Kvantové zapletenie je krádež. Uskutočnili sa nové experimenty na testovanie mechanizmu kvantového zapletenia. Bellove nerovnosti, experimentálne testy nerovností

Kvantová chromodynamika Štandardný model Kvantová gravitácia

kvantové zapletenie(pozri časť "") - kvantový mechanický jav, pri ktorom sú kvantové stavy dvoch resp viac objekty sú vzájomne závislé. Takáto vzájomná závislosť pretrváva, aj keď sú tieto objekty oddelené v priestore mimo akýchkoľvek známych interakcií, čo je v logickom rozpore s princípom lokality. Napríklad môžete získať pár fotónov v zapletenom stave a potom, ak sa pri meraní spinu prvej častice ukáže, že helicita je pozitívna, potom sa helicita druhej častice vždy ukáže ako negatívna a naopak.

História štúdia

Spor medzi Bohrom a Einsteinom, EPR Paradox

V pokračovaní sporov, ktoré sa začali, v roku 1935 Einstein, Podolsky a Rosen sformulovali EPR paradox, ktorý mal ukázať neúplnosť navrhovaného modelu kvantovej mechaniky. Ich článok „Môže byť kvantový mechanický popis fyzickej reality považovaný za úplný? bol publikovaný v č. 47 časopisu Physical Review.

V EPR paradoxe bol mentálne porušený Heisenbergov princíp neurčitosti: v prítomnosti dvoch častíc, ktoré majú spoločný pôvod, je možné merať stav jednej častice a predpovedať stav inej častice, nad ktorou meranie ešte neprebehlo. vyrobené. Pri analýze podobných teoreticky vzájomne závislých systémov v tom istom roku ich Schrödinger nazval „zapletenými“ (angl. zapletený). Neskôr angličtina. zapletený a angličtina. zapletenie sa stali bežnými pojmami v publikáciách v anglickom jazyku. Treba poznamenať, že samotný Schrödinger považoval častice za zapletené len dovtedy, kým spolu fyzicky interagovali. Keď sa odstránili za hranice možných interakcií, zapletenie zmizlo. To znamená, že význam pojmu v Schrödingerovi sa líši od toho, ktorý je v súčasnosti naznačený.

Einstein nepovažoval EPR paradox za opis nejakého skutočného fyzikálneho javu. Bol to práve mentálny konštrukt vytvorený na demonštráciu rozporov princípu neurčitosti. V roku 1947 v liste Maxovi Bornovi nazval toto spojenie medzi zapletenými časticami „strašidelné pôsobenie na diaľku“ (nem. spukhafte Fernwirkung, Angličtina strašidelná akcia na diaľku v Bournovom preklade):

Takže tomu nemôžem uveriť, pretože (táto) teória je nezlučiteľná so zásadou, že fyzika by mala odrážať realitu v čase a priestore, bez (nejakých) strašidelných akcií na veľké vzdialenosti.

pôvodný text(nemčina)

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.

- "Zapletené systémy: nové smery v kvantovej fyzike"

Bohr už v ďalšom čísle Fyzického prehľadu zverejnil svoju odpoveď v článku s rovnakým nadpisom ako autori paradoxu. Bohrovi priaznivci považovali jeho odpoveď za uspokojivú a samotný paradox EPR – spôsobený nepochopením podstaty „pozorovateľa“ v kvantovej fyzike zo strany Einsteina a jeho priaznivcov. Vo všeobecnosti väčšina fyzikov jednoducho ustúpila od filozofických zložitostí kodanskej interpretácie. Schrödingerova rovnica fungovala, predpovede zodpovedali výsledkom a v rámci pozitivizmu to stačilo. Gribbin o tom píše: "aby sa vodič dostal z bodu A do bodu B, nemusí vedieť, čo sa deje pod kapotou jeho auta." Ako epigraf svojej knihy uviedol Gribbin Feynmanove slová:

Myslím, že môžem zodpovedne prehlásiť, že kvantovej mechanike nikto nerozumie. Ak je to možné, prestaňte sa pýtať sami seba: „Ako je to možné?“ – dostanete sa do slepej uličky, z ktorej sa ešte nikto nedostal.

Bellove nerovnosti, experimentálne testy nerovností

Tento stav nebol veľmi úspešný pre rozvoj fyzikálnej teórie a praxe. "Zapletenie" a "strašidelné akcie na diaľku" boli ignorované takmer 30 rokov, kým sa o ne nezačal zaujímať írsky fyzik John Bell. Inšpirovaný Bohmovými myšlienkami (pozri De Broglie-Bohmovu teóriu), Bell pokračoval v analýze EPR paradoxu av roku 1964 formuloval svoje nerovnosti. Výrazným zjednodušením matematických a fyzikálnych zložiek môžeme povedať, že z Bellovej práce pri štatistických meraniach stavov vyplynuli dve jednoznačne rozpoznateľné situácie zapletené častice. Ak sú v čase separácie určené stavy dvoch zapletených častíc, potom musí platiť jedna Bellova nerovnosť. Ak sú stavy dvoch zapletených častíc pred meraním stavu jednej z nich neurčité, potom musí platiť ďalšia nerovnosť.

