az elbűvölő rejtély aurája a kvantum összefonódás fogalmához kapcsolódik, valamint a (valahogy) kapcsolódó állításhoz, miszerint a kvantumelmélet “sok világot igényel.”Végül azonban ezek tudományos elképzelések, vagy kell, hogy legyenek, földi jelentéssel és konkrét következményekkel. Itt szeretném elmagyarázni az összefonódás és sok világ fogalmát, olyan egyszerűen és világosan, ahogy tudom, hogyan.

I.

az összefonódást gyakran egyedülállóan kvantummechanikai jelenségnek tekintik, de nem az., Valójában felvilágosító, bár kissé szokatlan, hogy először az összefonódás egyszerű, nem kvantum (vagy “klasszikus”) változatát vesszük figyelembe. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a kvantumelmélet általános furcsaságától eltekintve a összefonódás finomságát feszítsük.

több megtekintése

összefonódás olyan helyzetekben merül fel, amikor részleges ismereteink vannak a két rendszer állapotáról. Például a rendszerünk két objektum lehet, amelyeket C-ons-nak hívunk., A” c “azt jelenti, hogy” klasszikus”, de ha azt szeretné, hogy valami különleges és kellemes szem előtt tartva, akkor úgy gondolja, a c-ons, mint sütemények.

A C-ons jön két formában, négyzet vagy kör alakú, amely azonosítjuk, mint a lehetséges állapotok. Ezután a négy lehetséges közös állapot, két C-ons esetében (négyzet, négyzet), (négyzet, kör), (kör, négyzet), (kör, kör). Az alábbi táblázatok két példát mutatnak arra, hogy milyen valószínűségek lehetnek a rendszer megtalálására mind a négy államban.,

azt mondjuk, hogy a C-ons “független”, ha egyikük állapotának ismerete nem ad hasznos információt a másik állapotáról. Az első asztalunk rendelkezik ezzel a tulajdonsággal. Ha az első C-on (vagy torta) négyzet alakú, még mindig sötétben vagyunk a második alakjáról. Hasonlóképpen, a második alakja nem mutat semmi hasznosat az első alakjáról.

másrészt azt mondjuk, hogy két C-onunk összefonódik, amikor az egyikről szóló információ javítja a másik ismereteit. A második táblázat extrém összefonódást mutat., Ebben az esetben, amikor az első C-on kör alakú, tudjuk, hogy a második is kör alakú. Amikor az első C-on négyzet alakú, akkor a második is. Ismerve az egyik alakját, bizonyosan következtethetünk a másik alakjára.

az összefonódás lényegében ugyanaz a jelenség—vagyis a függetlenség hiánya. A kvantumelméletben az állapotokat hullámfüggvényeknek nevezett matematikai objektumok írják le., A hullámfunkciókat a fizikai valószínűségekkel összekötő szabályok nagyon érdekes szövődményeket vezetnek be, amint azt megbeszéljük, de az összefonódott tudás központi fogalma, amelyet már a klasszikus valószínűségeknél láttunk, átviszi.

természetesen nem számít kvantumrendszernek, de a kvantumrendszerek közötti összefonódás természetesen felmerül—például a részecske-ütközések után. A gyakorlatban az unentangled (Független) Államok ritka kivételek, mert amikor a rendszerek kölcsönhatásba lépnek, az interakció korrelációkat hoz létre közöttük.,

Vegyük például a molekulákat. Ezek alrendszerek kompozitjai, nevezetesen elektronok és magok. A molekula legalacsonyabb energiájú állapota, amelyben általában megtalálható, az elektronok és a magok erősen összefonódott állapota, mivel ezen alkotó részecskék pozíciói semmiképpen sem függetlenek. Ahogy a magok mozognak, az elektronok mozognak velük.,

Vissza a példa: Ha írunk Φ■, Φ● a hullám funkciókat leíró rendszer 1, a négyzet vagy kör alakú államok, valamint ψ■, ψ● a hullám funkciókat leíró rendszer 2 a négyzet vagy kör alakú államokban, majd a munka példa a teljes államok

a Független: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Kusza: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

azt is írja a független változat, mint a

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Megjegyezzük, hogy ebben a készítményben a zárójelben egyértelműen különálló rendszerek 1, 2, független egység.,

a kusza állapotok létrehozásának számos módja van. Ennek egyik módja az, hogy a mérés a (kompozit) rendszer, amely megadja a részleges információkat. Megtanulhatjuk például, hogy a két rendszer összeesküdött, hogy azonos alakú legyen, anélkül, hogy pontosan megtanulnánk, milyen alakjuk van. Ez a koncepció később fontos lesz.

