A kvantumösszefonódás vagy „kísérteties távoli cselekvés”, ahogy Albert Einstein nevezte, egy kvantummechanikai jelenség, amelyben két vagy több objektum kvantumállapotai kölcsönösen függővé válnak. Ez a függőség akkor is megmarad, ha az objektumokat sok kilométerre távolítják el egymástól. Például összekuszálhat egy fotonpárt, elviheti az egyiket egy másik galaxisba, majd megmérheti a második foton spinjét - és az ellentétes lesz az első foton spinével, és fordítva. A kvantumösszefonódást a pillanatnyi adatátvitelhez gigantikus távolságokra, vagy akár a teleportációhoz próbálják adaptálni.
A modern számítógépek meglehetősen sok lehetőséget kínálnak különféle helyzetek modellezésére. Azonban minden számítás bizonyos mértékig "lineáris" lesz, mivel jól meghatározott algoritmusoknak engedelmeskedik, és nem térhet el azoktól. Ez a rendszer pedig nem teszi lehetővé olyan összetett mechanizmusok szimulálását, amelyekben a véletlenszerűség szinte állandó jelenség. Ez az élet szimulációja. És milyen eszközzel tudná elkészíteni? Kvantum számítógép! Az egyik ilyen gépen indult útjára a kvantumélet szimulációjának legnagyobb projektje.
Intelligens projektpartner
Albert Einstein (1879-1955) főként tudományos pályafutása korai szakaszában publikálta azokat a munkákat, amelyek híressé tették. A speciális relativitáselmélet alapelveit tartalmazó munka 1905-ig, az általános relativitáselmélet 1915-ig nyúlik vissza. Az 1900-as évekre nyúlik vissza a fotoelektromos hatás kvantumelmélete is, amelyért a konzervatív Nobel-bizottság díjjal jutalmazta a tudóst.
A tudományhoz közvetve kapcsolódó embereknek általában fogalmuk sincs róla tudományos tevékenység Albert Einstein, miután 1933-ban emigrált az Egyesült Államokba. És azt kell mondanom, hogy egy olyan problémával foglalkozott, amelyet eddig valójában nem sikerült megoldani. Ez az úgynevezett „egységes térelmélet”.
Összességében négyféle alapvető kölcsönhatás létezik a természetben. Gravitációs, elektromágneses, erős és gyenge. Az elektromágneses kölcsönhatás az elektromos töltéssel rendelkező részecskék közötti kölcsönhatás. De nemcsak azok a jelenségek, amelyek a mindennapi tudatban az elektromossággal kapcsolatosak, elektromágneses kölcsönhatás miatt fordulnak elő. Mivel például két elektron esetében az elektromágneses taszítás ereje észrevehetően meghaladja a gravitációs vonzás erejét, ez magyarázza az egyes atomok és molekulák kölcsönhatását, vagyis a kémiai folyamatokat és az anyagok tulajdonságait. A klasszikus mechanika legtöbb jelensége (súrlódás, rugalmasság, felületi feszültség) erre épül. Az elektromágneses kölcsönhatás elméletét még a 19. században dolgozta ki James Maxwell, aki egyesítette az elektromos és mágneses kölcsönhatásokat, és Einstein jól ismerte, későbbi kvantumértelmezéseivel együtt.
A gravitációs kölcsönhatás a tömegek közötti kölcsönhatás. neki szentelt általános elmélet Einstein relativitáselmélete. Az erős (nukleáris) kölcsönhatás stabilizálja az atommagokat. Elméletileg 1935-ben jósolták meg, amikor világossá vált, hogy a már ismert kölcsönhatások nem elegendőek a kérdés megválaszolásához: "Mi tartja meg a protonokat és a neutronokat az atommagokban?". Az erős erő létezését először 1947-ben igazolták kísérletileg. Kutatásainak köszönhetően az 1960-as években kvarkokat fedeztek fel, végül a hetvenes években megszületett a kvarkok kölcsönhatásának többé-kevésbé teljes elmélete. A gyenge kölcsönhatás az atommagban is fellép, az erősnél kisebb távolságra, kisebb intenzitással hat. Enélkül azonban nem létezne a termonukleáris fúzió, amely például napenergiát biztosítana a Földnek, és a β-bomlás, aminek köszönhetően felfedezték. A lényeg az, hogy a β-bomlás során, ahogy a fizikusok mondják, nem történik meg a paritásmegmaradás. Vagyis a többi interakció esetében a tükörszimmetrikus elrendezéseken végzett kísérletek eredményeinek azonosaknak kell lenniük. A β-bomlás tanulmányozására irányuló kísérletek esetében pedig nem estek egybe (a jobb és a bal közötti alapvető különbséget már tárgyaltuk). A gyenge kölcsönhatás felfedezése és leírása az 1950-es évek végén történt.
A mai napig a Standard Modell keretein belül (a közelmúltban a Polit.ru-nak szentelték) az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatásokat kombinálják. A Standard Modell szerint az összes anyag 12 részecskéből áll: 6 leptonból (köztük egy elektronból, egy müonból, egy tau leptonból és három neutrínóból) és 6 kvarkból. 12 antirészecske is található benne. Mindhárom kölcsönhatásnak megvannak a hordozói - bozonok (a foton az elektromágneses kölcsönhatás bozonja). De a gravitációs kölcsönhatást még nem kombinálták a többivel.
Albert Einsteinnek, aki 1955-ben halt meg, nem volt ideje semmit megtanulni a gyenge interakcióról, és keveset az erősről. Így megpróbálta ötvözni az elektromágneses és a gravitációs kölcsönhatásokat, és ezt a problémát a mai napig nem sikerült megoldani. Mert a szabványos modell lényegében kvantum, gravitációs kölcsönhatásának egységesítéséhez a gravitáció kvantumelméletére van szükség. A mai napig több ok miatt nincs ilyen.