Bellove nerovnosti poskytli teoretický základ pre možné fyzikálne experimenty, ale od roku 1964 ich technický základ ešte neumožňoval. Prvé úspešné experimenty na testovanie Bellových nerovností vykonal Clauser (Angličtina) ruský a Friedman v roku 1972. Z výsledkov vyplývala neistota stavu dvojice zapletených častíc pred meraním jednej z nich. Napriek tomu až do 80. rokov minulého storočia väčšina fyzikov považovala kvantové zapletenie za „nie nový neklasický zdroj, ktorý možno využiť, ale skôr za rozpaky, ktoré čakajú na konečné objasnenie“.

Po experimentoch Clauserovej skupiny však nasledovali experimenty Aspeho (Angličtina) ruský v roku 1981. V klasickom experimente Aspe (pozri ) zo zdroja vychádzajú dva prúdy fotónov s nulovým celkovým spinom S mieri k Nicolasovmu hranolu a A b. V nich sa v dôsledku dvojlomu polarizácie každého z fotónov rozdelili na elementárne, po ktorých boli lúče nasmerované na detektory. D+ A D–. Signály z detektorov cez fotonásobiče vstupovali do záznamového zariadenia R, kde bola vypočítaná Bellova nerovnosť.

Výsledky získané tak v experimentoch Friedmann-Clauser, ako aj v experimentoch Aspe jasne hovorili v prospech absencie einsteinovského lokálneho realizmu. „Strašná akcia na diaľku“ z myšlienkového experimentu sa napokon stala fyzikálnou realitou. Poslednú ranu lokalite zasadili v roku 1989 viacnásobne prepojené štáty Greenberger-Horn-Zeilinger. (Angličtina) ruský ktorý položil základ pre kvantovú teleportáciu. V roku 2010 John Clauser (Angličtina) ruský , Alain Aspe (Angličtina) ruský a Anton Zeilinger získali Wolfovu cenu za fyziku „za zásadný koncepčný a experimentálny prínos k základom kvantová fyzika, najmä pre sériu čoraz zložitejších testov Bellových nerovností (alebo rozšírených verzií týchto nerovností) pomocou zapletených kvantových stavov.

Moderné javisko

V roku 2008 sa skupine švajčiarskych výskumníkov zo Ženevskej univerzity podarilo oddeliť dva prúdy zapletených fotónov na vzdialenosť 18 kilometrov. Okrem iného to umožnilo vykonávať merania času s predtým nedosiahnuteľnou presnosťou. Výsledkom bolo zistenie, že ak k nejakému druhu skrytej interakcie predsa len dôjde, potom by rýchlosť jej šírenia mala byť aspoň 100 000-násobkom rýchlosti svetla vo vákuu. Pri nižších rýchlostiach by bolo badať časové oneskorenia.

V lete toho istého roku ďalšia skupina výskumníkov z rakúskeho (Angličtina) ruský , vrátane Zeilingera, sa podarilo usporiadať ešte väčší experiment a šíriť prúdy zapletených fotónov 144 kilometrov medzi laboratóriami na ostrovoch La Palma a Tenerife. Spracovanie a analýza takéhoto rozsiahleho experimentu pokračuje, Najnovšia verzia správa bola zverejnená v roku 2010. V tomto experimente sa podarilo vylúčiť možný vplyv nedostatočnej vzdialenosti medzi objektmi v čase merania a nedostatočnej voľnosti pri výbere nastavení merania. V dôsledku toho sa opäť potvrdila kvantová previazanosť a tým aj nelokálna povaha reality. Je pravda, že zostáva tretí možný vplyv - nedostatočne úplná vzorka. Experiment, pri ktorom sú súčasne eliminované všetky tri potenciálne vplyvy, je od septembra 2011 záležitosťou budúcnosti.

Väčšina experimentov so zamotanými časticami využíva fotóny. Je to spôsobené relatívnou jednoduchosťou získavania zapletených fotónov a ich prenosu do detektorov, ako aj binárnym charakterom meraného stavu (kladná alebo záporná helicita). Fenomén kvantového zapletenia však existuje aj pre iné častice a ich stavy. V roku 2010 medzinárodný tím vedcov z Francúzska, Nemecka a Španielska získal a skúmal zapletené kvantové stavy elektrónov, teda častíc s hmotnosťou, v pevnom uhlíkovom nanorúrovkovom supravodiči. V roku 2011 sa výskumníkom podarilo vytvoriť stav kvantového prepletenia medzi jedným atómom rubídia a Bose-Einsteinovým kondenzátom oddeleným vo vzdialenosti 30 metrov.

