putem determina în mod unic forma celuilalt.

Versiunea cuantică a entanglementului arată, de fapt, la fel - este o lipsă de independență. În teoria cuantică, stările sunt descrise de obiecte matematice numite funcții de undă. Regulile care combină funcțiile de undă cu posibilitățile fizice dau naștere unor complexități foarte interesante, despre care vom discuta mai târziu, dar conceptul de bază al cunoștințelor încurcate pe care l-am demonstrat pentru cazul clasic rămâne același.

Deși prăjiturile nu pot fi considerate sisteme cuantice, încurcarea în sistemele cuantice are loc în mod natural - de exemplu, după ciocnirile de particule. În practică, stările neîncurcate (independente) pot fi considerate excepții rare, deoarece între ele apar corelații în timpul interacțiunii sistemelor.

Luați în considerare, de exemplu, molecule. Ele constau din subsisteme - în special, electroni și nuclee. Starea minimă de energie a unei molecule, în care se află de obicei, este o stare foarte încurcată a electronilor și a unui nucleu, deoarece aranjarea acestor particule constitutive nu va fi în niciun caz independentă. Când nucleul se mișcă, electronul se mișcă odată cu el.

Să revenim la exemplul nostru. Dacă scriem Φ■, Φ● ca funcții de undă care descriu sistemul 1 în stările sale pătrate sau rotunde și ψ■, ψ● pentru funcțiile de undă care descriu sistemul 2 în stările sale pătrate sau rotunde, atunci în exemplul nostru de lucru, toate stările pot fi descrise , Cum:

Independent: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Încurcat: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Versiunea independentă poate fi scrisă și ca:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Observați cum, în acest din urmă caz, parantezele separă în mod clar primul și al doilea sistem în părți independente.

Există multe moduri de a crea stări încurcate. Una este măsurarea sistemului compozit care vă oferă informații parțiale. Este posibil să știți, de exemplu, că două sisteme au convenit să fie de aceeași formă fără a ști ce formă au ales. Acest concept va deveni important puțin mai târziu.

Consecințele mai caracteristice ale încordării cuantice, cum ar fi efectele Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) și Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ), apar din interacțiunea acesteia cu o altă proprietate a teoriei cuantice numită „principiul complementarității”. Pentru a discuta despre EPR și GHZ, permiteți-mi mai întâi să vă prezint acest principiu.

Până în acest moment, ne-am imaginat că kaonii au două forme (pătrat și rotund). Acum imaginați-vă că vin și în două culori - roșu și albastru. Luand in considerare sisteme clasice, de exemplu, prăjituri, această proprietate suplimentară ar însemna că kaonul poate exista într-una din cele patru stări posibile: pătrat roșu, cerc roșu, pătrat albastru și cerc albastru.

Dar prăjiturile cuantice sunt prăjiturile cuantice... Sau quantonii... Se comportă destul de diferit. Faptul că quantonul în unele situații poate avea formă diferită iar culoarea nu înseamnă neapărat că are și formă și culoare în același timp. De fapt, bunul simț pe care Einstein l-a cerut realității fizice nu se potrivește cu faptele experimentale, așa cum vom vedea în curând.

Putem măsura forma unui quanton, dar făcând acest lucru pierdem toate informațiile despre culoarea acestuia. Sau putem măsura o culoare, dar pierdem informații despre forma ei. Conform teoriei cuantice, nu putem măsura atât forma, cât și culoarea în același timp. Viziunea nimănui asupra realității cuantice nu este completă; trebuie să țineți cont de multe imagini diferite și care se exclud reciproc, fiecare dintre ele având propria sa idee incompletă despre ceea ce se întâmplă. Aceasta este esența principiului complementarității, așa cum a fost formulat de Niels Bohr.

Ca urmare, teoria cuantică ne obligă să fim atenți în atribuirea proprietăților realității fizice. Pentru a evita controversele, trebuie să recunoaștem că:

Nu există nicio proprietate dacă nu a fost măsurată.
Măsurarea este un proces activ care modifică sistemul măsurat

II

Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen (EPR) au descris efectul uimitor care apare atunci când două sisteme cuantice sunt încurcate. Efectul EPR combină o formă specială, realizabilă experimental, de întanglement cuantic cu principiul complementarității.

