Încurcarea cuantică este o fură. Au fost efectuate noi experimente pentru a testa mecanismul întanglementării cuantice. Inegalitățile lui Bell, teste experimentale ale inegalităților

Cromodinamică cuantică Model standard Gravitație cuantică

legatura cuantica(vezi secțiunea "") - un fenomen mecanic cuantic în care stările cuantice a două sau Mai mult obiectele sunt interdependente. O astfel de interdependență persistă chiar dacă aceste obiecte sunt separate în spațiu dincolo de orice interacțiuni cunoscute, ceea ce este în contradicție logică cu principiul localității. De exemplu, puteți obține o pereche de fotoni într-o stare încurcată și apoi, dacă, la măsurarea rotației primei particule, elicitatea se dovedește a fi pozitivă, atunci helicitatea celei de-a doua se dovedește întotdeauna a fi negativă și viceversa.

Istoria studiului

Disputa dintre Bohr și Einstein, Paradoxul EPR

În continuarea disputelor începute, în 1935 Einstein, Podolsky și Rosen au formulat paradoxul EPR, care trebuia să arate incompletitudinea modelului propus de mecanică cuantică. Articolul lor „Poate fi considerată completă descrierea mecanică cuantică a realității fizice?” a fost publicat în numărul 47 din Physical Review.

În paradoxul EPR, principiul incertitudinii Heisenberg a fost încălcat mental: în prezența a două particule care au o origine comună, este posibil să se măsoare starea unei particule și să se prezică starea alteia, peste care măsurarea nu a fost încă efectuată. făcut. Analizând sisteme similare teoretic interdependente în același an, Schrödinger le-a numit „încurcate” (ing. încurcat). Mai târziu engleză. încurcat si engleza. incurcarea au devenit termeni obișnuiți în publicațiile în limba engleză. Trebuie remarcat faptul că Schrödinger însuși considera particulele ca fiind încurcate doar atâta timp cât interacționează fizic între ele. Când a fost îndepărtat dincolo de limitele posibilelor interacțiuni, încurcătura a dispărut. Adică, sensul termenului din Schrödinger diferă de cel care este în prezent subînțeles.

Einstein nu a considerat paradoxul EPR ca o descriere a vreunui fenomen fizic real. A fost tocmai un construct mental creat pentru a demonstra contradicțiile principiului incertitudinii. În 1947, într-o scrisoare către Max Born, el a numit această legătură între particulele încurcate „acțiune înfricoșătoare la distanță” (Ger. spukhafte Fernwirkung, Engleză acțiune înfricoșătoare la distanțăîn traducerea lui Bourne):

Așa că nu-mi vine să cred, pentru că (această) teorie este ireconciliabilă cu principiul că fizica ar trebui să reflecte realitatea în timp și spațiu, fără (unele) acțiuni înfiorătoare la distanță lungă.

text original(Limba germana)

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.

- „Sisteme încurcate: noi direcții în fizica cuantică”

Deja în numărul următor al Physical Review, Bohr și-a publicat răspunsul într-un articol cu ​​același titlu ca și autorii paradoxului. Susținătorii lui Bohr au considerat răspunsul său satisfăcător, iar paradoxul EPR însuși - cauzat de o înțelegere greșită a esenței „observatorului” în fizica cuantică de către Einstein și susținătorii săi. În general, majoritatea fizicienilor s-au retras pur și simplu din complexitățile filozofice ale interpretării de la Copenhaga. Ecuația Schrödinger a funcționat, predicțiile s-au potrivit cu rezultatele și, în cadrul pozitivismului, acest lucru a fost suficient. Gribbin scrie despre asta: „pentru a ajunge din punctul A în punctul B, șoferul nu trebuie să știe ce se întâmplă sub capota mașinii sale”. Ca o epigrafă a cărții sale, Gribbin a spus cuvintele lui Feynman:

Cred că pot afirma în mod responsabil că nimeni nu înțelege mecanica cuantică. Dacă este posibil, încetează să te întrebi „Cum este posibil acest lucru?” - deoarece vei fi dus într-o fundătură din care nimeni nu a ieșit încă.