Názov fenoménu v ruskojazyčných zdrojoch

So stabilným anglickým výrazom Kvantové zapletenie, ktorý sa pomerne dôsledne používa v anglickojazyčných publikáciách, ruskojazyčné diela vykazujú širokú škálu použitia. Z výrazov nájdených v zdrojoch k téme možno vymenovať (v abecednom poradí):

Túto rôznorodosť možno vysvetliť niekoľkými dôvodmi, vrátane objektívnej prítomnosti dvoch určených objektov: a) samotného štátu (angl. kvantové zapletenie) a b) pozorované účinky v tomto stave (angl. strašidelná akcia na diaľku ), ktoré sa v mnohých ruskojazyčných dielach líšia skôr kontextom než terminológiou.

Matematická formulácia

Získanie zapletených kvantových stavov

V najjednoduchšom prípade zdroj S entangled fotón streams je určitý nelineárny materiál, na ktorý je nasmerovaný laserový lúč určitej frekvencie a intenzity (schéma s jedným žiaričom). V dôsledku spontánneho parametrického rozptylu (SPS) sa na výstupe získajú dva polarizačné kužele H A V, nesúce páry fotónov v zapletenom kvantovom stave (bifotóny) .

kvantové zapletenie

Kvantové zapletenie je základom budúcich technológií, ako je kvantový počítač a kvantová kryptografia, a používa sa aj pri experimentoch s kvantovou teleportáciou. Z teoretického a filozofického hľadiska je tento jav jednou z najrevolučnejších vlastností kvantovej teórie, pretože je možné vidieť, že korelácie predpovedané kvantovou mechanikou sú úplne nezlučiteľné s predstavami o zdanlivo očividnej lokalite reálneho sveta, v ktorej informácie o stave systému môže prenášať len jeho bezprostredné okolie. Rôzne pohľady na to, čo sa v skutočnosti deje počas procesu kvantového mechanického zapletenia, vedú k rôznym interpretáciám kvantovej mechaniky.

Pozadie

V roku 1935 Einstein, Podolsky a Rosen sformulovali slávny Einstein-Podolsky-Rosenov paradox, ktorý ukázal, že kvantová mechanika sa vďaka konektivite stáva nelokálnou teóriou. Vieme, ako Einstein zosmiešňoval konektivitu a nazval ju „akciou nočnej mory na diaľku. Prirodzene, nelokálna konektivita vyvrátila postulát TO o limitujúcej rýchlosti svetla (prenosu signálu).

Na druhej strane kvantová mechanika vyniká v predpovedaní experimentálne výsledky a v skutočnosti boli pozorované dokonca silné korelácie v dôsledku fenoménu zapletenia. Existuje spôsob, ktorý sa zdá byť úspešný pri vysvetľovaní kvantového zapletenia, prístupu „teórie skrytých premenných“, v ktorom sú za korelácie zodpovedné určité, ale neznáme mikroskopické parametre. V roku 1964 však J. S. Bell ukázal, že „dobrá“ lokálna teória sa aj tak nedá skonštruovať, to znamená, že zapletenie predpovedané kvantovou mechanikou možno experimentálne odlíšiť od výsledkov predpovedaných širokou triedou teórií s lokálnymi skrytými parametrami. . Výsledky následných experimentov poskytli ohromujúce potvrdenie kvantovej mechaniky. Niektoré kontroly ukazujú, že v týchto experimentoch existuje množstvo prekážok, ale všeobecne sa uznáva, že nie sú významné.

Konektivita má zaujímavý vzťah s princípom relativity, ktorý hovorí, že informácie nemôžu cestovať z miesta na miesto rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Hoci tieto dva systémy môžu byť oddelené veľkou vzdialenosťou a môžu byť zapletené, aby sa prenášali prostredníctvom ich spojenia užitočná informácia nemožné, takže kauzalita nie je narušená zapletením. Deje sa to z dvoch dôvodov:
1. výsledky meraní v kvantovej mechanike sú v zásade pravdepodobnostné;
2. Klonovací teorém kvantového stavu zakazuje štatistické overovanie zapletených stavov.

Príčiny vplyvu častíc

V našom svete existujú špeciálne stavy viacerých kvantových častíc – zapletené stavy, v ktorých sa pozorujú kvantové korelácie (vo všeobecnosti je korelácia vzťah medzi udalosťami nad úrovňou náhodných koincidencií). Tieto korelácie možno zistiť experimentálne, čo sa prvýkrát uskutočnilo pred viac ako dvadsiatimi rokmi a teraz sa bežne používa v rôznych experimentoch. V klasickom (teda nekvantovom) svete existujú dva typy korelácií – keď je jedna udalosť príčinou inej, alebo keď obe majú spoločnú príčinu. V kvantovej teórii vzniká tretí typ korelácie, spojený s nelokálnymi vlastnosťami zapletených stavov niekoľkých častíc. Tento tretí typ korelácie je ťažké si predstaviť pomocou známych každodenných analógií. Alebo možno sú tieto kvantové korelácie výsledkom nejakej novej, doteraz neznámej interakcie, vďaka ktorej sa zapletené častice (a len ony!) navzájom ovplyvňujú?