O pereche EPR este formată din doi quantoni, fiecare dintre care poate fi măsurat în formă sau culoare (dar nu ambele). Să presupunem că avem multe astfel de perechi, toate sunt la fel și putem alege ce măsurători le luăm componentelor lor. Dacă măsurăm forma unuia dintre membrii perechii EPR, este la fel de probabil să obținem un pătrat sau un cerc. Dacă măsurăm culoarea, atunci cu aceeași probabilitate obținem roșu sau albastru.

Efecte interesante care păreau paradoxale pentru EPR apar atunci când măsurăm ambii membri ai perechii. Când măsurăm culoarea ambilor membri sau forma lor, constatăm că rezultatele se potrivesc întotdeauna. Adică, dacă aflăm că unul dintre ele este roșu și apoi măsurăm culoarea celui de-al doilea, aflăm și că este roșu - și așa mai departe. Pe de altă parte, dacă măsurăm forma unuia și culoarea celuilalt, nu se observă nicio corelație. Adică, dacă primul a fost un pătrat, atunci al doilea cu aceeași probabilitate poate fi albastru sau roșu.

Conform teoriei cuantice, vom obține astfel de rezultate chiar dacă cele două sisteme sunt separate de o distanță uriașă și măsurătorile sunt luate aproape simultan. Alegerea tipului de măsurare într-o locație pare să afecteze starea sistemului în altă parte. Această „acțiune înfricoșătoare la distanță”, așa cum a numit-o Einstein, pare să necesite transmiterea de informații – în cazul nostru, informații despre măsurarea efectuată – la o viteză mai mare decât viteza luminii.

Dar este? Până nu știu ce rezultat ai obținut, nu știu la ce să mă aștept. eu iau Informatii utile când obțin rezultatul tău, nu când faci măsurarea. Și orice mesaj care conține rezultatul primit trebuie transmis într-un mod fizic, mai lent decât viteza luminii.

Cu studii suplimentare, paradoxul este și mai distrus. Să luăm în considerare starea celui de-al doilea sistem, dacă măsurarea primului a dat o culoare roșie. Dacă decidem să măsurăm culoarea celui de-al doilea quanton, obținem roșu. Dar, după principiul complementarității, dacă decidem să îi măsurăm forma atunci când se află în starea „roșie”, vom avea șanse egale să obținem un pătrat sau un cerc. Prin urmare, rezultatul EPR este logic predeterminat. Aceasta este doar o repovestire a principiului complementarității.

Nu există paradox în faptul că evenimentele îndepărtate sunt corelate. La urma urmei, dacă punem una dintre cele două mănuși dintr-o pereche în cutii și le trimitem în diferite părți ale planetei, nu este surprinzător că, uitându-mă într-o cutie, pot determina cărei mână este destinată cealaltă mănușă. La fel, în toate cazurile, corelarea perechilor EPR trebuie fixată pe ele când sunt în apropiere pentru ca acestea să reziste la separarea ulterioară de parcă ar avea memorie. Ciudățenia paradoxului EPR nu constă în posibilitatea corelării în sine, ci în posibilitatea păstrării acestuia sub formă de completări.

III

Fiecare experimentator individual primește rezultate aleatorii. Măsurând forma quantonului, el obține un pătrat sau un cerc cu probabilitate egală; măsurând culoarea quantonului, el devine roșu sau albastru cu probabilitate egală. În timp ce totul este normal.

Dar când experimentatorii se reunesc și compară rezultatele, analiza dezvăluie un rezultat surprinzător. Să presupunem că numim o formă pătrată și o culoare roșie „bună”, iar cercuri și culoarea albastră - „rău”. Experimentatorii constată că, dacă doi dintre ei decid să măsoare forma, iar al treilea alege culoarea, atunci fie 0, fie 2 măsurători sunt „rele” (adică, rotunde sau albastre). Dar dacă toți trei decid să măsoare culoarea, atunci fie 1, fie 3 măsurători sunt rele. Mecanica cuantică prezice acest lucru și exact asta se întâmplă.