a kvantum-összefonódás jellegzetesebb következményei, mint például az Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) és a Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) hatások, a kvantumelmélet egy másik aspektusával, a “komplementaritással” való kölcsönhatása révén merülnek fel.,”Ahhoz, hogy előkészítsék az utat a vita EPR és GHZ, hadd most bevezetni komplementaritás.

korábban azt gondoltuk, hogy a C-on-OK két alakot (négyzetet és kört) mutathatnak. Most azt képzeljük el, hogy két színt is mutathat—piros és kék. Ha klasszikus rendszerekről, például süteményekről beszélünk, ez a hozzáadott tulajdonság azt jelentené, hogy a C-on-OK négy lehetséges állapotban lehetnek: egy vörös négyzet, egy piros kör, egy kék négyzet vagy egy kék kör.,

mégis egy kvantum torta—a rengés, talán, vagy (több méltósággal) a q-on—a helyzet alapvetően más. Az a tény, hogy a q-on különböző helyzetekben különböző formákat vagy különböző színeket mutathat, nem feltétlenül jelenti azt, hogy egyszerre rendelkezik mind alakkal, mind színnel. Valójában ez a” józan ész ” következtetés, amelyet Einstein ragaszkodott ahhoz, hogy része legyen a fizikai valóság elfogadható fogalmának, összeegyeztethetetlen a kísérleti tényekkel, Amint hamarosan látni fogjuk.,

meg tudjuk mérni a q-on alakját, de ezzel elveszítjük a színével kapcsolatos összes információt. Vagy meg tudjuk mérni a Q-on színét, de ennek során elveszítjük az alakjával kapcsolatos összes információt. Amit a kvantumelmélet szerint nem tehetünk, az mind az alakja, mind a színe egyidejű mérése. A fizikai valóságról senki sem veszi figyelembe minden szempontját; figyelembe kell venni sok különböző, egymást kölcsönösen kizáró nézetet, mindegyik érvényes, de részleges betekintést kínál. Ez a komplementaritás szíve, ahogy Niels Bohr megfogalmazta.,

ennek következtében a kvantumelmélet arra kényszerít bennünket, hogy körültekintően hozzárendeljük a fizikai valóságot az egyes tulajdonságokhoz. Az ellentmondások elkerülése érdekében el kell ismernünk, hogy:

1. egy nem mért tulajdonság nem szükséges.
2. a mérés egy aktív folyamat, amely megváltoztatja a mért rendszert.

II.

most két klasszikust fogok leírni—bár messze a klasszikustól!,- a kvantumelmélet furcsaságának illusztrációi. Mindkettőt szigorú kísérletekben ellenőrizték. (A tényleges kísérletekben az emberek olyan tulajdonságokat mérnek, mint az elektronok szögletes lendülete, nem pedig a sütemények alakjai vagy színei.)

Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen (EPR) leírtak egy megdöbbentő hatást, amely akkor fordulhat elő, ha két kvantumrendszer összefonódik. Az EPR-hatás a kvantum-összefonódás egy speciális, kísérletileg megvalósítható formáját veszi feleségül a komplementaritással.,

az EPR-pár két q-ons-ból áll, amelyek mindegyike mérhető az alakjához vagy a színéhez (de nem mindkettőhöz). Feltételezzük, hogy sok ilyen párhoz férünk hozzá, mind azonosak, és hogy kiválaszthatjuk, hogy mely méréseket kell elvégezni az összetevőikről. Ha az EPR-pár egyik tagjának alakját mérjük, úgy találjuk, hogy ugyanolyan valószínű, hogy négyzet vagy kör alakú. Ha megmérjük a színt, azt találjuk, hogy ugyanolyan valószínű, hogy piros vagy kék.,

az érdekes hatások, amelyeket az EPR paradoxnak tartott, akkor merülnek fel, amikor a pár mindkét tagját mérjük. Amikor mindkét tagot színre mérjük, vagy mindkét tagot alakra, azt találjuk, hogy az eredmények mindig egyetértenek. Így ha azt találjuk, hogy az egyik piros, majd később megmérjük a másik színét, rájövünk, hogy ez is piros, stb. Másrészt, ha megmérjük az egyik alakját, majd a másik színét, nincs összefüggés., Így ha az első négyzet alakú, akkor a második ugyanolyan valószínű, hogy piros vagy kék.