Okamžite stojí za to zdôrazniť „abnormálnosť“ takejto hypotetickej interakcie. Kvantové korelácie sú pozorované aj vtedy, ak k detekcii dvoch častíc oddelených veľkou vzdialenosťou dôjde súčasne (v medziach experimentálnych chýb). To znamená, že ak k takejto interakcii dôjde, potom sa musí šíriť v laboratórnej referenčnej sústave extrémne rýchlo, nadsvetelnou rýchlosťou. A z toho nevyhnutne vyplýva, že v iných referenčných rámcoch bude táto interakcia vo všeobecnosti okamžitá a bude dokonca pôsobiť z budúcnosti do minulosti (hoci bez porušenia princípu kauzality).

Podstata experimentu

Geometria experimentu. Páry zapletených fotónov sa vygenerovali v Ženeve, potom sa fotóny poslali po kábloch z optických vlákien rovnakej dĺžky (označené červenou farbou) do dvoch prijímačov (označených písmenami APD) vzdialených od seba 18 km. Obrázok z predmetného článku v Nature

Myšlienka experimentu je nasledovná: vytvoríme dva zapletené fotóny a pošleme ich k dvom detektorom čo najďalej od seba (v popísanom experimente bola vzdialenosť medzi dvoma detektormi 18 km). Dráhy fotónov k detektorom v tomto prípade robíme čo najtotožnejšie, aby momenty ich detekcie boli čo najbližšie. V tejto práci sa detekčné momenty zhodovali s presnosťou približne 0,3 nanosekundy. Za týchto podmienok boli stále pozorované kvantové korelácie. Ak teda predpokladáme, že „fungujú“ vďaka vyššie opísanej interakcii, potom by ich rýchlosť mala prekročiť rýchlosť svetla stotisíckrát.
Takýto experiment v skutočnosti už predtým vykonala rovnaká skupina. Novinkou tohto diela je len to, že experiment trval dlho. Kvantové korelácie sa pozorovali nepretržite a nezmizli v žiadnu dennú dobu.
Prečo je to dôležité? Ak je hypotetická interakcia prenášaná nejakým médiom, potom toto médium bude mať odlišný referenčný rámec. V dôsledku rotácie Zeme sa laboratórna referenčná sústava pohybuje vzhľadom na túto referenčnú sústavu rôznymi rýchlosťami. To znamená, že časový interval medzi dvoma udalosťami detekcie dvoch fotónov bude pre toto médium neustále odlišný v závislosti od dennej doby. Predovšetkým bude chvíľa, keď sa tieto dve udalosti pre toto prostredie budú zdať simultánne. (Mimochodom, je tu použitý fakt z teórie relativity, že dva súčasné deje budú súčasné vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách pohybujúcich sa kolmo na spojnicu).

Ak sa kvantové korelácie uskutočnia kvôli hypotetickej interakcii opísanej vyššie a ak je rýchlosť tejto interakcie konečná (aj keď je ľubovoľne veľká), potom by v tomto momente korelácie zmizli. Nepretržité pozorovanie korelácií počas dňa by preto túto možnosť úplne uzavrelo. A opakovanie takéhoto experimentu v rôznych obdobiach roka by túto hypotézu uzavrelo aj pri nekonečne rýchlej interakcii v jej vlastnom, zvolenom referenčnom rámci.

Bohužiaľ sa to nepodarilo dosiahnuť kvôli nedokonalosti experimentu. V tomto experimente, aby bolo možné povedať, že korelácie sú skutočne pozorované, je potrebné akumulovať signál počas niekoľkých minút. Zmiznutie korelácií, napríklad na 1 sekundu, si tento experiment nemohol všimnúť. Autori preto nedokázali hypotetickú interakciu úplne uzavrieť, ale získali len limit rýchlosti jej šírenia v ich zvolenom referenčnom rámci, čo samozrejme výrazne znižuje hodnotu získaného výsledku.

Možno...?

Čitateľ si môže položiť otázku: ak sa aj napriek tomu realizuje vyššie opísaná hypotetická možnosť, no experiment ju jednoducho prehliadol pre jej nedokonalosť, znamená to, že teória relativity je nesprávna? Dá sa tento efekt využiť na nadsvetelný prenos informácií alebo aj na pohyb v priestore?

Nie Hypotetická interakcia opísaná vyššie pomocou konštrukcie slúži jedinému účelu - sú to „ozubené kolesá“, vďaka ktorým kvantové korelácie „fungujú“. Ale už bolo dokázané, že pomocou kvantových korelácií nie je možné prenášať informácie vyššiu rýchlosť Sveta. Preto, nech je mechanizmus kvantových korelácií akýkoľvek, nemôže porušovať teóriu relativity.
© Igor Ivanov

Pozri torzné polia.
Základy jemnohmotného sveta - fyzikálne vákuové a torzné polia. 4.

kvantové zapletenie.

