O emaranhamento quântico, ou "ação assustadora à distância", como Albert Einstein o chamou, é um fenômeno da mecânica quântica no qual os estados quânticos de dois ou mais objetos se tornam interdependentes. Essa dependência é preservada mesmo que os objetos sejam afastados uns dos outros por muitos quilômetros. Por exemplo, você pode emaranhar um par de fótons, levar um deles para outra galáxia e depois medir o giro do segundo fóton - e ele será oposto ao giro do primeiro fóton e vice-versa. Eles estão tentando adaptar o emaranhamento quântico para transmissão instantânea de dados em distâncias gigantescas, ou mesmo para teletransporte.
Os computadores modernos oferecem muitas oportunidades para modelar uma variedade de situações. No entanto, quaisquer cálculos serão "lineares" até certo ponto, pois obedecem a algoritmos bem definidos e não podem se desviar deles. E esse sistema não permite simular mecanismos complexos em que a aleatoriedade é um fenômeno quase constante. Esta é uma simulação da vida. E que dispositivo poderia permitir que ele fizesse? Computador quântico! Foi em uma dessas máquinas que foi lançado o maior projeto de simulação de vida quântica.
Parceiro de projeto inteligente
Albert Einstein (1879-1955) publicou as obras que o tornaram famoso, principalmente nos estágios iniciais de sua carreira científica. O trabalho que contém os princípios básicos da teoria da relatividade especial remonta a 1905, a teoria geral da relatividade - a 1915. A teoria quântica do efeito fotoelétrico, pela qual o conservador Comitê Nobel concedeu um prêmio ao cientista, também data de 1900.
As pessoas que se relacionam indiretamente com a ciência, via de regra, não fazem ideia sobre atividade científica Albert Einstein depois de emigrar para os EUA em 1933. E, devo dizer, ele lidou com um problema que não foi realmente resolvido até agora. Esta é a chamada "teoria do campo unificado".
No total, existem quatro tipos de interações fundamentais na natureza. Gravitacional, eletromagnético, forte e fraco. A interação eletromagnética é a interação entre partículas que possuem uma carga elétrica. Mas não são apenas os fenômenos associados à eletricidade na consciência cotidiana que ocorrem devido à interação eletromagnética. Como, por exemplo, para dois elétrons, a força de repulsão eletromagnética excede visivelmente a força de atração gravitacional, isso explica as interações de átomos e moléculas individuais, ou seja, processos químicos e propriedades das substâncias. A maioria dos fenômenos da mecânica clássica (atrito, elasticidade, tensão superficial) são baseados nele. A teoria da interação eletromagnética foi desenvolvida no século 19 por James Maxwell, que combinou as interações elétricas e magnéticas, e era bem conhecida por Einstein, juntamente com suas interpretações quânticas posteriores.
A interação gravitacional é a interação entre massas. dedicado a ele teoria geral A relatividade de Einstein. A interação forte (nuclear) estabiliza os núcleos dos átomos. Foi previsto teoricamente em 1935, quando ficou claro que as interações já conhecidas não eram suficientes para responder à pergunta: "O que mantém prótons e nêutrons nos núcleos dos átomos?". A existência da força forte foi confirmada experimentalmente pela primeira vez em 1947. Graças à sua pesquisa, os quarks foram descobertos na década de 1960 e, finalmente, na década de 1970, uma teoria mais ou menos completa da interação dos quarks foi construída. A interação fraca também ocorre no núcleo atômico, atua a distâncias menores que a forte, e com menor intensidade. No entanto, sem ela, a fusão termonuclear não existiria, fornecendo, por exemplo, energia solar para a Terra e o decaimento β, pelo qual foi descoberto. A questão é que durante o decaimento β, como dizem os físicos, a conservação da paridade não ocorre. Ou seja, para o restante das interações, os resultados dos experimentos realizados em configurações simétricas de espelho devem ser os mesmos. E para experimentos no estudo do decaimento β, eles não coincidiram (a diferença fundamental entre direita e esquerda já foi discutida em). A descoberta e descrição da interação fraca ocorreu no final da década de 1950.
Até o momento, dentro da estrutura do Modelo Padrão (também foi recentemente dedicado ao Polit.ru), as interações eletromagnéticas, fortes e fracas são combinadas. De acordo com o Modelo Padrão, toda a matéria consiste em 12 partículas: 6 léptons (incluindo um elétron, um múon, um lépton tau e três neutrinos) e 6 quarks. Existem também 12 antipartículas. Todas as três interações têm seus portadores - bósons (um fóton é um bóson de interação eletromagnética). Mas a interação gravitacional ainda não foi combinada com o resto.