A kvantummechanika egyik bonyolultsága, ami különösen szembetűnő, ha nem szakemberrel beszélünk róla, nem intuitív, sőt anti-intuitív volta. De gyakran még a tudósokat is félrevezeti ez az anti-intuitivitás. Nézzünk egy példát, amely ezt illusztrálja, és hasznos a további anyagok megértéséhez.
A kvantumelmélet szempontjából a részecske a mérés pillanatáig szuperpozíció állapotban van - vagyis a jellemzője egyidejűleg némi valószínűséggel minden egyes a lehetséges értékek közül. A mérés pillanatában a szuperpozíció megszűnik, és a mérés ténye "kényszeríti" a részecskét egy bizonyos állapot felvételére. Ez önmagában is ellentmond az embernek a dolgok természetével kapcsolatos megérzéseinek. Nem minden fizikus értett egyet abban, hogy az ilyen bizonytalanság a dolgok alapvető tulajdonsága. Sokak számára úgy tűnt, hogy ez valamiféle paradoxon, ami később tisztázódik. Erről szól Einstein híres mondata, amely a Niels Bohrral folytatott vitában hangzott el: „Isten nem kockáztat”. Einstein úgy gondolta, hogy valójában minden el van határozva, csak még nem tudjuk mérni. Az ellenkező álláspont helyességét később kísérletileg igazolták. Különösen fényes - a kvantumösszefonódás kísérleti tanulmányaiban.
A kvantumösszefonódás olyan helyzet, amelyben két vagy több részecske kvantumjellemzői összefüggenek. Felmerülhet például, ha a részecskék ugyanazon esemény eredményeként születtek. Valójában minden részecske teljes jellemzőjét meg kell határozni (például közös eredetük miatt). Még furcsább dolog történik egy ilyen részecskerendszerrel, mint egyetlen részecskével. Ha például egy kísérlet során megmérjük az egyik összegabalyodott részecske állapotát, azaz egy meghatározott állapotot kényszerítünk rá, akkor a szuperpozíció automatikusan eltávolítódik a másik összegabalyodott részecskerõl, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak. vannak. Ezt kísérletileg bebizonyították a 70-es és 80-as években. A mai napig a kísérletezőknek sikerült kvantum-összefonódott részecskéket szerezniük, amelyek egymástól több száz kilométerre vannak egymástól. Így kiderül, hogy az információ részecskéről részecskére végtelen sebességgel, nyilvánvalóan nagyobb, mint a fénysebesség. A következetesen determinisztikus Einstein nem volt hajlandó ezt a helyzetet absztrakt mentalitásnál többnek tekinteni. Born fizikusnak írt levelében ironikusan "szörnyű, hosszú távú akciónak" nevezte az összegabalyodott részecskék kölcsönhatását.
A kvantumösszefonódás jelenségének vicces mindennapi illusztrációját John Bell fizikus találta ki. Volt egy szórakozott kollégája, Reinhold Bertlman, aki nagyon gyakran különböző zokniban érkezett dolgozni. Bell azzal viccelődött, hogy ha csak egy Bertleman zokni látszik a szemlélő számára, és az rózsaszín, akkor a másodikról, anélkül, hogy látnánk, határozottan kijelenthető, hogy nem rózsaszín. Persze ez csak egy mulatságos hasonlat, amely nem úgy tesz, mintha a dolgok lényegébe hatolna. Ellentétben a részecskékkel, amelyek a mérés pillanatáig szuperpozícióban vannak, a zokni már reggeltől egyforma a lábszáron.
Ma már a kvantumösszefonódás és a hozzá kapcsolódó, végtelen sebességgel járó hosszú távú cselekvés valós, kísérletileg bizonyított jelenségnek számít. próbálom megtalálni gyakorlati használat. Például kvantumszámítógép tervezésénél és kvantumkriptográfiai módszerek fejlesztésénél.
Az elmúlt évben az elméleti fizika területén végzett munka reményt ad arra, hogy végre megoldódik a kvantumgravitációs elmélet és ennek megfelelően az egységes térelmélet felépítésének problémája.
Ez év júliusában Maldacena és Susskind amerikai elméleti fizikusok előterjesztették és alátámasztották a fekete lyukak kvantumösszefonódásának elméleti koncepcióját. Emlékezzünk vissza, hogy a fekete lyukak nagyon masszív objektumok, amelyek gravitációs vonzása olyan erős, hogy bizonyos távolságra megközelítve még a világ leggyorsabb objektumai - a fénykvantumok - sem tudnak elmenekülni és elrepülni. A tudósok gondolatkísérletet végeztek. Azt találták, hogy ha létrehozunk két kvantum-kuszálódott fekete lyukat, majd távolabb helyezzük őket egymástól, akkor az eredmény az úgynevezett áthatolhatatlan féreglyuk. Vagyis a féreglyuk tulajdonságaiban megegyezik egy pár kvantumkuszált fekete lyukkal. A féreglyukak még mindig a téridő hipotetikus topológiai jellemzői, egy további dimenzióban elhelyezkedő alagutak, amelyek egy adott időpontban összekötik a háromdimenziós tér két pontját. A féreglyukak népszerűek a sci-fiben és a moziban, mert némelyikük, különösen az egzotikusak, elméletileg lehetségesek csillagközi utazáshoz és időutazáshoz. A fekete lyukak kvantumösszefonódásából származó áthatolhatatlan féreglyukakon keresztül lehetetlen utazni vagy információt cserélni. Csupán arról van szó, hogy ha egy feltételes megfigyelő bemegy a kvantumokkal összekuszálódott fekete lyukak egyikébe, akkor ugyanarra a helyre kerül, ahol akkor lenne, ha egy másikba.