Întrebare: Este cantitatea de rău par sau impar? Ambele posibilități sunt realizate în dimensiuni diferite. Trebuie să renunțăm la această problemă. Nu are sens să vorbim despre cantitatea de rău într-un sistem fără a ține cont de modul în care este măsurat. Și asta duce la contradicții.

Efectul GHZ, așa cum îl descrie fizicianul Sidney Colman, este „o palmă în fața mecanicii cuantice”. Încalcă așteptările obișnuite, învățate, că sistemele fizice au proprietăți predeterminate, independente de măsurarea lor. Dacă acesta ar fi cazul, atunci echilibrul dintre bine și rău nu ar depinde de alegerea tipurilor de măsurare. Odată ce vei accepta existența efectului GHZ, nu-l vei uita, iar orizonturile tale se vor lărgi.

IV

Vorbim despre „povești încurcate” atunci când este imposibil să atribuiți o anumită stare sistemului în fiecare moment de timp. Așa cum excludem posibilitățile în încurcarea tradițională, putem crea și istorii încurcate făcând măsurători care colectează informații parțiale despre evenimentele trecute. În cele mai simple povești încurcate, avem un quanton pe care îl studiem în două momente diferite în timp. Ne putem imagina o situație în care determinăm că forma quantonului nostru a fost pătrată de ambele ori sau rotundă de ambele ori, dar ambele situații rămân posibile. Aceasta este o analogie cuantică temporală cu cele mai simple variante de întricare descrise mai devreme.

Folosind un protocol mai complex, putem adăuga un pic de adiționalitate acestui sistem și putem descrie situații care cauzează proprietatea „multe-lumi” a teoriei cuantice. Quantonul nostru poate fi preparat în stare roșie, apoi măsurat și obținut în albastru. Și ca și în exemplele anterioare, nu putem atribui permanent quantonului proprietatea culorii în intervalul dintre două dimensiuni; nu are o formă definită. Astfel de povești realizează, într-un mod limitat, dar pe deplin controlat și precis, intuiția inerentă imaginii numeroaselor lumi din mecanica cuantică. O anumită stare se poate împărți în două traiectorii istorice contradictorii, care apoi se reconectează.

Erwin Schrödinger, fondatorul teoriei cuantice, care a fost sceptic cu privire la corectitudinea acesteia, a subliniat că evoluția sistemelor cuantice duce în mod natural la stări, a căror măsurare poate da extrem de rezultate diferite. Experimentul său de gândire cu „Pisica lui Schrödinger” postulează, după cum știți, incertitudinea cuantică, adusă la nivelul de influență asupra mortalității feline. Înainte de măsurare, este imposibil să atribuiți proprietățile vieții (sau morții) unei pisici. Ambele, sau niciunul, există împreună într-o lume de altă lume a posibilităților.

Limbajul de zi cu zi este nepotrivit pentru a explica complementaritatea cuantică, în parte pentru că experiența de zi cu zi nu o include. Pisicile practice interacționează cu moleculele de aer din jur, și alte obiecte, în moduri complet diferite, în funcție de faptul că sunt vii sau moarte, așa că în practică măsurarea este automată, iar pisica continuă să trăiască (sau să nu trăiască). Dar poveștile descriu quantonii, care sunt pisoii lui Schrödinger, cu complexitate. Al lor Descriere completa necesită să luăm în considerare două traiectorii de proprietate care se exclud reciproc.

Realizarea experimentală controlată a istoriilor încurcate este un lucru delicat, deoarece necesită colectarea de informații parțiale despre quantoni. Măsurătorile cuantice convenționale colectează de obicei toate informațiile simultan - de exemplu, determină forma exactă sau culoarea exactă - în loc să obțină informații parțiale de mai multe ori. Dar se poate face, deși cu dificultăți tehnice extreme. În acest fel, putem atribui un anumit sens matematic și experimental răspândirii conceptului de „multe lumi” în teoria cuantică și putem demonstra realitatea acestuia.

Ce iese din mecanica cuantică

Unde este matricea densității, H este operatorul Hamilton, iar parantezele indică comutatorul.