Albert Einstein, que morreu em 1955, não teve tempo de aprender nada sobre a interação fraca e pouco sobre a interação forte. Assim, ele tentou combinar as interações eletromagnéticas e gravitacionais, e esse problema não foi resolvido até hoje. Porque o modelo padrãoé essencialmente quântica, para unificar sua interação gravitacional, é necessária uma teoria quântica da gravidade. A partir de hoje, por uma combinação de razões, não há nenhum.
Uma das complexidades da mecânica quântica, que é especialmente pronunciada quando se fala dela com um não especialista, é sua não-intuitividade e até mesmo anti-intuitividade. Mas mesmo os cientistas são frequentemente enganados por essa anti-intuitividade. Vejamos um exemplo que ilustra isso e é útil para entender mais material.
Do ponto de vista da teoria quântica, até o momento da medição, a partícula está em estado de superposição - ou seja, sua característica simultaneamente com alguma probabilidade cada dos valores possíveis. No momento da medição, a superposição é removida e o fato da medição "força" a partícula a assumir um estado específico. Isso por si só contradiz as intuições do homem sobre a natureza das coisas. Nem todos os físicos concordaram que tal incerteza é uma propriedade fundamental das coisas. Parecia a muitos que isso era algum tipo de paradoxo, que mais tarde seria esclarecido. É disso que trata a famosa frase de Einstein, proferida em uma disputa com Niels Bohr, "Deus não joga dados". Einstein acreditava que, de fato, tudo é determinado, só não podemos medi-lo ainda. A correção da posição oposta foi posteriormente demonstrada experimentalmente. Especialmente brilhante - em estudos experimentais de emaranhamento quântico.
O emaranhamento quântico é uma situação em que as características quânticas de duas ou mais partículas estão relacionadas. Pode surgir, por exemplo, se as partículas nasceram como resultado do mesmo evento. De fato, é necessário determinar a característica total de todas as partículas (por exemplo, devido à sua origem comum). Uma coisa ainda mais estranha acontece com tal sistema de partículas do que com uma única partícula. Se, por exemplo, no decorrer de um experimento é medido o estado de uma das partículas emaranhadas, isto é, forçada a assumir um estado específico, então a superposição é automaticamente removida da outra partícula emaranhada, não importa a que distância elas estejam. são. Isso foi comprovado experimentalmente nos anos 70 e 80. Até o momento, os experimentadores conseguiram obter partículas emaranhadas quânticas separadas por várias centenas de quilômetros. Assim, verifica-se que a informação é transmitida de partícula para partícula a uma velocidade infinita, obviamente maior que a velocidade da luz. Consistentemente determinista, Einstein se recusou a considerar essa situação como algo mais do que uma mentalidade abstrata. Em sua carta ao físico Born, ele ironicamente chamou a interação de partículas emaranhadas de "terrível ação de longo alcance".
Uma divertida ilustração cotidiana do fenômeno do emaranhamento quântico foi inventada pelo físico John Bell. Ele tinha um colega distraído, Reinhold Bertlman, que muitas vezes vinha trabalhar com meias diferentes. Bell brincou que se apenas uma meia de Bertleman é visível para o observador, e é rosa, então sobre a segunda, mesmo sem vê-la, pode-se dizer definitivamente que não é rosa. Claro, esta é apenas uma analogia divertida que não pretende penetrar na essência das coisas. Ao contrário das partículas, que estão em estado de superposição até o momento da medição, a meia é a mesma na perna desde a manhã.
Agora, o emaranhamento quântico e a ação de longo alcance associada a ele com velocidade infinita são considerados fenômenos reais e comprovados experimentalmente. estou tentando encontrar uso pratico. Por exemplo, ao projetar um computador quântico e desenvolver métodos de criptografia quântica.
O trabalho no campo da física teórica realizado no ano passado dá esperança de que o problema de construir uma teoria da gravidade quântica e, consequentemente, uma teoria de campo unificada seja finalmente resolvido.
Em julho deste ano, os físicos teóricos americanos Maldacena e Susskind apresentaram e fundamentaram o conceito teórico de emaranhamento quântico de buracos negros. Lembre-se de que os buracos negros são objetos muito massivos, cuja atração gravitacional é tão forte que, tendo se aproximado deles a uma certa distância, mesmo os objetos mais rápidos do mundo - quanta de luz - não podem escapar e voar. Os cientistas realizaram um experimento mental. Eles descobriram que, se você criar dois buracos negros emaranhados quânticos e, em seguida, afastá-los a uma certa distância, o resultado é o chamado buraco de minhoca impenetrável. Ou seja, um buraco de minhoca é idêntico em suas propriedades a um par de buracos negros emaranhados quânticos. Buracos de minhoca ainda são características topológicas hipotéticas do espaço-tempo, túneis localizados em uma dimensão adicional, conectando em algum ponto do tempo dois pontos do espaço tridimensional. Os buracos de minhoca são populares na ficção científica e no cinema porque alguns deles, especialmente os exóticos, são teoricamente possíveis para viagens interestelares e viagens no tempo. Através dos buracos de minhoca impenetráveis resultantes do emaranhamento quântico dos buracos negros, é impossível viajar ou trocar informações. É só que se um observador condicional entrar em um de um par de buracos negros emaranhados quânticos, ele terminará no mesmo lugar onde estaria se entrasse em outro.