A féreglyukak a gravitációnak köszönhetik létezésüket. Mivel Maldacena és Susskind gondolatkísérletében a féreglyuk kvantumösszefonódás alapján jön létre, megállapítható, hogy a gravitáció önmagában nem alapvető, hanem egy alapvető kvantumhatás - a kvantumösszefonódás - megnyilvánulása.
2013. december elején a magazin egyik számában FizikaiFelülvizsgálatleveleket két mű jelent meg egyszerre (,), amelyek Maldacena és Susskind gondolatait dolgozták fel. Ezekben a holografikus módszert és a húrelméletet alkalmazták a téridő geometriájában a kvantumösszefonódás okozta változások leírására. A hologram egy síkon lévő kép, amely lehetővé teszi a megfelelő háromdimenziós kép rekonstrukcióját. NÁL NÉL általános eset, a holografikus módszer lehetővé teszi, hogy az n-dimenziós térrel kapcsolatos információkat (n-1)-dimenziósba illessze.
A tudósoknak sikerült áttérniük a kvantum-kuszálódott fekete lyukakról a kvantumkuszálódott elemi részecskék párjaira. Megfelelő mennyiségű energia jelenlétében részecskéből és antirészecskéből álló párok születhetnek. Mivel ebben az esetben a megmaradási törvényeknek teljesülniük kell, az ilyen részecskék kvantum-összegabalyodnak. Egy ilyen helyzet modellezése kimutatta, hogy egy kvark + antikvark pár születése generálja az őket összekötő féreglyuk kialakulását, és hogy két részecske kvantumösszefonódási állapotának leírása egyenértékű a köztük lévő áthatolhatatlan féreglyuk leírásával.
Kiderült, hogy a kvantumösszefonódás ugyanazokat a változásokat okozhatja a téridő geometriájában, mint a gravitáció. Talán ez megnyitja az utat a kvantumgravitáció elméletének felépítéséhez, amely annyira hiányzik az egységes térelmélet megalkotásához.
Kvantumkromodinamika Standard modell Kvantumgravitáció
kvantumösszefonódás(lásd a "" részt) - olyan kvantummechanikai jelenség, amelyben két vagy több objektum kvantumállapotai kölcsönösen függenek egymástól. Ez a kölcsönös függés akkor is fennáll, ha ezek az objektumok térben minden ismert kölcsönhatáson túl elkülönülnek, ami logikailag ellentmond a lokalitás elvének. Például kaphatunk egy fotonpárt összegabalyodott állapotban, majd ha az első részecske spinjének mérésekor a helicitás pozitívnak bizonyul, akkor a második helikitása mindig negatívnak bizonyul, és oda-vissza.
A megkezdett viták folytatásaként 1935-ben Einstein, Podolsky és Rosen megfogalmazta az EPR paradoxont, amely a kvantummechanika javasolt modelljének hiányosságát hivatott megmutatni. „Tekinthető-e teljesnek a fizikai valóság kvantummechanikai leírása?” című cikkük? a Physical Review 47. számában jelent meg.
Az EPR paradoxonban a Heisenberg-féle bizonytalansági elv mentálisan megsérült: két olyan részecske jelenlétében, amelyek közös eredet, lehetőség van egy részecske állapotának mérésére és egy másik részecske állapotának előrejelzésére, amelyen a mérés még nem történt meg. Ugyanabban az évben elemezve a hasonló, elméletileg kölcsönösen függő rendszereket, Schrödinger „összegabalyodottnak” nevezte őket (Eng. összegabalyodott) . Később angolul. összegabalyodottés angol. összefonódásáltalános kifejezésekké váltak az angol nyelvű kiadványokban. Meg kell jegyezni, hogy Schrödinger maga is csak addig tartotta összegabalyodó részecskéket, amíg fizikailag kölcsönhatásba lépnek egymással. Amikor eltávolították a lehetséges kölcsönhatások határain túl, az összefonódás eltűnt. Vagyis a kifejezés jelentése Schrödingerben eltér attól, amit jelenleg feltételeznek.
Einstein nem tekintette az EPR-paradoxont egyetlen valódi fizikai jelenség leírásának sem. Pontosan egy mentális konstrukció volt, amelyet a bizonytalanság elvének ellentmondásainak bemutatására hoztak létre. 1947-ben Max Bornnak írt levelében az összegabalyodott részecskék közötti kapcsolatot „kísérteties távoli cselekvésnek” nevezte (Ger. spukhafte Fernwirkung, Angol kísérteties akció távolról Bourne fordításában):
Szóval nem hiszem el, mert (ez) az elmélet összeegyeztethetetlen azzal az elvvel, hogy a fizikának időben és térben kell tükröznie a valóságot, (néhány) hátborzongató hosszú távú cselekvés nélkül.
eredeti szöveg(Német)
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.
