auru okouzlující tajemství se váže k pojmu kvantové zapletení, a také (nějak) souvisí tvrzení, že kvantová teorie vyžaduje „mnoha světů.“Ale nakonec to jsou, nebo by měly být, vědecké myšlenky, s významy na zemi a konkrétními důsledky. Zde bych chtěl vysvětlit pojmy zapletení a mnoho světů tak jednoduše a jasně, jak vím.

i.

zapletení je často považováno za jedinečně kvantově mechanický jev, ale není., Ve skutečnosti je poučné, i když poněkud nekonvenční, nejprve zvážit jednoduchou nekvantovou (nebo „klasickou“) verzi zapletení. To nám umožňuje vypáčit jemnost zapletení sama na rozdíl od obecné zvláštnosti kvantové teorie.

Zobrazit více

Zapletení vzniká v situacích, kdy máme dílčí poznatky o stavu obou systémů. Například naše systémy mohou být dva objekty, které budeme nazývat C-ons., „C „má naznačovat“ klasické“, ale pokud byste chtěli mít na mysli něco konkrétního a příjemného, můžete myslet na naše c-ons jako koláče.

naše C-ons přicházejí ve dvou tvarech, čtvercové nebo kruhové, které identifikujeme jako jejich možné stavy. Pak čtyři možné společné stavy, pro dva C-ons, jsou (čtverec, čtverec), (čtverec, kruh), (kruh, čtverec), (kruh, kruh). Následující tabulky ukazují dva příklady toho, jaké pravděpodobnosti by mohly být pro nalezení systému v každém z těchto čtyř stavů.,

říkáme, že C-ons jsou „nezávislé“, pokud znalost stavu jednoho z nich neposkytuje užitečné informace o stavu druhého. Náš první stůl má tuto vlastnost. Pokud je první c-on (nebo dort) čtvercový, jsme stále ve tmě o tvaru druhého. Podobně tvar druhého neodhaluje nic užitečného o tvaru prvního.

na druhou stranu říkáme, že naše dva C-ons jsou zapletené, když informace o jednom zlepšují naše znalosti o druhém. Naše druhá tabulka ukazuje extrémní zapletení., V tom případě, kdykoli je první C-on Kruhový, víme, že druhý je také kruhový. A když je první c-on čtvercový, tak je druhý. Známe-li tvar jednoho, můžeme s jistotou odvodit tvar druhého.

kvantové verze zápletka je v podstatě stejný jev—to znamená, že nedostatek nezávislosti. V kvantové teorii jsou stavy popsány matematickými objekty nazývanými vlnové funkce., Pravidla připojení vlnové funkce na fyzické pravděpodobnosti představit velmi zajímavé komplikace, jak budeme diskutovat, ale centrální koncept provázaných znalostí, které jsme viděli již u klasické pravděpodobnosti, se přenáší.

dorty se samozřejmě nepočítají jako kvantové systémy, ale zapletení mezi kvantovými systémy vzniká přirozeně—například v důsledku kolizí částic. V praxi jsou unentangled (nezávislé) stavy vzácnými výjimkami, protože kdykoli systémy interagují, interakce mezi nimi vytváří korelace.,

Vezměme si například, molekuly. Jsou to kompozity subsystémů, jmenovitě elektrony a jádra. Nejnižší energetický stav molekuly, ve kterém se nejčastěji vyskytuje, je vysoce zapletený stav jeho elektronů a jader, protože pozice těchto částic nejsou v žádném případě nezávislé. Jak se jádra pohybují, elektrony se s nimi pohybují.,

Návrat k našemu příkladu: Pokud budeme psát Φ■, Φ● pro vlnové funkce popisující systém 1 ve své čtvercové nebo kruhové státy, a ψ■, ψ● pro vlnové funkce popisující systém 2 v jeho čtvercový nebo kruhový státy, pak v naší práci například celkový státy budou