Os buracos de minhoca devem sua existência à gravidade. Como no experimento mental de Maldacena e Susskind o buraco de minhoca é criado com base no emaranhamento quântico, pode-se concluir que a gravidade não é fundamental em si mesma, mas é uma manifestação de um efeito quântico fundamental - o emaranhamento quântico.
No início de dezembro de 2013 em uma edição da revista FisicaAnálisecartas duas obras surgiram ao mesmo tempo (,), desenvolvendo as ideias de Maldacena e Susskind. Neles, o método holográfico e a teoria das cordas foram aplicados para descrever as mudanças na geometria do espaço-tempo causadas pelo emaranhamento quântico. Um holograma é uma imagem em um plano, o que torna possível reconstruir a imagem tridimensional correspondente. NO caso Geral, o método holográfico permite ajustar informações sobre o espaço n-dimensional em (n-1)-dimensional.
Os cientistas conseguiram passar de buracos negros quânticos emaranhados para pares quânticos de partículas elementares emergentes. Na presença de uma quantidade suficiente de energia, podem nascer pares consistindo de uma partícula e uma antipartícula. Como as leis de conservação devem ser satisfeitas neste caso, tais partículas estarão emaranhadas quânticas. A modelagem de tal situação mostrou que o nascimento de um par quark + antiquark gera a formação de um buraco de minhoca conectando-os, e que a descrição do estado de emaranhamento quântico de duas partículas equivale à descrição de um buraco de minhoca impenetrável entre elas.
Acontece que o emaranhamento quântico pode causar as mesmas mudanças na geometria do espaço-tempo que a gravidade. Talvez isso abra caminho para a construção de uma teoria da gravidade quântica, tão carente para a criação de uma teoria do campo unificado.
Cromodinâmica quântica Modelo padrão Gravidade quântica
entrelaçamento quântico(veja a seção "") - um fenômeno da mecânica quântica em que os estados quânticos de dois ou mais objetos se tornam interdependentes. Tal interdependência persiste mesmo que esses objetos estejam separados no espaço além de quaisquer interações conhecidas, o que está em contradição lógica com o princípio da localidade. Por exemplo, você pode obter um par de fótons em um estado emaranhado e, se, ao medir o spin da primeira partícula, a helicidade for positiva, a helicidade da segunda sempre será negativa e vice-versa.
Dando continuidade às disputas iniciadas, em 1935 Einstein, Podolsky e Rosen formularam o paradoxo EPR, que deveria mostrar a incompletude do modelo proposto da mecânica quântica. Seu artigo “Pode a descrição da mecânica quântica da realidade física ser considerada completa?” foi publicado em #47 da Physical Review.
No paradoxo EPR, o princípio da incerteza de Heisenberg foi mentalmente violado: na presença de duas partículas com origem comum, é possível medir o estado de uma partícula e usá-lo para prever o estado de outra partícula, sobre a qual a medição ainda não foi feita. Analisando sistemas teoricamente interdependentes semelhantes no mesmo ano, Schrödinger os chamou de "emaranhados" (Eng. emaranhado). Mais tarde inglês. emaranhado e inglês. emaranhamento tornaram-se termos comuns em publicações de língua inglesa. Deve-se notar que o próprio Schrödinger considerava as partículas emaranhadas apenas enquanto interagissem fisicamente umas com as outras. Quando removido além dos limites das interações possíveis, o emaranhamento desapareceu. Ou seja, o significado do termo em Schrödinger difere daquele que está implícito atualmente.
Einstein não considerou o paradoxo EPR como uma descrição de qualquer fenômeno físico real. Foi justamente uma construção mental criada para demonstrar as contradições do princípio da incerteza. Em 1947, em uma carta a Max Born, ele chamou essa conexão entre partículas emaranhadas de "ação fantasmagórica à distância" (Ger. spukhafte Fernwirkung, Inglês ação assustadora à distância na tradução de Bourne):
Então não posso acreditar, porque (essa) teoria é irreconciliável com o princípio de que a física deve refletir a realidade no tempo e no espaço, sem (algumas) ações assustadoras de longo alcance.
texto original(Alemão)
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 spukhaftte Fernwirkungen.