- "Kuszált rendszerek: új irányok a kvantumfizikában"
Bohr már a Physical Review következő számában egy cikkben publikálta válaszát a paradoxon szerzőivel azonos címszóval. Bohr hívei kielégítőnek tartották válaszát, és magát az EPR-paradoxont is, amelyet az okozott, hogy Einstein és támogatói félreértették a kvantumfizikai „megfigyelő” lényegét. Összességében a legtöbb fizikus egyszerűen visszavonult a koppenhágai értelmezés filozófiai bonyolultságaitól. A Schrödinger-egyenlet működött, a jóslatok megegyeztek az eredményekkel, és a pozitivizmus keretein belül ez elég is volt. Gribbin így ír erről: "Ahhoz, hogy A pontból B pontba jusson, a vezetőnek nem kell tudnia, mi történik az autója motorházteteje alatt." Könyvének epigráfiájaként Gribbin Feynman szavait fogalmazta meg:
Azt hiszem, felelősséggel kijelenthetem, hogy senki sem ért a kvantummechanikához. Ha lehetséges, ne kérdezd meg magadtól: „Hogyan lehetséges ez?” – mert egy zsákutcába kerülsz, ahonnan még senki sem jutott ki.
Ez az állapot nem volt túl sikeres a fizikai elmélet és gyakorlat fejlesztése szempontjából. Az "összegabalyodást" és a "kísérteties távoli cselekvéseket" közel 30 évig figyelmen kívül hagyták, mígnem John Bell ír fizikus felkeltette érdeklődésüket. Bohm gondolataitól (lásd De Broglie-Bohm elmélet) inspirálva Bell folytatta az EPR paradoxon elemzését, és 1964-ben megfogalmazta az egyenlőtlenségeit. A matematikai és fizikai komponensek nagymértékben leegyszerűsítésével azt mondhatjuk, hogy Bell munkájából két egyértelműen felismerhető helyzet következett az összegabalyodott részecskék állapotának statisztikai mérése során. Ha két összegabalyodott részecske állapotát az elválasztás időpontjában határozzuk meg, akkor egy Bell-egyenlőtlenségnek teljesülnie kell. Ha két összegabalyodott részecske állapota határozatlan, mielőtt az egyik állapotát megmérnénk, akkor egy másik egyenlőtlenségnek kell fennállnia.
Bell egyenlőtlenségei adtak elméleti alapot az esetleges fizikai kísérletekhez, de 1964-től a technikai alapok még nem tették lehetővé ezek felállítását. Az első sikeres kísérleteket a Bell-egyenlőtlenségek tesztelésére Clauser végezte (Angol) orosz és Friedman 1972-ben. Az eredményekből egy pár összegabalyodott részecske állapotának bizonytalansága következett, mielőtt az egyiken mérést végeztek volna. Ennek ellenére az 1980-as évekig a legtöbb fizikus úgy tekintett a kvantumösszefonódásra, mint „nem egy új, nem klasszikus erőforrásra, amelyet ki lehet aknázni, hanem inkább a végső tisztázásra váró kínos helyzetnek”.
A Clauser csoport kísérleteit azonban Aspe kísérletei követték (Angol) orosz 1981-ben. Aspe klasszikus kísérletében (lásd ) két fotonfolyam nulla teljes spinnel árad ki a forrásból S a Nicolas-prizmák felé tartva aés b. Ezekben a kettős törés miatt az egyes fotonok polarizációit elemi polarizációkra különítették el, majd a nyalábokat a detektorok felé irányították. D+és D-. A detektorok jelei fotosokszorozókon keresztül bejutottak a felvevő készülékbe R, ahol Bell-egyenlőtlenséget számítottak ki.
Mind a Friedmann-Clauser-kísérletekben, mind az Aspe-kísérletekben kapott eredmények egyértelműen az einsteini lokális realizmus hiánya mellett szóltak. Egy gondolatkísérletből származó „szörnyű, hosszú távú akció” végül fizikai valósággá vált. Az utolsó csapást a lokalitásra 1989-ben a Greenberger-Horn-Zeilinger többszörösen összekapcsolt államok mérték. (Angol) orosz aki lefektette a kvantumteleportáció alapjait. 2010-ben John Clauser (Angol) orosz , Alain Aspe (Angol) orosz Anton Zeilinger pedig megkapta a Wolf-díjat „a kvantumfizika alapjaihoz való alapvető fogalmi és kísérleti hozzájárulásokért, különösen a Bell-féle egyenlőtlenségek (vagy ezen egyenlőtlenségek kiterjesztett változatai) bonyolult kvantumállapotok felhasználásával végzett, egyre bonyolultabb tesztjéért”.
2008-ban a Genfi Egyetem svájci kutatóinak egy csoportja 18 kilométeres távolságban szétválasztott két összegabalyodott fotonfolyamot. Ez többek között lehetővé tette az időmérések elvégzését korábban elérhetetlen pontossággal. Ennek eredményeként azt találták, hogy ha valamilyen rejtett kölcsönhatás bekövetkezik, akkor annak terjedési sebessége legalább 100 000-szerese legyen a vákuumban lévő fénysebességnek. Alacsonyabb sebességnél késések észlelhetők.
Ugyanezen év nyarán egy másik kutatócsoport az osztrák (Angol) orosz , köztük Zeilingernek is sikerült egy még nagyobb kísérletet beállítania, amely összegabalyodott fotonfolyamokat terjesztett szét 144 kilométerre La Palma és Tenerife szigetén található laboratóriumok között. Egy ilyen nagyszabású kísérlet feldolgozása és elemzése folytatódik, legújabb verzió jelentést 2010-ben tették közzé. Ebben a kísérletben kizárható volt a mérés időpontjában az objektumok közötti elégtelen távolság és a mérési beállítások megválasztásának nem megfelelő szabadságának lehetséges hatása. Ennek eredményeként a kvantumösszefonódás és ennek megfelelően a valóság nem lokális jellege ismét beigazolódott. Igaz, marad egy harmadik lehetséges hatás – egy nem kellően teljes minta. 2011 szeptemberétől a jövő kérdése egy olyan kísérlet, amelyben mindhárom lehetséges hatást egyszerre szüntetik meg.