Inegalitățile lui Bell, teste experimentale ale inegalităților

Această stare de lucruri nu a avut prea mult succes pentru dezvoltarea teoriei și practicii fizice. „Entanglement” și „acțiuni înfricoșătoare la distanță” au fost ignorate timp de aproape 30 de ani, până când fizicianul irlandez John Bell a devenit interesat de ele. Inspirat de ideile lui Bohm (vezi teoria lui De Broglie-Bohm), Bell și-a continuat analiza paradoxului EPR și în 1964 și-a formulat inegalitățile. Prin simplificarea considerabilă a componentelor matematice și fizice, putem spune că din lucrările lui Bell în măsurătorile statistice ale stărilor au urmat două situații fără ambiguitate recunoscute. particule încurcate. Dacă stările a două particule încurcate sunt determinate în momentul separării, atunci o inegalitate a lui Bell trebuie să fie valabilă. Dacă stările a două particule încurcate sunt nedeterminate înainte ca starea uneia dintre ele să fie măsurată, atunci o altă inegalitate trebuie să fie valabilă.

Inegalitățile lui Bell au oferit o bază teoretică pentru posibile experimente fizice, dar din 1964, baza tehnică nu a permis încă să fie înființate. Primele experimente de succes pentru a testa inegalitățile lui Bell au fost efectuate de Clauser (Engleză) Rusă și Friedman în 1972. Din rezultate, a urmat incertitudinea stării unei perechi de particule încurcate înainte de a fi efectuată o măsurătoare pe una dintre ele. Și totuși, până în anii 1980, încrucișarea cuantică a fost văzută de majoritatea fizicienilor ca „nu o resursă nouă neclasică care poate fi exploatată, ci mai degrabă o jenă care așteaptă clarificarea finală”.

Cu toate acestea, experimentele grupului Clauser au fost urmate de experimentele lui Aspe (Engleză) Rusă în 1981 . În experimentul clasic de la Aspe (vezi ) două fluxuri de fotoni cu spin total zero emanând din sursă Sîndreptându-se spre prismele Nicolas AȘi b. În ele, datorită birefringenței, polarizările fiecăruia dintre fotoni au fost separate în unele elementare, după care fasciculele au fost direcționate către detectoare. D+Și D–. Semnalele de la detectoare prin fotomultiplicatori au intrat în dispozitivul de înregistrare R, unde a fost calculată inegalitatea lui Bell.

Rezultatele obținute atât în ​​experimentele Friedmann-Clauser, cât și în experimentele Aspe au vorbit clar în favoarea absenței realismului local einsteinian. „Acțiune teribilă pe distanță lungă” dintr-un experiment de gândire a devenit în sfârșit o realitate fizică. Ultima lovitură adusă localității a fost dată în 1989 de către statele multiplă conectate Greenberger-Horn-Zeilinger. (Engleză) Rusă care a pus bazele teleportarii cuantice. În 2010, John Clauser (Engleză) Rusă , Alain Aspe (Engleză) Rusă și Anton Zeilinger au primit premiul Wolf în fizică „pentru contribuții fundamentale conceptuale și experimentale la fundații. fizică cuantică, în special pentru o serie de teste din ce în ce mai complexe ale inegalităților lui Bell (sau versiuni extinse ale acestor inegalități) folosind stări cuantice încurcate.

Scena modernă

În 2008, un grup de cercetători elvețieni de la Universitatea din Geneva a reușit să separe două fluxuri de fotoni încâlciți pe o distanță de 18 kilometri. Printre altele, acest lucru a permis măsurătorilor de timp să fie făcute cu o precizie de neatins până acum. Ca rezultat, s-a descoperit că, dacă are loc un fel de interacțiune ascunsă, atunci viteza de propagare a acesteia ar trebui să fie de cel puțin 100.000 de ori viteza luminii în vid. La viteze mai mici, ar fi observate întârzieri.