- "Sistemas emaranhados: novas direções na física quântica"
Já na próxima edição da Physical Review, Bohr publicou sua resposta em um artigo com o mesmo título dos autores do paradoxo. Os defensores de Bohr consideraram sua resposta satisfatória, e o próprio paradoxo EPR - causado por um mal-entendido da essência do "observador" na física quântica por Einstein e seus defensores. No geral, a maioria dos físicos simplesmente se afastou das complexidades filosóficas da interpretação de Copenhague. A equação de Schrödinger funcionou, as previsões coincidiram com os resultados e, no âmbito do positivismo, isso foi suficiente. Gribbin escreve sobre isso: "para ir do ponto A ao ponto B, o motorista não precisa saber o que está acontecendo sob o capô de seu carro". Como epígrafe de seu livro, Gribbin colocou as palavras de Feynman:
Acho que posso afirmar com responsabilidade que ninguém entende a mecânica quântica. Se possível, pare de se perguntar “Como isso é possível?” - pois você será levado a um beco sem saída do qual ninguém ainda saiu.
Este estado de coisas não foi muito bem sucedido para o desenvolvimento da teoria e prática física. "Emaranhamento" e "ações assustadoras à distância" foram ignorados por quase 30 anos, até que o físico irlandês John Bell se interessou por eles. Inspirado pelas ideias de Bohm (ver teoria de De Broglie-Bohm), Bell continuou sua análise do paradoxo EPR e em 1964 formulou suas desigualdades. Ao simplificar bastante os componentes matemáticos e físicos, podemos dizer que duas situações inequivocamente reconhecíveis se seguiram ao trabalho de Bell em medições estatísticas dos estados de partículas emaranhadas. Se os estados de duas partículas emaranhadas são determinados no momento da separação, então uma desigualdade de Bell deve valer. Se os estados de duas partículas emaranhadas são indeterminados antes que o estado de uma delas seja medido, então outra desigualdade deve valer.
As desigualdades de Bell forneceram uma base teórica para possíveis experimentos físicos, mas a partir de 1964, a base técnica ainda não permitia que fossem estabelecidos. Os primeiros experimentos bem sucedidos para testar as desigualdades de Bell foram realizados por Clauser (Inglês) russo e Friedman em 1972. A partir dos resultados, a incerteza do estado de um par de partículas emaranhadas seguiu antes que uma medição fosse feita em uma delas. E, no entanto, até a década de 1980, o emaranhamento quântico era visto pela maioria dos físicos como “não um novo recurso não clássico que pode ser explorado, mas sim um constrangimento aguardando esclarecimento final”.
No entanto, os experimentos do grupo Clauser foram seguidos pelos experimentos de Aspe (Inglês) russo em 1981. No experimento clássico de Aspe (ver ) dois fluxos de fótons com spin total zero emanando da fonte S rumo ao prisma de Nicolas uma e b. Neles, devido à birrefringência, as polarizações de cada um dos fótons foram separadas em elementares, após o que os feixes foram direcionados para os detectores D+ e D–. Os sinais dos detectores através de fotomultiplicadores entraram no dispositivo de gravação R, onde a desigualdade de Bell foi calculada.
Os resultados obtidos tanto nos experimentos de Friedmann-Clauser quanto nos experimentos de Aspe falaram claramente a favor da ausência do realismo local einsteiniano. "Terrível ação de longo alcance" de um experimento mental finalmente se tornou uma realidade física. O último golpe na localidade foi dado em 1989 por estados multiplamente conectados de Greenberger-Horn-Zeilinger. (Inglês) russo que lançou as bases para o teletransporte quântico. Em 2010 John Clauser (Inglês) russo , Alan Aspe (Inglês) russo e Anton Zeilinger recebeu o Prêmio Wolf de Física "por contribuições conceituais e experimentais fundamentais para os fundamentos da física quântica, em particular por uma série de testes cada vez mais complexos das desigualdades de Bell (ou versões estendidas dessas desigualdades) usando estados quânticos emaranhados".
Em 2008, um grupo de pesquisadores suíços da Universidade de Genebra conseguiu separar dois fluxos de fótons emaranhados a uma distância de 18 quilômetros. Entre outras coisas, isso permitiu que as medições de tempo fossem feitas com precisão anteriormente inatingível. Como resultado, descobriu-se que, se algum tipo de interação oculta ocorrer, a velocidade de sua propagação deve ser pelo menos 100.000 vezes a velocidade da luz no vácuo. Em velocidades mais baixas, os atrasos de tempo seriam notados.
No verão do mesmo ano, outro grupo de pesquisadores da Universidade austríaca (Inglês) russo , incluindo Zeilinger, conseguiu montar um experimento ainda maior, espalhando fluxos de fótons emaranhados por 144 quilômetros entre laboratórios nas ilhas de La Palma e Tenerife. O processamento e a análise de um experimento em grande escala continuam, última versão relatório foi publicado em 2010. Neste experimento, foi possível excluir a possível influência da distância insuficiente entre os objetos no momento da medição e liberdade insuficiente na escolha das configurações de medição. Como resultado, o emaranhamento quântico e, consequentemente, a natureza não-local da realidade foram mais uma vez confirmados. É verdade que resta uma terceira influência possível - uma amostra insuficientemente completa. Um experimento em que todas as três influências potenciais são eliminadas simultaneamente é uma questão de futuro a partir de setembro de 2011.