A legtöbb kusza részecskekísérlet fotonokat használ. Ennek oka az összegabalyodott fotonok megszerzésének és detektorokhoz való átvitelének viszonylagos egyszerűsége, valamint a mért állapot bináris jellege (pozitív vagy negatív helicitás). A kvantumösszefonódás jelensége azonban más részecskék és állapotaik esetében is fennáll. 2010-ben egy francia, német és spanyol tudósokból álló nemzetközi csapat egy szilárd szén nanocső szupravezetőben szerezte meg és vizsgálta az elektronok, azaz tömegű részecskék kusza kvantumállapotait. 2011-ben a kutatóknak kvantumösszefonódást sikerült létrehozniuk egyetlen rubídium atom és egy 30 méteres távolságra elválasztott Bose-Einstein kondenzátum között.
Állandóval angol kifejezés Kvantumösszefonódás, amelyet meglehetősen következetesen használnak az angol nyelvű kiadványok, az orosz nyelvű művek sokféle felhasználást mutatnak. A témával kapcsolatos forrásokban található kifejezések közül meg lehet nevezni (ábécé sorrendben):
Ez a sokféleség több okkal magyarázható, köztük két kijelölt objektum objektív jelenlétével: a) maga az állapot (angol. kvantumösszefonódás) és b) az ebben az állapotban megfigyelt hatások (eng. kísérteties akció távolról ), amelyek sok orosz nyelvű műben inkább kontextusban, mint terminológiában térnek el.
A legegyszerűbb esetben a forrás S Az összefonódott fotonáramok egy bizonyos nemlineáris anyag, amelyre meghatározott frekvenciájú és intenzitású lézersugarat irányítanak (egy emitteres séma). A spontán parametrikus szórás (SPS) eredményeként két polarizációs kúpot kapunk a kimeneten Hés V, amely fotonpárokat hordoz összegabalyodott kvantumállapotban (bifotonok).
| több |
|---|
| A II-es típusú SPR-ben a polarizált lézerszivattyú sugárzás hatására spontán bifotonok keletkeznek egy bárium-béta-borát kristályban, amelyek frekvenciáinak összege megegyezik a szivattyú sugárzási frekvenciájával: ω 1 + ω 2 = ω a polarizációk pedig a kristály orientációja által meghatározott alapon merőlegesek. A kettős törés miatt bizonyos körülmények között a fotonok frekvenciája azonos, és két kúp mentén bocsátódnak ki, amelyeknek nincs közös tengelye. Ebben az esetben az egyik kúpban a polarizáció függőleges, a másodikban pedig vízszintes (a kristály orientációjához és a szivattyú sugárzásának polarizációjához képest). A hullámvektorok SPR-jével ez is igaz ezért ha egy bifotonpár egyik fotonját a kúpok egyik metszésvonalából vesszük, akkor a második foton mindig a második metszésvonalból vehető. A kristályban különböző polarizációjú fotonok terjednek különböző sebességgel, ezért egy valódi kísérleti elrendezésben minden nyaláb járulékosan áthalad ugyanazon a félvastagságú kristályon, 90°-kal elforgatva. Ezenkívül a polarizációs hatások kiegyenlítése érdekében az egyik nyalábban a függőleges és vízszintes polarizációt fél- és negyedhullámú lemezek kombinációjával felcserélik. Az SPR eredményeként létrejött bifoton pár tagjait 1-es és 2-es indexekkel jelölhetjük, míg: AlkalmazásHerbert FTL kommunikátoraMindössze egy évvel az Aspe-kísérlet után, 1982-ben Nick Herbert amerikai fizikus (Angol) orosz a "Foundations of Physics" folyóiratnak egy cikket javasolt az "új típusú kvantumméréseken alapuló szuperluminális kommunikátor" FLASH (First Laser-Amplified Superluminal Hookup) ötletével. Asher Peres későbbi története szerint, aki akkoriban a folyóirat egyik lektora volt, az ötlet tévedése nyilvánvaló volt, de meglepetésére nem talált konkrét fizikai tételt, amelyre röviden hivatkozhatott volna. . Ezért ragaszkodott a cikk közzétételéhez, mivel az "kifejezett érdeklődést keltene, és a hiba megtalálása jelentős előrelépéshez vezetne a fizika megértésében". A cikk megjelent, és az azt követő vita eredményeként Wutters (Angol) orosz , Zurekom (Angol) orosz és Dix (Angol) orosz megfogalmazták és bebizonyították a klónozás nélküli tételt. Így meséli el Perez a történetet a leírt események után 20 évvel megjelent cikkében. A klónozás nélküli tétel kimondja, hogy lehetetlen egy tetszőleges ismeretlen kvantumállapot tökéletes másolatát létrehozni. Hogy nagymértékben leegyszerűsítsük a helyzetet, hozhatunk példát élőlények klónozásával. Létrehozhat egy birka tökéletes genetikai másolatát, de nem "klónozhatja" a prototípus életét és sorsát. A tudósok általában szkeptikusak azokkal a projektekkel kapcsolatban, amelyeknek a címében a „szuperluminal” szó szerepel. Ehhez járult még magának Herbertnek az unortodox tudományos útja. Az 1970-es években a Xerox PARC egyik barátjával együtt épített egy "metafázisú írógépet" a "testetlen szellemekkel való kommunikációhoz" (az intenzív kísérletek eredményeit a résztvevők nem tartották meggyőzőnek). 1985-ben pedig Herbert könyvet írt a fizika metafizikájáról. Általánosságban elmondható, hogy az 1982-es események meglehetősen erősen kompromittálták a kvantumkommunikáció elképzeléseit a potenciális kutatók szemében, és egészen a 20. század végéig nem történt jelentős előrelépés ebben az irányban. kvantumkommunikációA kvantumszámítás ötletét először Yu. I. Manin vetette fel 1980-ban. 2011 szeptemberétől a teljes méretű kvantumszámítógép még mindig hipotetikus eszköz, amelynek felépítése számos kvantumelméleti kérdéshez és a dekoherencia probléma megoldásához kapcsolódik. Korlátozott (néhány qubites) kvantum "miniszámítógép" már készül a laboratóriumokban. Az első sikeres, hasznos eredménnyel járó alkalmazást egy nemzetközi tudóscsoport 2009-ben mutatta be. A kvantum algoritmus szerint meghatároztuk a hidrogénmolekula energiáját. Egyes kutatók azonban azon a véleményen vannak, hogy az összefonódás éppen ellenkezőleg, nemkívánatos melléktényező a kvantumszámítógépeknél. Egybehangzó történetekEgybehangzó történetek (Angol) orosz A Girardi - Rimini - Weber objektív csökkentéseA Girardi - Rimini - Weber objektív csökkentése (Angol) orosz |
A kvantumösszefonódás az egyik leginkább összetett fogalmak a tudományban, de alapelvei egyszerűek. És ha megérti, az összefonódás megnyitja az utat az olyan fogalmak jobb megértéséhez, mint a kvantumelmélet számos világa.