Copyright © 2015 Bezpodmienečná láska

• Preklad

Kvantové zapletenie je jedným z najzložitejších pojmov vo vede, ale jeho základné princípy sú jednoduché. A ak tomu rozumiete, zapletenie otvára cestu k lepšiemu pochopeniu takých pojmov, akými sú mnohé svety v kvantovej teórii.

Očarujúca aura tajomstva obklopuje pojem kvantového zapletenia, ako aj (nejako) súvisiace tvrdenie kvantovej teórie, že musí existovať „veľa svetov“. A predsa sú to vo svojej podstate vedecké myšlienky so svetským významom a špecifickými aplikáciami. Rád by som vysvetlil pojmy zapletenie a mnohé svety tak jednoducho a zrozumiteľne, ako ich sám poznám.

ja

Zapletenie sa objavuje v situáciách, v ktorých máme čiastočné informácie o stave dvoch systémov. Napríklad dva objekty sa môžu stať našimi systémami – nazvime ich kaóny. "K" bude označovať "klasické" objekty. Ale ak si naozaj chcete predstaviť niečo konkrétne a príjemné, predstavte si, že sú to koláče.

Naše kaóny budú mať dva tvary, štvorcové alebo okrúhle, a tieto tvary budú označovať ich možné stavy. Potom štyri možné spoločné stavy dvoch kaónov budú: (štvorec, štvorec), (štvorec, kruh), (kruh, štvorec), (kruh, kruh). Tabuľka zobrazuje pravdepodobnosť, že sa systém nachádza v jednom zo štyroch uvedených stavov.

Povieme, že kaóny sú „nezávislé“, ak poznatky o stave jedného z nich nám nedávajú informáciu o stave druhého. A tento stôl má takúto vlastnosť. Ak je prvý kaon (koláč) štvorcový, tvar druhého ešte nepoznáme. Naopak, tvar druhého nám nehovorí nič o tvare prvého.

Na druhej strane hovoríme, že dva kaóny sú zapletené, ak informácie o jednom zlepšujú naše znalosti o druhom. Druhý tablet nám ukáže silný prepletenec. V tomto prípade, ak je prvý kaon okrúhly, budeme vedieť, že druhý je tiež okrúhly. A ak je prvý kaon štvorcový, potom druhý bude rovnaký. Keď poznáme tvar jedného, ​​môžeme jednoznačne určiť tvar druhého.

Kvantová verzia zapletenia vyzerá v skutočnosti rovnako – ide o nedostatok nezávislosti. V kvantovej teórii sú stavy opísané matematickými objektmi nazývanými vlnové funkcie. Z pravidiel, ktoré kombinujú vlnové funkcie s fyzikálnymi možnosťami, vznikajú veľmi zaujímavé zložitosti, o ktorých budeme diskutovať neskôr, ale základný koncept zapletených vedomostí, ktorý sme demonštrovali pre klasický prípad, zostáva rovnaký.

Hoci koláče nemožno považovať za kvantové systémy, k zapleteniu v kvantových systémoch dochádza prirodzene – napríklad po zrážkach častíc. V praxi môžu byť nezapletené (nezávislé) stavy považované za zriedkavé výnimky, pretože medzi nimi počas interakcie systémov vznikajú korelácie.

Zoberme si napríklad molekuly. Pozostávajú zo subsystémov – konkrétne z elektrónov a jadier. Minimálny energetický stav molekuly, v ktorom sa zvyčajne nachádza, je vysoko prepletený stav elektrónov a jadra, pretože usporiadanie týchto častíc nebude v žiadnom prípade nezávislé. Keď sa jadro pohybuje, elektrón sa pohybuje s ním.

Vráťme sa k nášmu príkladu. Ak napíšeme Φ■, Φ● ako vlnové funkcie popisujúce systém 1 v jeho štvorcových alebo kruhových stavoch a ψ■, ψ● pre vlnové funkcie popisujúce systém 2 v jeho štvorcových alebo kruhových stavoch, potom v našom pracovnom príklade možno opísať všetky stavy , Ako:

Nezávislé: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Zapletené: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Nezávislá verzia môže byť tiež napísaná ako:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Všimnite si, ako v druhom prípade zátvorky jasne oddeľujú prvý a druhý systém na nezávislé časti.

Existuje mnoho spôsobov, ako vytvoriť zapletené stavy. Jedným z nich je meranie kompozitného systému, ktorý vám poskytne čiastočné informácie. Je možné napríklad vedieť, že dva systémy sa dohodli na rovnakej forme bez toho, aby vedeli, ktorú formu si zvolili. Tento koncept sa stane dôležitým o niečo neskôr.

Charakteristickejšie dôsledky kvantového zapletenia, ako sú Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) a Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) efekty, vyplývajú z jeho interakcie s ďalšou vlastnosťou kvantovej teórie nazývanou „princíp komplementarity“. Aby som diskutoval o EPR a GHZ, dovoľte mi najprv vám predstaviť tento princíp.