A maioria dos experimentos de partículas emaranhadas usa fótons. Isso se deve à relativa simplicidade de obtenção de fótons emaranhados e sua transmissão aos detectores, bem como à natureza binária do estado medido (helicidade positiva ou negativa). No entanto, o fenômeno do emaranhamento quântico também existe para outras partículas e seus estados. Em 2010, uma equipe internacional de cientistas da França, Alemanha e Espanha obteve e investigou os estados quânticos emaranhados de elétrons, ou seja, partículas com massa, em um supercondutor de nanotubos de carbono sólido. Em 2011, pesquisadores da conseguiram criar um estado de emaranhamento quântico entre um único átomo de rubídio e um condensado de Bose-Einstein separados por uma distância de 30 metros.
Com constante termo em inglês Emaranhamento quântico, que é usado de forma bastante consistente em publicações em inglês, os trabalhos em russo mostram uma ampla variedade de uso. Dos termos encontrados nas fontes sobre o tema, pode-se citar (em ordem alfabética):
Essa diversidade pode ser explicada por vários motivos, incluindo a presença objetiva de dois objetos designados: a) o próprio estado (eng. entrelaçamento quântico) eb) os efeitos observados neste estado (eng. ação assustadora à distância ), que em muitas obras de língua russa diferem no contexto e não na terminologia.
No caso mais simples, a fonte S fluxos de fótons emaranhados é um certo material não linear, no qual um feixe de laser de uma certa frequência e intensidade é direcionado (esquema de emissor único). Como resultado do espalhamento paramétrico espontâneo (SPS), dois cones de polarização são obtidos na saída H e V, carregando pares de fótons em um estado quântico emaranhado (bifótons).
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| No SPR tipo II, sob a ação da radiação da bomba de laser polarizada, os bifótons são produzidos espontaneamente em um cristal de beta-borato de bário, cuja soma das frequências é igual à frequência de radiação da bomba: ω 1 + ω 2 = ω e as polarizações são ortogonais em uma base determinada pela orientação do cristal. Devido à birrefringência, sob certas condições, os fótons têm a mesma frequência e são emitidos ao longo de dois cones que não possuem um eixo comum. Neste caso, em um cone, a polarização é vertical e, no segundo, é horizontal (em relação à orientação do cristal e à polarização da radiação da bomba). Com SPR para vetores de onda, também é verdade portanto, se um fóton de um par de bifótons é tirado de uma linha de interseção dos cones, então o segundo fóton sempre pode ser tirado da segunda linha de interseção. Em um cristal, fótons de diferentes polarizações se propagam com velocidade diferente, portanto, em uma configuração experimental real, cada feixe é adicionalmente passado através do mesmo cristal de meia espessura girado em 90°. Além disso, para nivelar os efeitos de polarização, em um dos feixes, as polarizações vertical e horizontal são invertidas usando uma combinação de placas de meia onda e quarto de onda. Os membros do par de bifótons criados como resultado do SPR podem ser denotados pelos índices 1 e 2, enquanto: InscriçãoComunicador FTL de HerbertApenas um ano após o experimento de Aspe, em 1982, o físico americano Nick Herbert (Inglês) russo propôs à revista "Foundations of Physics" um artigo com a ideia de seu "comunicador superluminal baseado em um novo tipo de medidas quânticas" FLASH (First Laser-Amplified Superluminal Hookup). De acordo com uma história posterior de Asher Peres, que na época era um dos revisores da revista, a falácia da ideia era óbvia, mas, para sua surpresa, ele não encontrou um teorema físico específico ao qual pudesse se referir brevemente. . Portanto, ele insistiu em publicar o artigo, pois "despertaria um interesse acentuado, e encontrar o erro levaria a um progresso acentuado em nossa compreensão da física". O artigo foi publicado e, como resultado da discussão que se seguiu, Wutters (Inglês) russo , Zurekom (Inglês) russo e Dix (Inglês) russo o teorema da não clonagem foi formulado e provado. É assim que Perez conta a história em seu artigo, publicado 20 anos após os eventos descritos. O teorema da não clonagem afirma que é impossível criar uma cópia perfeita de um estado quântico desconhecido arbitrário. Para simplificar bastante a situação, podemos dar um exemplo com a clonagem de seres vivos. Você pode criar uma cópia genética perfeita de uma ovelha, mas não pode "clonar" a vida e o destino do protótipo. Os cientistas geralmente são céticos em relação a projetos com a palavra "superluminal" no título. A isso foi adicionado o caminho científico pouco ortodoxo do próprio Herbert. Na década de 1970, ele e um amigo da Xerox PARC construíram uma "máquina de escrever metafásica" para "comunicação com espíritos desencarnados" (os resultados de experimentos intensivos foram considerados inconclusivos pelos participantes). E em 1985 Herbert escreveu um livro sobre a metafísica na física. Em geral, os