A titokzatosság varázslatos aurája veszi körül a kvantum-összefonódás fogalmát, valamint a kvantumelmélet (valahogy) kapcsolódó állítását, miszerint „sok világnak” kell lennie. És mégis, lényegükben ezek hétköznapi jelentésű és konkrét alkalmazású tudományos ötletek. Az összefonódás és sok világ fogalmát szeretném olyan egyszerűen és egyértelműen elmagyarázni, ahogyan magam is ismerem.
Az összefonódás olyan helyzetekben jelenik meg, amikor két rendszer állapotáról részleges információval rendelkezünk. Például két objektum válhat a rendszerünkké – nevezzük őket kaonoknak. A "K" a "klasszikus" objektumokat jelöli. De ha tényleg valami konkrétat és kellemeset szeretne elképzelni, képzelje el, hogy ezek torták.
A kaonjainknak két alakja lesz, négyzet vagy kerek, és ezek a formák jelzik lehetséges állapotukat. Ekkor két kaon négy lehetséges együttes állapota a következő lesz: (négyzet, négyzet), (négyzet, kör), (kör, négyzet), (kör, kör). A táblázat megmutatja annak valószínűségét, hogy a rendszer a felsorolt négy állapot valamelyikébe kerül. 
Azt mondjuk, hogy a kaonok „függetlenek”, ha az egyik állapotáról való tudás nem ad információt a másik állapotáról. És ennek az asztalnak van egy ilyen tulajdonsága. Ha az első kaon (torta) négyzet alakú, még mindig nem ismerjük a második alakját. Ezzel szemben a második alakja semmit sem árul el az első alakjáról.
Másrészt azt mondjuk, hogy két kaon összegabalyodik, ha az egyikről szóló információ javítja a másikkal kapcsolatos tudásunkat. A második tabletta erős összefonódást fog mutatni. Ebben az esetben, ha az első kaon kerek, akkor tudni fogjuk, hogy a második is kerek. És ha az első kaon négyzet alakú, akkor a második is ugyanaz lesz. Az egyik alakjának ismeretében egyértelműen meghatározhatjuk a másik alakját.
Az összefonódás kvantumváltozata valójában ugyanúgy néz ki – ez a függetlenség hiánya. A kvantumelméletben az állapotokat hullámfüggvényeknek nevezett matematikai objektumok írják le. A hullámfüggvényeket fizikai lehetőségekkel kombináló szabályok igen érdekes bonyolultságokat eredményeznek, amelyekről később még szó lesz, de az összefonódott tudás alapkoncepciója, amelyet a klasszikus esetre bemutattunk, ugyanaz marad.
Bár a torták nem tekinthetők kvantumrendszereknek, a kvantumrendszerekbe való összegabalyodás természetesen előfordul – például részecskeütközések után. A gyakorlatban ritka kivételnek tekinthetők az össze nem bomló (független) állapotok, hiszen a rendszerek interakciója során összefüggések keletkeznek közöttük.
Vegyük például a molekulákat. Alrendszerekből állnak - konkrétan elektronokból és atommagokból. A molekula minimális energiaállapota, amelyben általában található, az elektronok és egy atommag erősen összefonódott állapota, mivel ezeknek az alkotórészecskéknek az elrendezése semmiképpen sem lesz független. Amikor az atommag mozog, az elektron együtt mozog vele.
Térjünk vissza példánkhoz. Ha Φ■, Φ● hullámfüggvényként írjuk le az 1-es rendszert annak négyzetes vagy kerek állapotában, és ψ■, ψ●-ot a 2-es rendszert négyzetes vagy kerek állapotban leíró hullámfüggvényeknek, akkor munkapéldánkban minden állapot leírható. , hogyan:
Független: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Összegabalyodott: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
A független változat a következőképpen is írható:
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Figyeljük meg, hogy az utóbbi esetben a zárójelek egyértelműen szétválasztják az első és a második rendszert egymástól független részekre.
Számos módja van az összefonódott állapotok létrehozásának. Az egyik az összetett rendszer mérése, amely részinformációkat ad. Lehetséges például tudni, hogy két rendszer megegyezett abban, hogy azonos formájúak legyenek, anélkül, hogy tudnák, melyik formát választották. Ez a fogalom egy kicsit később válik fontossá.