Landau l-a scos. Orice mărime fizică legată de o anumită particulă poate fi exprimată în termeni de matrice de densitate. Această stare se numește mixtă. Dacă avem un sistem de particule care interacționează, atunci fiecare dintre particule este într-o stare mixtă. Dacă particulele s-au împrăștiat pe distanțe lungi și interacțiunea a dispărut, starea lor va rămâne în continuare amestecată. Dacă fiecare dintre mai multe particule este în stare pură, atunci funcția de undă a unui astfel de sistem este produsul funcțiilor de undă ale fiecăreia dintre particule (dacă particulele sunt diferite. Pentru particule identice, bosoni sau fermioni, trebuie să faceți o combinație simetrică sau antisimetrică, vezi, dar mai multe despre asta mai târziu.Identitatea particulelor, fermionilor și bosonilor este deja o teorie cuantică relativistă.

O stare încurcată a unei perechi de particule este o stare în care există o corelație constantă între mărimile fizice legate de diferite particule. Un exemplu simplu și cel mai comun este că o anumită cantitate fizică totală este stocată, de exemplu, spinul total sau momentul unghiular al unei perechi. O pereche de particule în acest caz este în stare pură, dar fiecare dintre particule este într-o stare mixtă. Poate părea că o schimbare a stării unei particule va afecta imediat starea altei particule. Chiar dacă s-au împrăștiat departe și nu interacționează, acesta este ceea ce se exprimă în articolele populare. Acest fenomen a fost deja numit teleportare cuantică.Unii jurnaliști analfabeti susțin chiar că schimbarea are loc instantaneu, adică se răspândește mai repede decât viteza luminii.

Luați în considerare acest lucru din punctul de vedere al mecanicii cuantice. În primul rând, orice acțiune sau măsurătoare care modifică spinul sau momentul unghiular al unei singure particule încalcă imediat legea conservării caracteristicii totale. Operatorul corespunzător nu poate face naveta cu spin total sau moment unghiular total. Astfel, încurcarea inițială a stării unei perechi de particule este încălcată. Spinul sau momentul celei de-a doua particule nu mai poate fi legat în mod unic de cel al primei. Puteți lua în considerare această problemă din cealaltă parte. După ce interacțiunea dintre particule a dispărut, evoluția matricei de densitate a fiecăreia dintre particule este descrisă prin propria ecuație, care nu include variabilele dinamice ale celeilalte particule. Prin urmare, impactul asupra unei particule nu va schimba matricea de densitate a celeilalte.

Există chiar și teorema lui Eberhard, care afirmă că influența reciprocă a două particule nu poate fi detectată prin măsurători. Să existe un sistem cuantic, care este descris de matricea densității. Și să fie acest sistem format din două subsisteme A și B. Teorema lui Eberhard afirmă că nicio măsurare a observabilelor asociate numai cu subsistemul A nu afectează rezultatul măsurării oricăror observabile care sunt asociate numai cu subsistemul B. Cu toate acestea, demonstrarea teoremei folosește valul ipoteza reducerii.funcţie care nu a fost dovedită nici teoretic, nici experimental. Dar toate aceste considerații sunt făcute în cadrul mecanicii cuantice non-relativiste și se referă la particule diferite, nu identice.

Aceste argumente nu funcționează în teoria relativistă în cazul unei perechi de particule identice. Permiteți-mi să vă reamintesc încă o dată că identitatea sau indistinguirea particulelor provine din mecanica cuantică relativistă, unde numărul de particule nu este conservat. Cu toate acestea, pentru particulele lente, putem folosi aparatul mai simplu al mecanicii cuantice non-relativiste, pur și simplu ținând cont de indistinguirea particulelor. Atunci funcția de undă a perechii trebuie să fie simetrică (pentru bozoni) sau antisimetrică (pentru fermioni) în raport cu permutarea particulelor. O astfel de cerință apare în teoria relativistă, indiferent de vitezele particulelor. Această cerință este cea care conduce la corelații pe distanță lungă ale unei perechi de particule identice. În principiu, un proton cu un electron poate fi, de asemenea, într-o stare încurcată. Cu toate acestea, dacă diverg cu câteva zeci de angstromi, atunci interacțiunea cu câmpurile electromagnetice și alte particule va distruge această stare. Interacțiunea de schimb (cum este numit acest fenomen) acționează la distanțe macroscopice, așa cum arată experimentele. O pereche de particule, chiar și dispersate pe metri, rămâne nedistinsă. Dacă efectuați o măsurătoare, atunci nu știți exact la ce particulă se referă cantitatea măsurată. Măsurați câteva particule în același timp. Prin urmare, toate experimentele spectaculoase au fost efectuate cu aceleași particule - electroni și fotoni. Strict vorbind, aceasta nu este chiar starea încurcată care este considerată în cadrul mecanicii cuantice nonrelativiste, ci ceva similar.