În vara aceluiași an, un alt grup de cercetători din Austria (Engleză) Rusă , inclusiv Zeilinger, a reușit să pună la punct un experiment și mai mare, răspândind fluxuri de fotoni încâlciți la 144 de kilometri între laboratoarele de pe insulele La Palma și Tenerife. Procesarea și analiza unui astfel de experiment la scară largă continuă, ultima versiune raportul a fost publicat în 2010. În acest experiment, a fost posibilă excluderea posibilei influențe a distanței insuficiente dintre obiecte în momentul măsurării și a libertății insuficiente în alegerea setărilor de măsurare. În consecință, încurcarea cuantică și, în consecință, natura non-locală a realității au fost din nou confirmate. Adevărat, rămâne o a treia influență posibilă - un eșantion insuficient de complet. Un experiment în care toate cele trei potențiale influențe sunt eliminate simultan este o chestiune de viitor din septembrie 2011.

Majoritatea experimentelor cu particule încurcate folosesc fotoni. Acest lucru se datorează simplității relative de obținere a fotonilor încâlciți și transmiterii lor către detectoare, precum și naturii binare a stării măsurate (helicitate pozitivă sau negativă). Cu toate acestea, fenomenul de încurcare cuantică există și pentru alte particule și stările acestora. În 2010, o echipă internațională de oameni de știință din Franța, Germania și Spania a obținut și investigat stările cuantice încurcate ale electronilor, adică particulele cu masă, într-un supraconductor solid de nanotuburi de carbon. În 2011, cercetătorii de la au reușit să creeze o stare de încurcare cuantică între un singur atom de rubidiu și un condensat Bose-Einstein separat la o distanță de 30 de metri.

Numele fenomenului în sursele în limba rusă

Cu un termen englez stabil Legatura cuantica, care este folosit destul de constant în publicațiile în limba engleză, lucrările în limba rusă arată o mare varietate de utilizare. Dintre termenii găsiți în sursele pe tema, se pot numi (în ordine alfabetică):

Această diversitate poate fi explicată prin mai multe motive, printre care prezența obiectivă a două obiecte desemnate: a) statul însuși (ing. legatura cuantica) și b) efectele observate în această stare (ing. acțiune înfricoșătoare la distanță ), care în multe lucrări în limba rusă diferă mai degrabă în context decât în ​​terminologie.

Formulare matematică

Obținerea stărilor cuantice încurcate

În cel mai simplu caz, sursa S fluxurile de fotoni încurcate sunt un anumit material neliniar, asupra căruia este îndreptat un fascicul laser de o anumită frecvență și intensitate (schema cu un singur emițător). Ca rezultat al împrăștierii parametrice spontane (SPS), se obțin două conuri de polarizare la ieșire HȘi V, purtând perechi de fotoni într-o stare cuantică încurcată (bifotoni).

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 cele două sisteme pot fi separate la o distanță mare și pot fi încurcate, pentru a transmite prin conexiunea lor Informatii utile imposibil, deci cauzalitatea nu este încălcată prin încurcare. 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 familiare în gospodărie. 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 viteza mai mare Sveta. 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

• 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. Obțin informații utile atunci când obțin rezultatul tău, nu atunci când faci o măsurătoare. 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.