A kvantumösszefonódás jellegzetesebb következményei, mint például az Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) és a Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) hatások a kvantumelmélet egy másik tulajdonságával, a „komplementaritás elvével” való kölcsönhatásból erednek. Az EPR és a GHZ megvitatásához először engedjék meg, hogy bemutassam Önnek ezt az elvet.
Eddig azt képzeltük, hogy a kaonok kétféle formában vannak (négyzet és kerek). Most képzelje el, hogy két színben is kaphatók - piros és kék. Figyelembe véve a klasszikus rendszereket, például a tortákat, ez a további tulajdonság azt jelentené, hogy a kaon négy lehetséges állapot egyikében létezhet: piros négyzet, piros kör, kék négyzet és kék kör.
De a kvantumtorták kvantumtorták... Vagy kvantonok... Egészen másképp viselkednek. Az a tény, hogy a kvanton bizonyos helyzetekben rendelkezhet eltérő formábanés a szín nem feltétlenül jelenti azt, hogy egyszerre van formája és színe is. Valójában az a józan ész, amelyet Einstein megkövetelt a fizikai valóságtól, nem egyezik a kísérleti tényekkel, amint azt hamarosan látni fogjuk.
Meg tudjuk mérni a kvanton alakját, de ezzel elveszítjük a színével kapcsolatos összes információt. Vagy mérhetünk egy színt, de elveszítjük az alakjával kapcsolatos információkat. A kvantumelmélet szerint nem tudjuk egyszerre megmérni az alakot és a színt. A kvantumvalóságról senkinek sem teljes a nézete; sok különböző és egymást kizáró képet kell figyelembe venni, amelyek mindegyikének megvan a maga hiányos elképzelése arról, hogy mi történik. Ez a lényege a komplementaritás elvének, ahogyan azt Niels Bohr is megfogalmazta.
Ennek eredményeként a kvantumelmélet óvatosságra kényszerít bennünket, amikor tulajdonságokat tulajdonítunk a fizikai valóságnak. A viták elkerülése érdekében fel kell ismerni, hogy:
Nincs vagyon, ha nem mérték fel.
A mérés egy aktív folyamat, amely megváltoztatja a mért rendszert
Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen (EPR) leírta azt a csodálatos hatást, amely akkor következik be, amikor két kvantumrendszer összegabalyodik. Az EPR effektus a kvantumösszefonódás egy speciális, kísérletileg elérhető formáját ötvözi a komplementaritás elvével.
Egy EPR-pár két kvantonból áll, amelyek mindegyike mérhető alakban vagy színben (de nem mindkettőben). Tegyük fel, hogy sok ilyen párunk van, mindegyik egyforma, és kiválaszthatjuk, hogy milyen méréseket végzünk az összetevőiken. Ha megmérjük az EPR-pár egyik tagjának alakját, akkor egyenlő valószínűséggel kapunk négyzetet vagy kört. Ha megmérjük a színt, akkor ugyanilyen valószínűséggel pirosat vagy kéket kapunk.
Érdekes, az EPR szempontjából paradox hatások jelentkeznek, ha a pár mindkét tagját mérjük. Amikor megmérjük mindkét tag színét vagy alakját, azt tapasztaljuk, hogy az eredmények mindig megegyeznek. Vagyis ha azt találjuk, hogy az egyik piros, majd megmérjük a második színét, akkor azt is megállapítjuk, hogy piros – és így tovább. Másrészt, ha az egyik alakját, a másik színét mérjük, nem figyelhető meg összefüggés. Vagyis ha az első négyzet volt, akkor a második ugyanolyan valószínűséggel lehet kék vagy piros.
A kvantumelmélet szerint akkor is ilyen eredményeket kapunk, ha a két rendszert hatalmas távolság választja el egymástól, és a méréseket szinte egyszerre végzik. Úgy tűnik, hogy az egyik helyen a mérési típus kiválasztása máshol is befolyásolja a rendszer állapotát. Úgy tűnik, hogy ez a "távolról ijesztő akció", ahogy Einstein nevezte, megköveteli az információ - esetünkben a méréssel kapcsolatos információk - fénysebességnél gyorsabb továbbítását.
De vajon az? Amíg nem tudom, milyen eredményt ért el, nem tudom, mire számítsak. kapok hasznos információ amikor megkapom az eredményét, nem akkor, amikor méri. És minden üzenetet, amely a kapott eredményt tartalmazza, valamilyen fizikai módon kell továbbítani, a fénysebességnél lassabban.
További tanulmányozással a paradoxon még jobban megsemmisül. Tekintsük a második rendszer állapotát, ha az első mérése piros színt adott. Ha úgy döntünk, hogy megmérjük a második kvanton színét, vöröset kapunk. De a komplementaritás elve szerint, ha úgy döntünk, hogy megmérjük az alakját, amikor "piros" állapotban van, akkor egyenlő esélyünk lesz négyzetet vagy kört kapni. Ezért az EPR eredménye logikusan előre meghatározott. Ez csak a komplementaritás elvének újramondása.
Nincs paradoxon abban, hogy a távoli események korrelálnak egymással. Hiszen ha egy párból a két kesztyű közül az egyiket dobozokba rakjuk és elküldjük a bolygó különböző pontjaira, akkor nem meglepő, hogy az egyik dobozba belenézve meg tudom állapítani, hogy a másik kesztyű melyik kézre való. Ugyanígy minden esetben rögzíteni kell rajtuk az EPR párok korrelációját, amikor a közelben vannak, hogy úgy bírják az ezt követő szétválást, mintha memóriájuk lenne. Az EPR-paradoxon furcsasága nem magában a korreláció lehetőségében rejlik, hanem a kiegészítések formájában való megőrzésének lehetőségében.