Considera cel mai simplu caz este o pereche de particule identice care nu interacționează. Dacă vitezele sunt mici, putem folosi mecanica cuantică non-relatistă, ținând cont de simetria funcției de undă în raport cu permutarea particulelor. Fie funcția de undă a primei particule , a doua particulă - , unde și sunt variabilele dinamice ale primei și celei de-a doua particule, în cel mai simplu caz, doar coordonate. Apoi funcția de undă a perechii

Semnele + și – se referă la bozoni și fermioni. Să presupunem că particulele sunt îndepărtate. Apoi sunt localizați în regiunile îndepărtate 1 și, respectiv, 2, adică în afara acestor regiuni sunt mici. Să încercăm să calculăm valoarea medie a unei variabile a primei particule, de exemplu, coordonatele. Pentru simplitate, ne putem imagina că doar coordonatele intră în funcțiile de undă. Se pare că valoarea medie a coordonatelor particulei 1 se află ÎNTRE regiunile 1 și 2 și coincide cu valoarea medie a particulei 2. Acest lucru este de fapt natural - particulele nu se pot distinge, nu putem ști care particulă sunt măsurate coordonatele. . În general, toate valorile medii pentru particulele 1 și 2 vor fi aceleași. Aceasta înseamnă că prin mutarea zonei de localizare a particulei 1 (de exemplu, particula este localizată în interiorul unui defect al rețelei cristaline și mutam întregul cristal), acționăm asupra particulei 2, deși particulele nu interacționează în sensul obișnuit - printr-un câmp electromagnetic, de exemplu. Acesta este un exemplu simplu de încurcătură relativistă.

Nu are loc un transfer instantaneu de informații între cele două particule din cauza acestor corelații. Aparatul teoriei cuantice relativiste a fost construit inițial în așa fel încât evenimentele situate în spațiu-timp pe părți opuse ale conului de lumină nu se pot influența reciproc. Mai simplu spus, niciun semnal, niciun impact sau perturbare nu se poate propaga mai rapid decat lumina. Ambele particule sunt de fapt starea unui câmp, de exemplu, electron-pozitron. Acționând asupra câmpului într-un punct (particula 1), creăm o perturbație care se propagă ca valurile pe apă. În mecanica cuantică non-relatistă, viteza luminii este considerată a fi infinit de mare, ceea ce dă naștere iluziei schimbării instantanee.

Situația în care particulele separate de distanțe mari rămân legate în perechi pare paradoxală din cauza ideilor clasice despre particule. Trebuie să ne amintim că în realitate nu există particule, ci câmpuri. Ceea ce credem ca fiind particule sunt pur și simplu stări ale acestor câmpuri. performanță clasică despre particule este complet nepotrivit în microcosmos. Apar imediat întrebări despre dimensiune, formă, material și structură. particule elementare. De fapt, situațiile care sunt paradoxale pentru gândirea clasică apar și cu o particulă. De exemplu, în experimentul Stern-Gerlach, un atom de hidrogen zboară printr-un câmp magnetic neomogen direcționat perpendicular pe viteza. Spinul nucleului poate fi neglijat din cauza micșorării magnetonului nuclear, lasă spinul electronului să fie dirijat inițial de-a lungul vitezei.