a kvantumelmélet szerint akkor is megkapjuk ezeket az eredményeket, ha nagy távolságok választják el egymástól a két rendszert, és a méréseket szinte egyszerre végezzük el. Úgy tűnik, hogy az egyik helyen történő mérés választása befolyásolja a rendszer állapotát a másik helyen. Ez a” kísérteties cselekvés távolról”, ahogy Einstein nevezte, úgy tűnik, hogy információátvitelt igényel — ebben az esetben információt arról, hogy milyen mérést végeztek — a fénysebességnél gyorsabb sebességgel.,

de vajon? Amíg nem tudom, milyen eredményt ért el, nem tudom, mire számítsak. Hasznos információkat kapok, amikor megtanulom a mért eredményt, nem abban a pillanatban, amikor méred. Minden olyan üzenetet, amely feltárja a mért eredményt, valamilyen konkrét fizikai módon kell továbbítani, lassabban (feltehetően), mint a fénysebesség.

mélyebb reflexió után a paradoxon tovább oldódik. Valóban, vizsgáljuk meg újra a második rendszer állapotát, tekintettel arra, hogy az elsőt pirosnak mértük., Ha úgy döntünk, hogy megmérjük a második q-on színét, akkor biztosan piros lesz. De amint azt korábban tárgyaltuk, a komplementaritás bevezetésekor, ha úgy döntünk, hogy megmérjük a q-on alakját, amikor “piros” állapotban van, akkor egyenlő valószínűséggel találunk egy négyzetet vagy egy kört. Így, messze a paradoxon bevezetésétől, az EPR kimenetele logikusan kényszerül. Ez lényegében egyszerűen a komplementaritás újracsomagolása.

nem paradox, ha azt találjuk, hogy a távoli események korrelálnak., Végül is, ha egy pár kesztyű mindegyik tagját dobozokba teszem, és elküldöm őket a föld másik oldalára, nem szabad meglepődnöm, hogy az egyik doboz belsejébe nézve meg tudom határozni a kesztyű kézfejét a másikban. Hasonlóképpen, minden ismert esetben az EPR-pár közötti összefüggéseket be kell nyomtatni, amikor tagjai közel vannak egymáshoz, bár természetesen túlélhetik a későbbi elválasztást, mintha emlékeik lennének. Ismét az EPR sajátossága nem korreláció, hanem lehetséges kiviteli alakja kiegészítő formákban.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne és Anton Zeilinger újabb fényesen megvilágító példát fedeztek fel a kvantum-összefonódásról. Ez magában foglalja a három q-ons, elő egy speciális, kusza állapotban (a GHZ állam). A három q-ons-t három távoli kísérletezőnek osztjuk szét. Minden kísérletező úgy dönt, függetlenül és véletlenszerűen, hogy az intézkedés alakja vagy színe, és rögzíti az eredményt. A kísérlet többször megismétlődik, mindig a három Q-ons GHZ-es állapotban indul.,

minden kísérletező külön-külön maximálisan véletlenszerű eredményeket talál. Amikor megméri a q-on alakját, ugyanolyan valószínű, hogy négyzetet vagy kört talál; amikor megméri a színét, a piros vagy a kék egyaránt valószínű. Eddig, olyan hétköznapi.

de később, amikor a kísérletezők összeállnak és összehasonlítják a méréseiket, egy kis elemzés lenyűgöző eredményt tár fel. Hívjuk a négyzet alakzatokat és a vörös színeket “jónak”, a kör alakzatokat és a kék színeket “gonosznak”.,”A kísérletezők rájönnek, hogy amikor ketten úgy döntöttek, hogy megmérik az alakot, de a harmadik mért színt, azt találták, hogy pontosan 0 vagy 2 eredmény “gonosz” (azaz körkörös vagy kék). De amikor mindhárman úgy döntöttek, hogy megmérik a színt, azt találták, hogy pontosan 1 vagy 3 mérés gonosz. Ezt jósolja a kvantummechanika, és ez figyelhető meg.

tehát: a gonosz mennyisége páros vagy páratlan? Mindkét lehetőség bizonyosan megvalósul különböző típusú mérésekben. Kénytelenek vagyunk elutasítani a kérdést., Nincs értelme beszélni a gonosz mennyiségéről a rendszerünkben, függetlenül attól, hogy hogyan mérik. Valójában ellentmondásokhoz vezet.