Až do tohto bodu sme si predstavovali, že kaóny majú dva tvary (štvorcový a okrúhly). Teraz si predstavte, že sú tiež v dvoch farbách – červenej a modrej. Berúc do úvahy klasické systémy, napríklad koláče, táto dodatočná vlastnosť by znamenala, že kaon môže existovať v jednom zo štyroch možných stavov: červený štvorec, červený kruh, modrý štvorec a modrý kruh.

Ale kvantové koláče sú kvantové koláče... Alebo kvantóny... Správajú sa celkom inak. Skutočnosť, že kvantón v niektorých situáciách môže mať iná forma a farba nevyhnutne neznamená, že má zároveň formu aj farbu. V skutočnosti sa zdravý rozum, ktorý Einstein požadoval od fyzickej reality, nezhoduje s experimentálnymi faktami, ako čoskoro uvidíme.

Môžeme zmerať tvar kvantónu, ale stratíme tým všetky informácie o jeho farbe. Alebo môžeme zmerať farbu, ale stratíme informácie o jej tvare. Podľa kvantovej teórie nemôžeme merať tvar aj farbu súčasne. Nikoho pohľad na kvantovú realitu nie je úplný; treba brať do úvahy veľa rôznych a vzájomne sa vylučujúcich obrázkov, z ktorých každý má svoju neúplnú predstavu o tom, čo sa deje. Toto je podstata princípu komplementarity, ako ho sformuloval Niels Bohr.

V dôsledku toho nás kvantová teória núti byť opatrní pri pripisovaní vlastností fyzikálnej realite. Aby sa predišlo kontroverziám, je potrebné uznať, že:

Neexistuje žiadna vlastnosť, ak nebola meraná.
Meranie je aktívny proces, ktorý mení meraný systém

II

Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen (EPR) opísali úžasný efekt, ktorý nastane, keď sa prepletú dva kvantové systémy. EPR efekt kombinuje špeciálnu, experimentálne dosiahnuteľnú formu kvantového zapletenia s princípom komplementarity.

Pár EPR pozostáva z dvoch kvantónov, z ktorých každý môže byť meraný v tvare alebo farbe (ale nie oboje). Predpokladajme, že máme veľa takýchto párov, všetky sú rovnaké a môžeme si vybrať, aké merania vykonáme na ich komponentoch. Ak zmeriame tvar jedného z členov EPR-páru, je rovnako pravdepodobné, že dostaneme štvorec alebo kruh. Ak zmeriame farbu, potom s rovnakou pravdepodobnosťou dostaneme červenú alebo modrú.

Zaujímavé efekty, ktoré sa EPR zdali paradoxné, vznikajú, keď meriame oboch členov páru. Keď zmeriame farbu oboch členov, prípadne ich tvar, zistíme, že výsledky sa vždy zhodujú. To znamená, že ak zistíme, že jeden z nich je červený a potom zmeriame farbu druhého, tiež zistíme, že je červený – a tak ďalej. Na druhej strane, ak meriame tvar jedného a farbu druhého, nepozorujeme žiadnu koreláciu. To znamená, že ak prvý bol štvorec, potom druhý s rovnakou pravdepodobnosťou môže byť modrý alebo červený.

Podľa kvantovej teórie takéto výsledky dostaneme aj vtedy, ak sú oba systémy oddelené obrovskou vzdialenosťou a merania sa vykonávajú takmer súčasne. Zdá sa, že výber typu merania na jednom mieste ovplyvňuje stav systému inde. Zdá sa, že táto „desivá akcia na diaľku“, ako ju nazval Einstein, si vyžaduje prenos informácií – v našom prípade informácie o vykonanom meraní – rýchlosťou vyššou ako je rýchlosť svetla.

Ale je to tak? Kým nebudem vedieť, aký výsledok ste dosiahli, neviem, čo mám očakávať. Užitočné informácie dostanem, keď dostanem váš výsledok, nie keď vykonáte meranie. A každá správa obsahujúca výsledok, ktorý ste dostali, musí byť prenesená nejakým fyzickým spôsobom, pomalším ako je rýchlosť svetla.

S ďalším štúdiom sa paradox ešte viac ničí. Uvažujme stav druhého systému, ak meranie prvého poskytlo červenú farbu. Ak sa rozhodneme zmerať farbu druhého kvantónu, dostaneme červenú. Ale podľa princípu komplementarity, ak sa rozhodneme merať jeho tvar, keď je v „červenom“ stave, budeme mať rovnakú šancu získať štvorec alebo kruh. Preto je výsledok EPR logicky vopred daný. Toto je len prerozprávanie princípu komplementarity.

Neexistuje žiadny paradox v tom, že vzdialené udalosti spolu súvisia. Ak totiž jednu z dvoch rukavíc z páru vložíme do škatúľ a pošleme ich do rôznych častí planéty, niet divu, že pri pohľade do jednej škatuľky zistím, na ktorú ruku je určená druhá rukavica. Podobne vo všetkých prípadoch musí byť na nich zafixovaná korelácia EPR párov, keď sú blízko, aby vydržali následné oddelenie, ako keby mali pamäť. Zvláštnosť EPR paradoxu nie je v možnosti samotnej korelácie, ale v možnosti jej zachovania vo forme dodatkov.