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

Zapletený: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

můžeme také napsat, nezávislé verzi jako

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Všimněte si, jak v této formulaci závorky jasně oddělených systémů 1 a 2 do nezávislých jednotek.,

existuje mnoho způsobů, jak vytvořit zapletené stavy. Jedním ze způsobů je provést měření vašeho (kompozitního) systému, který vám poskytne částečné informace. Můžeme se například naučit, že oba systémy se spikly, aby měly stejný tvar, aniž by se přesně naučily, jaký tvar mají. Tento koncept se stane důležitým později.

více charakteristické důsledky kvantové zapletení, jako Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) a Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) účinky, které vznikají prostřednictvím jeho interakce s další aspekt kvantové teorie nazývá „komplementarity.,“Abych připravil cestu k diskusi o EPR a GHZ, dovolte mi nyní představit komplementaritu.

dříve jsme si představovali, že naše C-ons by mohly vykazovat dva tvary (čtverec a kruh). Nyní si představujeme, že může také vykazovat dvě barvy—červenou a modrou. Pokud mluvíme o klasické systémy, jako jsou koláče, tato přidaná vlastnost by znamenalo, že naše c-ons může být v jakémkoli ze čtyř možných stavů: červený čtverec, červený kruh, modrý čtverec nebo modrý kruh.,

Ještě pro kvantové dort—zemětřesení, možná, nebo (s větší důstojností) q-na—situace je úplně jiná. Skutečnost, že q-on může v různých situacích vykazovat různé tvary nebo různé barvy, nemusí nutně znamenat, že má současně tvar i barvu. Ve skutečnosti, že „zdravý rozum“ závěr, který Einstein trval na tom, by měl být součástí jakéhokoli přijatelného pojmu fyzické reality, je v rozporu s experimentálními fakty, jak brzy uvidíme.,

můžeme měřit tvar našeho q-on, ale tím ztrácíme všechny informace o jeho barvě. Nebo můžeme měřit barvu našeho q-on, ale tím ztrácíme všechny informace o jeho tvaru. To, co podle kvantové teorie nemůžeme udělat, je měřit jak jeho tvar, tak jeho barvu současně. Nikdo pohled na fyzickou realitu nezachycuje všechny její aspekty; je třeba vzít v úvahu mnoho různých, vzájemně se vylučujících názorů, z nichž každý nabízí platný, ale částečný vhled. To je srdce komplementarity, jak to formuloval Niels Bohr.,

v důsledku toho nás kvantová teorie nutí být obezřetná při přiřazování fyzické reality jednotlivým vlastnostem. Abychom se vyhnuli rozporům, musíme připustit, že:

1. vlastnost, která není měřena, nemusí existovat.měření
2. je aktivní proces, který mění měřený systém.

II.

Teď jsem se popsat dvě klasické—i když daleko od klasické!,- ilustrace podivnosti kvantové teorie. Oba byli zkontrolováni v přísných experimentech. (Ve skutečných experimentech lidé měří vlastnosti, jako je úhlová hybnost elektronů, spíše než tvary nebo barvy koláčů.)

Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen (EPR) popsal překvapivý efekt, který může nastat, když se dva kvantové systémy jsou provázané. EPR efekt si vezme specifickou, experimentálně realizovatelnou formu kvantového zapletení s komplementaritou.,

pár EPR se skládá ze dvou Q-ons, z nichž každý může být měřen buď pro svůj tvar, nebo pro jeho barvu (ale ne pro oba). Předpokládáme, že máme přístup k mnoha takovým párům, všechny identické, a že si můžeme vybrat, která měření provedou jejich komponenty. Pokud změříme tvar jednoho člena páru EPR, zjistíme, že je stejně pravděpodobné, že bude čtvercový nebo kruhový. Pokud změříme barvu, zjistíme, že je stejně pravděpodobné, že bude červená nebo modrá.,

zajímavé efekty, které EPR považovat za paradoxní, vznikají, když jsme se provádět měření obou členů dvojice. Když změříme oba členy na barvu, nebo oba členové na tvar, zjistíme, že výsledky vždy souhlasí. Pokud tedy zjistíme, že jeden je červený a později změříme barvu druhého, zjistíme, že je také červený a tak dále. Na druhou stranu, pokud změříme tvar jednoho a pak barvu druhého, neexistuje žádná korelace., Pokud je tedy první čtvercový, druhý je stejně pravděpodobné, že bude červený nebo modrý.