Evoluția funcției de undă a unui atom nu este greu de calculat. Pachetul inițial de unde localizate se împarte în două identice, zburând simetric la un unghi față de direcția inițială. Adică, un atom, o particulă grea, de obicei considerată clasică cu o traiectorie clasică, s-a împărțit în două pachete de unde, care se pot împrăștia pe distanțe destul de macroscopice. În același timp, observ că din calcul rezultă că nici măcar experimentul ideal Stern-Gerlach nu este capabil să măsoare spinul particulelor.

Dacă detectorul leagă un atom de hidrogen, de exemplu, chimic, atunci „jumătățile” - două pachete de unde împrăștiate, sunt colectate într-unul singur. Modul în care se produce o astfel de localizare a unei particule mânjite este o teorie existentă separat, pe care nu o înțeleg. Cei interesați pot găsi o literatură extinsă pe acest subiect.

Concluzie

Literatură
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mecanica cuantică (teorie nonrelativistă). - Ediția a III-a, revizuită și mărită. - M.: Nauka, 1974. - 752 p. - („Fizica teoretică”, Volumul III).
2. Eberhard, P.H., „Teorema lui Bell și diferitele concepte de nonlocalitate”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

legatura cuantica

Închegarea cuantică este baza tehnologiilor viitoare, cum ar fi computerul cuantic și criptografia cuantică, și a fost, de asemenea, folosită în experimentele de teleportare cuantică. Din punct de vedere teoretic și filozofic, acest fenomen este una dintre cele mai revoluționare proprietăți ale teoriei cuantice, întrucât se poate observa că corelațiile prezise de mecanica cuantică sunt complet incompatibile cu noțiunile de localitate aparent evidentă a lumii reale, în care informația. despre starea sistemului se poate transmite numai prin mediul său imediat. Diferite vederi asupra a ceea ce se întâmplă de fapt în timpul procesului de încurcare a mecanicii cuantice duc la interpretări diferite ale mecanicii cuantice.

fundal

În 1935, Einstein, Podolsky și Rosen au formulat faimosul paradox Einstein-Podolsky-Rosen, care a arătat că mecanica cuantică devine o teorie nelocală datorită conectivității. Știm cum Einstein a ridiculizat conectivitatea, numind-o „acțiune de coșmar la distanță. Desigur, conectivitatea non-locală a respins postulatul TO cu privire la limitarea vitezei luminii (transmisia semnalului).

Pe de altă parte, mecanica cuantică excelează la predicție rezultate experimentale, și de fapt chiar s-au observat corelații puternice datorită fenomenului de încurcare. Există o modalitate care pare să aibă succes în explicarea întanglementării cuantice, o abordare a „teoriei variabilelor ascunse” în care anumiți, dar necunoscuți parametri microscopici sunt responsabili pentru corelații. Cu toate acestea, în 1964, J.S. Bell a arătat că o teorie locală „bună” oricum nu poate fi construită în acest fel, adică încâlcirea prezisă de mecanica cuantică poate fi distinsă experimental de rezultatele prezise de o clasă largă de teorii cu parametri locali ascunși. . Rezultatele experimentelor ulterioare au oferit o confirmare uimitoare a mecanicii cuantice. Unele verificări arată că există o serie de blocaje în aceste experimente, dar este general acceptat că acestea nu sunt semnificative.

Conectivitatea are o relație interesantă cu principiul relativității, care afirmă că informația nu poate călători dintr-un loc în altul mai repede decât viteza luminii. Deși două sisteme pot fi separate la o distanță mare și totuși pot fi încurcate, este imposibil să se transmită informații utile prin conexiunea lor, astfel încât cauzalitatea nu este încălcată din cauza încurcăturii. Acest lucru se întâmplă din două motive:
1. rezultatele măsurătorilor în mecanica cuantică sunt fundamental probabiliste;
2. Teorema clonării stărilor cuantice interzice verificarea statistică a stărilor încurcate.