III

Každý jednotlivý experimentátor dostane náhodné výsledky. Meraním tvaru kvantónu dostane štvorec alebo kruh s rovnakou pravdepodobnosťou; meraním farby kvantónu dostane červenú alebo modrú s rovnakou pravdepodobnosťou. Zatiaľ čo všetko je normálne.

Keď sa však experimentátori spoja a porovnajú výsledky, analýza odhalí prekvapivý výsledok. Povedzme, že štvorcový tvar a červenú farbu nazývame „dobré“ a kruhy a modrú farbu – „zlé“. Experimentátori zistili, že ak sa dvaja z nich rozhodnú merať tvar a tretí si zvolí farbu, tak buď 0 alebo 2 merania sú „zlé“ (t.j. okrúhle alebo modré). Ale ak sa všetci traja rozhodnú merať farbu, tak buď 1 alebo 3 merania sú zlé. Kvantová mechanika to predpovedá a presne to sa stane.

Otázka: Je množstvo zla párne alebo nepárne? Obe možnosti sú realizované v rôznych dimenziách. Tento problém musíme zahodiť. Nemá zmysel hovoriť o množstve zla v systéme bez ohľadu na to, ako sa meria. A to vedie k rozporom.

Efekt GHZ, ako ho opisuje fyzik Sidney Colman, je „fackou do tváre kvantovej mechaniky“. Porušuje zaužívané, naučené očakávania, že fyzikálne systémy majú vopred určené vlastnosti nezávislé od ich merania. Ak by to tak bolo, potom by rovnováha dobra a zla nezávisela od výberu typov merania. Akonáhle prijmete existenciu GHZ efektu, nezabudnete naň a vaše obzory sa rozšíria.

IV

Hovoríme o „zamotaných príbehoch“, keď nie je možné v každom okamihu priradiť systému určitý stav. Rovnako ako vylučujeme možnosti v tradičnom zapletení, môžeme tiež vytvárať zapletené histórie vykonávaním meraní, ktoré zbierajú čiastkové informácie o minulých udalostiach. V najjednoduchších zamotaných príbehoch máme jeden kvantón, ktorý študujeme v dvoch rôznych časových bodoch. Môžeme si predstaviť situáciu, keď určíme, že tvar nášho kvantónu bol v oboch prípadoch štvorcový alebo okrúhly, ale obe situácie zostávajú možné. Toto je dočasná kvantová analógia k najjednoduchším variantom zapletenia opísaným vyššie.

Pomocou zložitejšieho protokolu môžeme tomuto systému pridať trochu doplnkovosti a popísať situácie, ktoré spôsobujú vlastnosť kvantovej teórie „mnohých svetov“. Náš kvantón môže byť pripravený v červenom stave a potom zmeraný a získaný v modrej farbe. A ako v predchádzajúcich príkladoch, nemôžeme natrvalo priradiť kvantónu vlastnosť farby v intervale medzi dvoma dimenziami; nemá určitú formu. Takéto príbehy realizujú obmedzeným, ale plne kontrolovaným a presným spôsobom intuíciu obsiahnutú v obraze mnohých svetov v kvantovej mechanike. Určitý stav sa môže rozdeliť na dve protichodné historické trajektórie, ktoré sa potom opäť spoja.

Erwin Schrödinger, zakladateľ kvantovej teórie, ktorý bol skeptický voči jej správnosti, zdôraznil, že vývoj kvantových systémov prirodzene vedie k stavom, ktorých meranie môže poskytnúť extrémne rozdielne výsledky. Jeho myšlienkový experiment so „Schrödingerovou mačkou“ postuluje, ako viete, kvantovú neistotu, ktorá sa dostala na úroveň vplyvu na úmrtnosť mačiek. Pred meraním nie je možné priradiť mačke vlastnosť života (alebo smrti). Obaja, alebo ani jedno, existujú spolu v nadpozemskom svete možností.

Každodenný jazyk nie je vhodný na vysvetlenie kvantovej komplementarity, čiastočne preto, že každodenná skúsenosť ju nezahŕňa. Praktické mačky interagujú s okolitými molekulami vzduchu a inými predmetmi úplne odlišným spôsobom v závislosti od toho, či sú živé alebo mŕtve, takže v praxi je meranie automatické a mačka naďalej žije (alebo nežije). Príbehy však zložito opisujú kvantóny, čo sú Schrödingerove mačiatka. ich Celý popis vyžaduje, aby sme uvažovali dve vzájomne sa vylučujúce trajektórie vlastností.