podle kvantové teorie získáme tyto výsledky, i když velké vzdálenosti oddělují dva systémy a měření se provádějí téměř současně. Zdá se, že volba měření na jednom místě ovlivňuje stav systému na druhém místě. Zdá se, že tato „strašidelná akce na dálku“, jak ji nazval Einstein, vyžaduje přenos informací — v tomto případě informací o tom, jaké měření bylo provedeno — rychlostí rychlejší než rychlost světla.,

ale dělá to? Dokud nepoznám výsledek, který jste získal, nevím, co očekávat. Získávám užitečné informace, když se dozvím výsledek, který jste změřili, ne v okamžiku, kdy jej změříte. A jakákoli zpráva odhalující výsledek, který jste měřili, musí být přenášena nějakým konkrétním fyzickým způsobem, pomaleji (pravděpodobně) než rychlost světla.

při hlubším zamyšlení se paradox dále rozpouští. Podívejme se opět na stav druhého systému, vzhledem k tomu, že první byl měřen jako červený., Pokud se rozhodneme změřit barvu druhého q-on, určitě se zčervená. Ale jak jsme diskutovali dříve, při zavádění komplementarity, pokud se rozhodneme měřit tvar q-on, když je v „červeném“ stavu, budeme mít stejnou pravděpodobnost, že najdeme čtverec nebo kruh. Daleko od zavedení paradoxu je tedy výsledek EPR logicky vynucen. Je to v podstatě jen přebalení komplementarity.

není ani paradoxní zjistit, že vzdálené události jsou korelovány., Koneckonců, když dám každého člena dvojice rukavic do krabic a pošlu je na opačné strany země, neměl bych být překvapen, že při pohledu do jedné krabice mohu určit handedness rukavice v druhé. Podobně, ve všech známých případech korelace mezi EPR páru musí být potiskem, kdy se její členové jsou blízko u sebe, i když samozřejmě mohou přežít následné odloučení, jako by měli vzpomínky. Opět platí, že zvláštností EPR není korelace jako taková, ale její možné provedení v komplementárních formách.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne a Anton Zeilinger objevil další brilantně osvětluje příklad kvantové zapletení. Zahrnuje tři naše q-ons, připravené ve zvláštním, zapleteném stavu (stav GHZ). Tři q-ons distribuujeme třem vzdáleným experimentátorům. Každý experimentátor si nezávisle a náhodně vybere, zda změří tvar nebo barvu, a zaznamenává výsledek. Experiment se opakuje mnohokrát, vždy se třemi Q-ons začínajícími ve stavu GHZ.,

každý experimentátor Samostatně najde maximálně náhodné výsledky. Když měří tvar q-on, je stejně pravděpodobné, že najde čtverec nebo kruh; když měří jeho barvu, červená nebo modrá jsou stejně pravděpodobné. Zatím tak všední.

ale později, když se experimentátoři spojí a porovnají svá měření, trochu analýzy odhalí ohromující výsledek. Říkejme čtvercové tvary a červené barvy “ dobré „a kruhové tvary a modré barvy“ zlo.,“Experimentátoři zjistí, že kdykoli se dva z nich rozhodli měřit tvar, ale třetí měřenou barvu, zjistili, že přesně 0 nebo 2 výsledky jsou“ zlé “ (tj. Ale když se všichni tři rozhodli měřit barvu, zjistili, že přesně 1 nebo 3 měření byla zlá. To je to, co kvantová mechanika předpovídá, a to je to, co je pozorováno.

takže: je množství zla sudé nebo liché? Obě možnosti jsou s jistotou realizovány v různých druzích měření. Jsme nuceni tuto otázku odmítnout., Nemá smysl mluvit o množství zla v našem systému, nezávisle na tom, jak se měří. Ve skutečnosti to vede k rozporům.

efekt GHZ je podle slov fyzika Sidneyho Colemana “ kvantová mechanika ve vaší tváři.“Demoluje hluboce zakořeněný předsudek, zakořeněný v každodenní zkušenosti, že fyzikální systémy mají určité vlastnosti, nezávisle na tom, zda jsou tyto vlastnosti měřeny. Pokud by to udělali, pak by rovnováha mezi dobrem a zlem nebyla ovlivněna měřením možností. Po internalizaci je zpráva efektu GHZ nezapomenutelná a rozšiřuje mysl.,

IV.

zatím jsme uvažovali o tom, jak zapletení může znemožnit přiřazení jedinečných nezávislých států několika Q-ons. Podobné úvahy se vztahují na vývoj jediného q-on v čase.