Minden egyes kísérletező véletlenszerű eredményeket kap. A kvanton alakjának mérésével egyenlő valószínűséggel négyzetet vagy kört kap; a kvanton színét mérve egyenlő valószínűséggel pirosat vagy kéket kap. Miközben minden normális.
Ám amikor a kísérletezők összeülnek és összehasonlítják az eredményeket, az elemzés meglepő eredményt tár fel. Tegyük fel, hogy a négyzet formát és a piros színt "jónak", a köröket és a kék színt pedig "gonosznak" nevezzük. A kísérletezők úgy találják, hogy ha ketten úgy döntenek, hogy megmérik az alakot, a harmadik pedig a színt választja, akkor 0 vagy 2 mérés „gonosz” (azaz kerek vagy kék). De ha mindhárman úgy döntenek, hogy megmérik a színt, akkor 1 vagy 3 mérés rossz. A kvantummechanika ezt jósolja, és pontosan ez történik.
Kérdés: A gonoszság mennyisége páros vagy páratlan? NÁL NÉL különböző dimenziók mindkét lehetőség megvalósul. El kell hagynunk ezt a kérdést. Nincs értelme a rendszerben lévő gonoszság mértékéről beszélni anélkül, hogy tekintetbe vennénk annak mérési módját. Ez pedig ellentmondásokhoz vezet.
A GHZ-effektus, ahogy Sidney Colman fizikus leírja, "a kvantummechanika arculcsapása". Megtöri azt a megszokott, tanult elvárást, hogy a fizikai rendszerek mérésüktől függetlenül előre meghatározott tulajdonságokkal rendelkeznek. Ha ez így lenne, akkor a jó és a rossz egyensúlya nem függne a mérési típusok megválasztásától. Ha egyszer elfogadod a GHZ-effektus létezését, nem felejted el, és látóköröd kiszélesedik.
„Összegabalyodott történetekről” beszélünk, amikor lehetetlen egy bizonyos állapotot hozzárendelni a rendszerhez minden pillanatban. Ahogyan kizárjuk a hagyományos összefonódás lehetőségeit, úgy összefonódó történeteket is létrehozhatunk olyan mérésekkel, amelyek részinformációkat gyűjtenek a múltbeli eseményekről. A legegyszerűbb szövevényes történetekben van egy kvantonunk, amelyet két különböző időpontban vizsgálunk. Elképzelhetünk egy olyan helyzetet, amikor megállapítjuk, hogy kvantonunk alakja mindkét alkalommal négyzet alakú volt, vagy mindkét alkalommal kerek, de mindkét helyzet lehetséges. Ez egy időbeli kvantum analógia a korábban leírt összefonódás legegyszerűbb változataival.
Egy bonyolultabb protokoll használatával egy kis addicionalitást adhatunk ehhez a rendszerhez, és leírhatjuk azokat a helyzeteket, amelyek a kvantumelmélet „sok világ” tulajdonságát okozzák. Kvantonunkat piros állapotban lehet elkészíteni, majd kék színnel mérni és megkapni. És mint az előző példákban, nem rendelhetjük tartósan a kvantonhoz a szín tulajdonságát a két dimenzió közötti intervallumban; nincs határozott formája. Az ilyen történetek korlátozott, de teljesen ellenőrzött és precíz módon valósítják meg a kvantummechanika sokféle világának képében rejlő intuíciót. Egy bizonyos állapot két egymásnak ellentmondó történelmi pályára szakadhat, amelyek aztán újra összekapcsolódnak.
Erwin Schrödinger, a kvantumelmélet megalapozója, aki szkeptikus volt annak helyességében, hangsúlyozta, hogy a kvantumrendszerek evolúciója természetesen olyan állapotokhoz vezet, amelyek mérése rendkívüli eredményeket adhat. különböző eredményeket. A „Schrödinger macskájával” végzett gondolatkísérlete, mint tudják, a kvantumbizonytalanságot feltételezi, amely a macskafélék mortalitását befolyásoló szintre emelte. Mérés előtt lehetetlen hozzárendelni egy macskához az élet (vagy halál) tulajdonságát. Mindkettő, vagy egyik sem, együtt létezik a lehetőségek túlvilági világában.
A mindennapi nyelvek nem alkalmasak a kvantum-komplementaritás magyarázatára, részben azért, mert a mindennapi tapasztalat nem tartalmazza azt. A gyakorlati macskák teljesen eltérő módon lépnek kapcsolatba a környező levegőmolekulákkal és más tárgyakkal, attól függően, hogy élnek vagy haltak, így a gyakorlatban a mérés automatikus, és a macska tovább él (vagy nem él). De a történetek bonyolultan írják le a kvantonokat, amelyek Schrödinger cicái. Őket Teljes leírás megköveteli, hogy két egymást kizáró tulajdonságpályát vegyünk figyelembe.
Az összefonódott történetek kontrollált kísérleti megvalósítása kényes dolog, hiszen részinformációkat igényel a kvantonokról. A hagyományos kvantummérések általában az összes információt egyszerre gyűjtik be – például meghatározzák a pontos formát vagy a pontos színt – ahelyett, hogy többszörös részinformációt kapnának. De meg lehet csinálni, bár rendkívüli technikai nehézségekkel. Ily módon a kvantumelméletben a "sok világ" fogalmának elterjedésének egy bizonyos matematikai és kísérleti értelmet tulajdoníthatunk, és bemutathatjuk annak valóságát.