Cauzele influenței particulelor

În lumea noastră, există stări speciale ale mai multor particule cuantice - stări încurcate în care se observă corelații cuantice (în general, corelația este o relație între evenimente peste nivelul coincidențelor aleatoare). Aceste corelații pot fi detectate experimental, ceea ce a fost făcut pentru prima dată în urmă cu peste douăzeci de ani și este acum utilizat în mod obișnuit într-o varietate de experimente. În lumea clasică (adică non-cuantică), există două tipuri de corelații - atunci când un eveniment este cauza altuia, sau când ambele au o cauză comună. În teoria cuantică, apare un al treilea tip de corelație, asociat cu proprietățile nelocale ale stărilor încurcate ale mai multor particule. Acest al treilea tip de corelație este greu de imaginat folosind analogii cotidiene familiare. Sau poate că aceste corelații cuantice sunt rezultatul unor interacțiuni noi, necunoscute până acum, din cauza căreia particulele încurcate (și numai ele!) se influențează reciproc?

Merită imediat să subliniem „anormalitatea” unei astfel de interacțiuni ipotetice. Se observă corelații cuantice chiar dacă detectarea a două particule separate de o distanță mare are loc simultan (în limitele erorilor experimentale). Aceasta înseamnă că, dacă o astfel de interacțiune are loc, atunci ea trebuie să se propagă în cadrul de referință al laboratorului extrem de rapid, la viteză superluminală. Și din aceasta rezultă inevitabil că în alte cadre de referință această interacțiune va fi în general instantanee și chiar va acționa din viitor în trecut (deși fără a încălca principiul cauzalității).

Esența experimentului

Geometria experimentului. La Geneva s-au generat perechi de fotoni încâlciți, apoi fotonii au fost trimiși de-a lungul cablurilor de fibră optică de aceeași lungime (marcate cu roșu) la doi receptori (marcați cu literele APD) la 18 km unul de celălalt. Imagine din articolul cu pricina din Nature

Ideea experimentului este următoarea: creăm doi fotoni încâlciți și îi trimitem la doi detectoare cât mai îndepărtați unul de celălalt (în experimentul descris, distanța dintre cei doi detectoare a fost de 18 km). În acest caz, facem căile fotonilor către detectoare cât mai identice posibil, astfel încât momentele detectării lor să fie cât mai apropiate. În această lucrare, momentele de detectare au coincis cu o precizie de aproximativ 0,3 nanosecunde. Corelațiile cuantice au fost încă observate în aceste condiții. Deci, dacă presupunem că „funcționează” datorită interacțiunii descrise mai sus, atunci viteza sa ar trebui să depășească viteza luminii de o sută de mii de ori.
Un astfel de experiment, de fapt, a fost efectuat de același grup înainte. Noutatea acestei lucrări este doar că experimentul a durat mult timp. Corelațiile cuantice au fost observate continuu și nu au dispărut în niciun moment al zilei.
De ce este important? Dacă o interacțiune ipotetică este purtată de un mediu, atunci acest mediu va avea un cadru distins de referință. Datorită rotației Pământului, cadrul de referință de laborator se mișcă în raport cu acest cadru de referință la viteze diferite. Aceasta înseamnă că intervalul de timp dintre două evenimente de detectare a doi fotoni va fi diferit pentru acest mediu tot timpul, în funcție de ora din zi. În special, va exista un moment în care aceste două evenimente pentru acest mediu vor părea a fi simultane. (Aici, apropo, se folosește faptul din teoria relativității că două evenimente simultane vor fi simultane în toate cadrele de referință inerțiale care se deplasează perpendicular pe linia care le leagă).

Dacă corelațiile cuantice sunt efectuate datorită interacțiunii ipotetice descrise mai sus și dacă rata acestei interacțiuni este finită (chiar dacă este arbitrar de mare), atunci în acest moment corelațiile ar dispărea. Prin urmare, observarea continuă a corelațiilor în timpul zilei ar închide complet această posibilitate. Iar repetarea unui astfel de experiment în diferite perioade ale anului ar închide această ipoteză chiar și cu o interacțiune infinit de rapidă în propriul cadru de referință selectat.

Din păcate, acest lucru nu a fost realizat din cauza imperfecțiunii experimentului. În acest experiment, pentru a spune că corelațiile sunt de fapt observate, este necesar să se acumuleze semnalul timp de câteva minute. Dispariția corelațiilor, de exemplu, timp de 1 secundă, acest experiment nu a putut observa. De aceea, autorii nu au putut închide complet interacțiunea ipotetică, ci au obținut doar o limită a vitezei de propagare a acesteia în cadrul de referință selectat, ceea ce, desigur, reduce foarte mult valoarea rezultatului obținut.