Entanglementul cuantic este un fenomen mecanic cuantic care a început să fie studiat în practică relativ recent - în anii 1970. Constă în următoarele. Imaginați-vă că, în urma unui eveniment, s-au născut doi fotoni simultan. O pereche de fotoni cuantici pot fi obținute, de exemplu, prin strălucirea unui laser cu anumite caracteristici pe un cristal neliniar. Fotonii generați într-o pereche pot avea frecvențe (și lungimi de undă) diferite, dar suma frecvențelor lor este egală cu frecvența excitației inițiale. De asemenea, au polarizări ortogonale la baza rețelei cristaline, ceea ce facilitează separarea lor spațială. Când se naște o pereche de particule, trebuie îndeplinite legile de conservare, ceea ce înseamnă că caracteristicile totale (polarizare, frecvență) a două particule au o valoare predeterminată, strict definită. De aici rezultă că, cunoscând caracteristicile unui foton, putem afla cu siguranță caracteristicile altuia. Conform principiilor mecanicii cuantice, până în momentul măsurării, particula se află într-o suprapunere a mai multor stări posibile, iar în timpul măsurării, suprapunerea este îndepărtată și particula se găsește într-o singură stare. Dacă analizăm multe particule, atunci în fiecare stare va exista un anumit procent de particule corespunzător probabilității acestei stări în suprapunere.

Dar ce se întâmplă cu suprapunerea stărilor de particule încurcate în momentul măsurării stării uneia dintre ele? Paradoxul și contraintuitivitatea întanglementării cuantice constă în faptul că caracteristica celui de-al doilea foton este determinată exact în momentul în care am măsurat caracteristica primului. Nu, aceasta nu este o construcție teoretică, acesta este adevărul dur al lumii înconjurătoare, confirmat experimental. Da, implică prezența unei interacțiuni, trădând cu o viteză infinit de mare, depășind chiar și viteza luminii. Cum să folosiți acest lucru în beneficiul omenirii nu este încă foarte clar. Există idei pentru aplicații pentru calculul cuantic, criptografie și comunicare.

Oamenii de știință de la Viena au reușit să dezvolte o tehnică de imagistică complet nouă și extrem de contraintuitivă, bazată pe natura cuantică a luminii. În sistemul lor, imaginea este formată din lumină care nu a interacționat niciodată cu obiectul. Tehnologia se bazează pe principiul întanglementării cuantice. Un articol despre acest lucru a fost publicat în revista Nature. Studiul a implicat angajați ai Institutului optica cuanticăși Informații cuantice (Institutul pentru Optică Cuantică și Informație Cuantică, IQOQI) al Centrului de Știință și Tehnologie Cuantică din Viena (VCQ) și al Universității din Viena.

În experimentul oamenilor de știință vienez, unul dintre perechile de fotoni încâlciți a avut o lungime de undă în partea infraroșie a spectrului și el a fost cel care a trecut prin eșantion. Fratele său avea o lungime de undă corespunzătoare luminii roșii și putea fi detectat de cameră. Fasciculul de lumină generat de laser a fost împărțit în două jumătăți, iar jumătățile au fost direcționate către două cristale neliniare. Obiectul a fost plasat între două cristale. Era o silueta sculptată a unei pisici - în onoarea personajului experimentului speculativ Erwin Schrödinger, care migrase deja în folclor. Un fascicul infraroșu de fotoni din primul cristal a fost îndreptat spre acesta. Apoi acești fotoni au trecut prin al doilea cristal, unde fotonii care au trecut prin imaginea pisicii s-au amestecat cu fotoni infraroșii proaspăt născuți, astfel încât a fost complet imposibil de înțeles în care dintre cele două cristale s-au născut. Mai mult, camera nu a detectat deloc fotonii infraroșii. Ambele fascicule de fotoni roșii au fost combinate și trimise către un dispozitiv de recepție. S-a dovedit că, datorită efectului întanglementării cuantice, au stocat toate informațiile despre obiect necesare pentru a crea o imagine.

Un experiment a condus la rezultate similare, în care imaginea nu era o placă opacă cu un contur decupat, ci o imagine tridimensională din silicon care nu absorbea lumina, ci încetinește trecerea unui foton infraroșu și crea o diferență de fază între fotonii care au trecut prin diferite părți ale imaginii. S-a dovedit că o astfel de plasticitate a afectat și faza fotonilor roșii, care se află într-o stare de încurcare cuantică cu fotonii infraroșii, dar nu au trecut niciodată prin imagine.