eventos de 1982 comprometeram bastante as ideias de comunicação quântica aos olhos de potenciais pesquisadores, e até o final do século XX não houve avanços significativos nessa direção. comunicação quânticaA ideia de computação quântica foi proposta pela primeira vez por Yu. I. Manin em 1980. Em setembro de 2011, um computador quântico em escala real ainda é um dispositivo hipotético, cuja construção está associada a muitas questões da teoria quântica e à solução do problema da decoerência. "Minicomputadores" quânticos limitados (alguns qubits) já estão sendo criados em laboratórios. A primeira aplicação bem-sucedida com um resultado útil foi demonstrada por uma equipe internacional de cientistas em 2009. De acordo com o algoritmo quântico, a energia da molécula de hidrogênio foi determinada. No entanto, alguns pesquisadores são da opinião de que o emaranhamento é, pelo contrário, um fator colateral indesejável para computadores quânticos. Histórias consistentesHistórias consistentes (Inglês) russo Redução objetiva de Girardi - Rimini - WeberRedução objetiva de Girardi - Rimini - Weber (Inglês) russo |
O emaranhamento quântico é um dos mais conceitos complexos na ciência, mas seus princípios básicos são simples. E se você entender isso, o emaranhamento abre o caminho para uma melhor compreensão de conceitos como os muitos mundos da teoria quântica.
Uma aura encantadora de mistério envolve a noção de emaranhamento quântico, bem como a afirmação (de alguma forma) relacionada da teoria quântica de que deve haver “muitos mundos”. E, no entanto, em sua essência, essas são ideias científicas com um significado mundano e aplicações específicas. Eu gostaria de explicar os conceitos de emaranhamento e muitos mundos tão simples e claramente quanto eu mesmo os conheço.
O emaranhamento aparece em situações em que temos informações parciais sobre o estado de dois sistemas. Por exemplo, dois objetos podem se tornar nossos sistemas - vamos chamá-los de kaons. "K" denotará objetos "clássicos". Mas se você realmente quer imaginar algo concreto e agradável, imagine que são bolos.
Nossos kaons terão duas formas, quadradas ou redondas, e essas formas indicarão seus possíveis estados. Então os quatro possíveis estados conjuntos de dois kaons serão: (quadrado, quadrado), (quadrado, círculo), (círculo, quadrado), (círculo, círculo). A tabela mostra a probabilidade do sistema estar em um dos quatro estados listados. 
Diremos que os kaons são "independentes" se o conhecimento sobre o estado de um deles não nos der informações sobre o estado do outro. E esta tabela tem essa propriedade. Se o primeiro kaon (bolo) for quadrado, ainda não sabemos a forma do segundo. Por outro lado, a forma da segunda não nos diz nada sobre a forma da primeira.
Por outro lado, dizemos que dois kaons estão emaranhados se a informação sobre um melhora nosso conhecimento sobre o outro. A segunda tabuinha nos mostrará um forte emaranhado. Neste caso, se o primeiro kaon for redondo, saberemos que o segundo também é redondo. E se o primeiro kaon for quadrado, o segundo será o mesmo. Conhecendo a forma de um, podemos determinar exclusivamente a forma do outro.
A versão quântica do emaranhamento parece, de fato, a mesma - é uma falta de independência. Na teoria quântica, os estados são descritos por objetos matemáticos chamados funções de onda. As regras que combinam funções de onda com possibilidades físicas dão origem a complexidades muito interessantes, que discutiremos mais adiante, mas o conceito básico de conhecimento emaranhado que demonstramos para o caso clássico permanece o mesmo.
Embora os bolos não possam ser considerados sistemas quânticos, o emaranhamento em sistemas quânticos ocorre naturalmente - por exemplo, após colisões de partículas. Na prática, estados não emaranhados (independentes) podem ser considerados raras exceções, uma vez que as correlações surgem entre eles durante a interação dos sistemas.
Considere, por exemplo, as moléculas. Eles consistem em subsistemas - especificamente, elétrons e núcleos. O estado mínimo de energia de uma molécula, no qual ela geralmente está localizada, é um estado altamente emaranhado de elétrons e um núcleo, uma vez que o arranjo dessas partículas constituintes não será de forma alguma independente. Quando o núcleo se move, o elétron se move com ele.
Vamos voltar ao nosso exemplo. Se escrevermos Φ■, Φ● como funções de onda descrevendo o sistema 1 em seus estados quadrados ou redondos e ψ■, ψ● para funções de onda descrevendo o sistema 2 em seus estados quadrados ou redondos, então em nosso exemplo de trabalho, todos os estados podem ser descritos , Como as:
Independente: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Emaranhado: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
A versão independente também pode ser escrita como:
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Observe como, no último caso, os colchetes separam claramente o primeiro e o segundo sistemas em partes independentes.