Pot fi...?

Cititorul se poate întreba: dacă, totuși, se realizează posibilitatea ipotetică descrisă mai sus, dar experimentul pur și simplu a trecut cu vederea din cauza imperfecțiunii sale, înseamnă asta că teoria relativității este incorectă? Poate fi folosit acest efect pentru transmiterea superluminală a informațiilor sau chiar pentru mișcarea în spațiu?

Nu. Interacțiunea ipotetică descrisă mai sus prin construcție servește singurului scop - acestea sunt „angrenajele” care fac „funcționează” corelațiile cuantice. Dar s-a dovedit deja că cu ajutorul corelațiilor cuantice este imposibil să se transmită informații mai repede decât viteza luminii. Prin urmare, oricare ar fi mecanismul corelațiilor cuantice, nu poate încălca teoria relativității.
© Igor Ivanov

Vezi câmpuri de torsiune.
Fundamentele lumii subtile - câmpuri fizice de vid și torsiune. 4.

legatura cuantica.

Copyright © 2015 Iubire necondiționată

Încurcarea cuantică, cel mai ambiguu fenomen din mecanica cuantică, pe care Albert Einstein l-a numit „acțiune fantomă la distanță”, poate fi chiar mai „confuză” decât se pretinde. teorii moderne. Fizicienii de la universitățile din Washington și New York cred că acest fenomen este legat de găurile de vierme - trăsături ipotetice ale spațiu-timpului, care, conform science-fiction-ului modern, pot asigura o tranziție rapidă de la o parte a universului la alta.

Entanglementul cuantic este un fenomen în care stările cuantice ale unui sistem de mai multe corpuri devin interconectate. Această conexiune se menține chiar dacă obiectele sunt separate de astfel de distanțe încât nu apar interacțiuni cunoscute între ele. De asemenea, în conceptul fizic există concepte de rază scurtă și rază lungă. Conform teoriei cu rază scurtă, interacțiunea dintre corpuri se transmite cu ajutorul unei a treia verigi și cu o viteză finită. De exemplu, interacțiunea electromagnetică cu ajutorul unui câmp electromagnetic. Conform teoriei interacțiunii pe distanță lungă, interacțiunea dintre obiecte se transmite fără un element suplimentar, prin gol și la orice distanță. Interacțiunea în acest caz are loc la o viteză infinit de mare. Ca exemplu, se poate lua forța gravitatie din teoria Newtoniană a gravitației.

Ca rezultat al încurcăturii cuantice, un grup de particule interacționează în moduri care dictează comportamentul unei particule în raport cu comportamentul altora. De exemplu, într-o pereche de particule încurcate, dacă se observă un anumit spin într-o particulă, atunci se va observa opusul în cealaltă particulă. Einstein a numit o astfel de interacțiune fantomatică tocmai din cauza persistenței încurcăturii, indiferent cât de departe sunt particulele. Dacă comportamentul unei particule se modifică, atunci se schimbă și comportamentul particulei asociate.

Gaură de vierme între două găuri negre. Sursa: Alan Stonebraker/American Physical Society

Studii recente au arătat că caracteristicile așa-numitelor găuri de vierme coincid dacă două găuri negre au fost anterior încurcate și apoi separate de o anumită distanță. Chiar dacă găurile negre ar fi la capetele opuse ale universului, o gaură de vierme le-ar putea conecta. Dar indiferent dacă găurile negre sunt la fel de mici ca un atom sau mai mari decât Soarele nostru (care se observă peste tot în Univers), gravitația lor este atât de puternică încât nici măcar lumina nu poate scăpa de strânsoarea gravitațională. Dacă două găuri negre ar fi încurcate, atunci o persoană care se află dincolo de orizontul de evenimente al primei găuri negre tot nu ar putea ști ce se întâmplă dincolo de orizontul de evenimente al celei de-a doua găuri negre. Pentru a comunica cu persoana de la celălalt capăt, ambii ar trebui să intre în găurile lor negre. Apoi, spațiul înconjurător va fi același.