říkáme, že máme „zapletené historie“, když není možné přiřadit určitý stav našemu systému v každém okamžiku. Podobně jako jsme dostali konvenční zapletení odstraněním některých možností, můžeme vytvořit zapletené historie měřením, která shromažďují částečné informace o tom, co se stalo., V nejjednodušších zápletkách máme jen jeden q-on, který sledujeme ve dvou různých časech. Můžeme si představit situace, kdy zjistíme, že tvar našeho q-buď náměstí v obou případech, nebo že to byla kruhová, v obou případech, ale že naše připomínky nechat obě alternativy ve hře. Jedná se o kvantový časový Analog nejjednodušších situací zapletení ilustrovaných výše.,

Pomocí mírně propracovanější protokolu můžeme přidat vrásek na doplňování tohoto systému, a definovat situace, které přinášejí z „mnoha světů“ aspekt kvantové teorie. Náš q-on by tedy mohl být připraven v červeném stavu dříve a měřen tak, aby byl v modrém stavu v následujícím čase., Stejně jako v jednoduchých příkladech výše, nemůžeme důsledně přiřadit naši Q-on vlastnost barvy v mezičasech; ani nemá určitý tvar. Historie tohoto druhu si v omezeném, ale řízeném a přesném způsobu uvědomují intuici, která je základem mnoha světů kvantové mechaniky. Určitý stav se může rozdělit do vzájemně protichůdných historických trajektorií, které se později spojí.,

Erwin Schrödinger, jeden ze zakladatelů kvantové teorie, který byl hluboce skeptický o jeho správnosti, zdůraznil, že vývoj kvantové systémy přirozeně vede ke státům, které by mohly být měřena mít výrazně odlišný vlastnosti. Jeho „Schrödingerova kočka“, proslule, zvětšuje kvantovou nejistotu na otázky týkající se úmrtnosti koček. Před měřením, jak jsme viděli v našich příkladech, nelze kočce přiřadit vlastnost života (nebo smrti). Obojí—nebo ani jedno-koexistuje v rámci podsvětí možností.,

Každodenní jazyk je nemocný hodí k popisu kvantové komplementarity, zčásti proto, že každodenní zkušenost není s ním setkat. Praktické kočky interakci s okolními molekulami vzduchu, mimo jiné, ve velmi různými způsoby, v závislosti na tom, zda jsou živí nebo mrtví, takže v praxi měření bude provedena automaticky, a kočka dostane na jeho životě (nebo smrti). Ale zapletené historie popisují q-ons, které jsou ve skutečném smyslu Schrödingerova koťata., Jejich úplný popis vyžaduje, v mezičasech, že vezmeme v úvahu obě dvě protichůdné trajektorie majetku.

řízená experimentální realizace zapletených dějin je choulostivá, protože vyžaduje, abychom shromáždili částečné informace o našem q-on. Konvenční kvantová měření obvykle shromažďují úplné informace najednou—například určují určitý tvar nebo určitou barvu-spíše než částečné informace překlenující několikrát. Ale to může být provedeno-opravdu, bez velkých technických obtíží., Tímto způsobem můžeme dát určitý matematický a experimentální význam šíření“ mnoha světů “ v kvantové teorii a prokázat její podstatnost.

Originální příběh přetištěn se svolením z Quanta Magazine, redakčně nezávislé zveřejnění Simons Foundation, jehož posláním je zvýšit povědomí veřejnosti o vědě, zahrnující výzkum, vývoj a trendy v matematice a fyzikálních a biologických věd.