Há muitas maneiras de criar estados emaranhados. Uma é medir o sistema composto que fornece informações parciais. É possível saber, por exemplo, que dois sistemas concordaram em ter a mesma forma sem saber qual forma escolheram. Este conceito se tornará importante um pouco mais tarde.
As consequências mais características do emaranhamento quântico, como os efeitos Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) e Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ), surgem de sua interação com outra propriedade da teoria quântica chamada “princípio da complementaridade”. Para discutir EPR e GHZ, deixe-me apresentá-lo primeiro a este princípio.
Até este ponto, imaginamos que os kaons vêm em duas formas (quadrado e redondo). Agora imagine que eles também vêm em duas cores - vermelho e azul. Considerando sistemas clássicos como bolos, essa propriedade adicional significaria que o kaon pode existir em um dos quatro estados possíveis: quadrado vermelho, círculo vermelho, quadrado azul e círculo azul.
Mas bolos quânticos são bolos quânticos... Ou quantons... Eles se comportam de maneira bem diferente. O fato do quanton em algumas situações pode ter forma diferente e cor não significa necessariamente que tenha forma e cor ao mesmo tempo. De fato, o bom senso que Einstein exigia da realidade física não condiz com os fatos experimentais, como veremos em breve.
Podemos medir a forma de um quanton, mas ao fazê-lo perdemos todas as informações sobre sua cor. Ou podemos medir uma cor, mas perder informações sobre sua forma. De acordo com a teoria quântica, não podemos medir a forma e a cor ao mesmo tempo. A visão de ninguém da realidade quântica é completa; é preciso levar em conta muitas imagens diferentes e mutuamente exclusivas, cada uma com sua própria ideia incompleta do que está acontecendo. Esta é a essência do princípio da complementaridade, tal como foi formulado por Niels Bohr.
Como resultado, a teoria quântica nos força a ser cuidadosos ao atribuir propriedades à realidade física. Para evitar controvérsias, deve-se reconhecer que:
Não há propriedade se ela não tiver sido medida.
A medição é um processo ativo que altera o sistema que está sendo medido
Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen (EPR) descreveram o efeito surpreendente que ocorre quando dois sistemas quânticos são emaranhados. O efeito EPR combina uma forma especial e experimentalmente alcançável de emaranhamento quântico com o princípio da complementaridade.
Um par EPR consiste em dois quantons, cada um dos quais pode ser medido em forma ou cor (mas não ambos). Suponha que temos muitos desses pares, eles são todos iguais, e podemos escolher quais medidas fazemos em seus componentes. Se medirmos a forma de um dos membros do par EPR, teremos a mesma probabilidade de obter um quadrado ou um círculo. Se medirmos a cor, com a mesma probabilidade teremos vermelho ou azul.
Efeitos interessantes que pareciam paradoxais ao EPR surgem quando medimos ambos os membros do par. Quando medimos a cor de ambos os membros, ou sua forma, descobrimos que os resultados sempre coincidem. Ou seja, se descobrirmos que um deles é vermelho e depois medirmos a cor do segundo, também descobrimos que é vermelho - e assim por diante. Por outro lado, se medirmos a forma de um e a cor do outro, nenhuma correlação é observada. Ou seja, se o primeiro foi um quadrado, o segundo com a mesma probabilidade pode ser azul ou vermelho.
De acordo com a teoria quântica, obteremos tais resultados mesmo que os dois sistemas estejam separados por uma grande distância e as medições sejam feitas quase simultaneamente. A escolha do tipo de medição em um local parece afetar o estado do sistema em outro lugar. Essa "ação assustadora à distância", como Einstein a chamou, parece exigir a transmissão de informações - no nosso caso, informações sobre a medida tomada - a uma velocidade superior à da luz.
Mas é? Até que eu saiba o resultado que você obteve, não sei o que esperar. eu recebo informação útil quando recebo seu resultado, não quando você faz a medição. E qualquer mensagem contendo o resultado que você recebeu deve ser transmitida de alguma forma física, mais lenta que a velocidade da luz.
Com um estudo mais aprofundado, o paradoxo é ainda mais destruído. Vamos considerar o estado do segundo sistema, se a medição do primeiro deu uma cor vermelha. Se decidirmos medir a cor do segundo quanton, ficamos vermelhos. Mas pelo princípio da complementaridade, se decidirmos medir sua forma quando estiver no estado "vermelho", teremos a mesma chance de obter um quadrado ou um círculo. Portanto, o resultado do EPR é logicamente predeterminado. Esta é apenas uma releitura do princípio da complementaridade.