Riadená experimentálna realizácia prepletených histórií je chúlostivá vec, pretože si vyžaduje zber čiastkových informácií o kvantónoch. Bežné kvantové merania zvyčajne zhromažďujú všetky informácie naraz – napríklad určia presný tvar alebo presnú farbu – namiesto toho, aby sa čiastkové informácie získavali niekoľkokrát. Dá sa to však zvládnuť, aj keď s extrémnymi technickými ťažkosťami. Týmto spôsobom môžeme priradiť určitý matematický a experimentálny význam šíreniu konceptu „mnohých svetov“ v kvantovej teórii a demonštrovať jeho realitu.

Kvantové previazanie je kvantový mechanický jav, ktorý sa v praxi začal skúmať pomerne nedávno – v 70. rokoch minulého storočia. Spočíva v nasledujúcom. Predstavte si, že v dôsledku nejakej udalosti sa súčasne zrodili dva fotóny. Dvojicu kvantovo previazaných fotónov je možné získať napríklad žiarením lasera s určitými charakteristikami na nelineárny kryštál. Vygenerované fotóny v páre môžu mať rôzne frekvencie (a vlnové dĺžky), ale súčet ich frekvencií sa rovná frekvencii pôvodného budenia. Majú tiež ortogonálne polarizácie v základe kryštálovej mriežky, čo uľahčuje ich priestorové oddelenie. Keď sa zrodí pár častíc, musia byť splnené zákony zachovania, čo znamená, že celkové charakteristiky (polarizácia, frekvencia) dvoch častíc majú vopred určenú, presne definovanú hodnotu. Z toho vyplýva, že keď poznáme vlastnosti jedného fotónu, môžeme určite zistiť vlastnosti druhého fotónu. Podľa princípov kvantovej mechaniky je častica do momentu merania v superpozícii viacerých možných stavov a pri meraní sa superpozícia odstráni a častica sa ocitne v jednom stave. Ak analyzujeme veľa častíc, potom v každom stave bude určité percento častíc zodpovedajúce pravdepodobnosti tohto stavu v superpozícii.

Čo sa však stane so superpozíciou stavov zapletených častíc v momente merania stavu jednej z nich? Paradox a kontraintuitívnosť kvantového previazania spočíva v tom, že charakteristika druhého fotónu je určená presne v momente, keď sme zmerali charakteristiku prvého. Nie, toto nie je teoretická konštrukcia, to je krutá pravda okolitého sveta, potvrdená experimentálne. Áno, znamená to prítomnosť interakcie, zrádzajúcej nekonečne vysokou rýchlosťou, dokonca presahujúcou aj rýchlosť svetla. Ako to využiť v prospech ľudstva ešte nie je celkom jasné. Existujú nápady na aplikácie pre kvantové výpočty, kryptografiu a komunikáciu.

Vedcom z Viedne sa podarilo vyvinúť úplne novú a extrémne kontraintuitívnu zobrazovaciu techniku ​​založenú na kvantovej povahe svetla. V ich systéme je obraz tvorený svetlom, ktoré nikdy neinteragovalo s objektom. Technológia je založená na princípe kvantového previazania. Článok o tom bol publikovaný v časopise Nature. Na štúdii sa podieľali zamestnanci ústavu kvantová optika a Quantum Information (Inštitút pre kvantovú optiku a kvantové informácie, IQOQI) Viedenského centra pre kvantovú vedu a techniku ​​(VCQ) a Viedenskej univerzity.

V experimente viedenských vedcov mal jeden z dvojice zapletených fotónov vlnovú dĺžku v infračervenej časti spektra a práve on prešiel vzorkou. Jeho brat mal vlnovú dĺžku zodpovedajúcu červenému svetlu a mohol byť detekovaný kamerou. Lúč svetla generovaný laserom bol rozdelený na dve polovice a polovice boli nasmerované na dva nelineárne kryštály. Predmet bol umiestnený medzi dva kryštály. Bola to vyrezávaná silueta mačky – na počesť postavy špekulatívneho experimentu Erwina Schrödingera, ktorý už migroval do folklóru. Smeroval naň infračervený lúč fotónov z prvého kryštálu. Potom tieto fotóny prešli cez druhý kryštál, kde sa fotóny, ktoré prešli obrazom mačky, zmiešali s čerstvo narodenými infračervenými fotónmi, takže bolo úplne nemožné pochopiť, v ktorom z dvoch kryštálov sa narodili. Navyše kamera vôbec nezaznamenala infračervené fotóny. Oba lúče červených fotónov boli spojené a odoslané do prijímacieho zariadenia. Ukázalo sa, že vďaka efektu kvantového zapletenia uložili všetky informácie o objekte potrebné na vytvorenie obrazu.

K podobným výsledkom viedol experiment, v ktorom obrazom nebola nepriehľadná platňa s vyrezanou kontúrou, ale trojrozmerný silikónový obraz, ktorý neabsorboval svetlo, ale spomalil prechod infračerveného fotónu a vytvoril fázový rozdiel medzi fotóny, ktoré prešli rôznymi časťami obrazu. Ukázalo sa, že takáto plasticita ovplyvnila aj fázu červených fotónov, ktoré sú v stave kvantového zapletenia s infračervenými fotónmi, no nikdy neprešli cez obraz.