Não há paradoxo no fato de eventos distantes estarem correlacionados. Afinal, se colocarmos uma das duas luvas de um par em caixas e as enviarmos para diferentes partes do planeta, não é de surpreender que, olhando para uma caixa, eu possa determinar para qual mão a outra luva se destina. Da mesma forma, em todos os casos, a correlação dos pares EPR deve ser fixada neles quando estiverem próximos para que possam suportar a separação posterior como se tivessem memória. A estranheza do paradoxo EPR não está na possibilidade de correlação em si, mas na possibilidade de sua preservação na forma de acréscimos.
Cada experimentador individual recebe resultados aleatórios. Ao medir a forma do quanton, ele obtém um quadrado ou um círculo com igual probabilidade; medindo a cor do quanton, ele fica vermelho ou azul com igual probabilidade. Enquanto tudo está normal.
Mas quando os experimentadores se reúnem e comparam os resultados, a análise revela um resultado surpreendente. Digamos que chamamos uma forma quadrada e cor vermelha de "boa", e círculos e cor azul - "mal". Os experimentadores descobrem que, se dois deles decidirem medir a forma e o terceiro escolher a cor, então 0 ou 2 medidas são "más" (ou seja, redondas ou azuis). Mas se todos os três decidirem medir a cor, então 1 ou 3 medidas são ruins. A mecânica quântica prevê isso, e é exatamente isso que acontece.
Pergunta: A quantidade de mal é par ou ímpar? NO dimensões diferentes ambas as possibilidades são realizadas. Temos que largar essa questão. Não faz sentido falar sobre a quantidade de mal em um sistema sem levar em conta como ele é medido. E isso leva a contradições.
O efeito GHZ, como o físico Sidney Colman descreve, é "um tapa na cara da mecânica quântica". Isso quebra a expectativa habitual e aprendida de que os sistemas físicos têm propriedades predeterminadas independentemente de sua medição. Se este fosse o caso, então o equilíbrio entre o bem e o mal não dependeria da escolha dos tipos de medição. Uma vez que você aceite a existência do efeito GHZ, você não o esquecerá e seus horizontes serão ampliados.
Estamos falando de "histórias emaranhadas" quando é impossível atribuir um determinado estado ao sistema a cada momento. Assim como descartamos possibilidades no emaranhamento tradicional, também podemos criar histórias emaranhadas fazendo medições que coletam informações parciais sobre eventos passados. Nas histórias emaranhadas mais simples, temos um quanton que estudamos em dois momentos diferentes. Podemos imaginar uma situação em que determinamos que a forma do nosso quanton foi quadrada nas duas vezes, ou redonda nas duas vezes, mas ambas as situações permanecem possíveis. Esta é uma analogia quântica temporal para as variantes mais simples de emaranhamento descritas anteriormente.
Usando um protocolo mais complexo, podemos adicionar um pouco de adicionalidade a esse sistema e descrever situações que causam a propriedade de "muitos mundos" da teoria quântica. Nosso quanton pode ser preparado no estado vermelho, e então medido e obtido em azul. E como nos exemplos anteriores, não podemos atribuir permanentemente ao quanton a propriedade de cor no intervalo entre duas dimensões; não tem uma forma definida. Tais histórias realizam, de forma limitada, mas totalmente controlada e precisa, a intuição inerente à imagem dos muitos mundos da mecânica quântica. Um determinado estado pode se dividir em duas trajetórias históricas contraditórias, que então se reconectam.
Erwin Schrödinger, o fundador da teoria quântica, que era cético quanto à sua exatidão, enfatizou que a evolução dos sistemas quânticos leva naturalmente a estados, cuja medição pode fornecer informações extremamente resultados diferentes. Seu experimento mental com o "gato de Schrödinger" postula, como você sabe, a incerteza quântica, levada ao nível de influência na mortalidade felina. Antes da medição, é impossível atribuir a propriedade de vida (ou morte) a um gato. Ambos, ou nenhum, existem juntos em um mundo de possibilidades sobrenatural.
A linguagem cotidiana é inadequada para explicar a complementaridade quântica, em parte porque a experiência cotidiana não a inclui. Os gatos práticos interagem com as moléculas de ar circundantes e outros objetos de maneiras completamente diferentes, dependendo se estão vivos ou mortos, então na prática a medição é automática e o gato continua a viver (ou não vive). Mas as histórias descrevem quantons, que são os gatinhos de Schrödinger, com complexidade. Eles Descrição completa requer que consideremos duas trajetórias de propriedades mutuamente exclusivas.
A realização experimental controlada de histórias emaranhadas é algo delicado, pois requer a coleta de informações parciais sobre os quantons. As medições quânticas convencionais geralmente coletam todas as informações de uma só vez - por exemplo, determinam a forma exata ou a cor exata - em vez de obter informações parciais várias vezes. Mas isso pode ser feito, embora com extremas dificuldades técnicas. Dessa forma, podemos atribuir um certo significado matemático e experimental à difusão do conceito de "muitos mundos" na teoria quântica e demonstrar sua realidade.