A GHZ-effektus Sidney Coleman fizikus szavaiban: “kvantummechanika az arcodban.”Lebontja a mindennapi tapasztalatokban gyökerező mélyen beágyazott előítéletet, hogy a fizikai rendszerek határozott tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, hogy ezeket a tulajdonságokat mérik-e. Mert ha így lenne, akkor a jó és a rossz közötti egyensúlyt nem befolyásolnák a mérési döntések. Az internalizálás után a GHZ-effektus üzenete felejthetetlen és tudatnövelő.,

IV.

eddig megvizsgáltuk, hogy a összefonódás lehetetlenné teheti az egyedi, Független Államok hozzárendelését több q-ons-hoz. Hasonló megfontolások vonatkoznak az egyetlen q-on időbeli alakulására is.

azt mondjuk, hogy “összefonódott történeteink” vannak, amikor lehetetlen egy meghatározott állapotot hozzárendelni a rendszerünkhöz minden egyes pillanatban. Hasonlóan ahhoz, ahogyan a hagyományos összefonódást bizonyos lehetőségek kiküszöbölésével kaptuk meg, összeakadt történeteket hozhatunk létre olyan mérések elvégzésével, amelyek részleges információkat gyűjtenek a történtekről., A legegyszerűbb összefonódott történetekben csak egy q-on van,amelyet két különböző időpontban figyelünk. El tudjuk képzelni olyan helyzeteket, amikor megállapítjuk, hogy a q-on alakja mindkét alkalommal négyzet alakú volt, vagy hogy mindkét alkalommal kör alakú volt, de megfigyeléseink mindkét alternatívát játékban hagyják. Ez a fent bemutatott legegyszerűbb összefonódási helyzetek kvantum-időbeli analógja.,

egy kissé bonyolultabb protokoll használatával hozzáadhatjuk a ennek a rendszernek a komplementaritásának ráncolása, és olyan helyzetek meghatározása, amelyek a kvantumelmélet “sok világ” aspektusát hozzák létre. Így a q-on lehet készíteni a piros állapotban egy korábbi időpontban, és mért, hogy a kék állapotban egy későbbi időpontban., Mint a fenti egyszerű példákban, nem tudjuk következetesen hozzárendelni a Q-on tulajdonságunkat a színhez közbenső időkben; nincs meghatározó alakja sem. Az ilyen történetek korlátozott, de ellenőrzött és pontos módon felismerik az intuíciót, amely a kvantummechanika sok világképének alapját képezi. Egy határozott állapot kölcsönösen ellentmondásos történelmi pályákba sorolható, amelyek később összejönnek.,

Erwin Schrödinger, a kvantumelmélet alapítója, aki mélyen szkeptikus volt a helyességével kapcsolatban, hangsúlyozta, hogy a kvantumrendszerek evolúciója természetesen olyan állapotokhoz vezet, amelyek mérhetők, hogy nagymértékben eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. “Schrödinger macskája” híresen állítja, hogy a kvantumbizonytalanságot a macska halálozásával kapcsolatos kérdésekre növeli. A mérés előtt, amint azt példáinkban láttuk, az élet (vagy halál) tulajdonát nem lehet hozzárendelni a macskához. Mindkettő—vagy egyik sem-együtt létezik a lehetőségek alvilágán belül.,

a mindennapi nyelv alkalmatlan a kvantum komplementaritás leírására, részben azért, mert a mindennapi tapasztalat nem találkozik vele. A gyakorlati macskák kölcsönhatásba lépnek a környező légmolekulákkal, többek között nagyon különböző módon, attól függően, hogy életben vannak-e vagy halottak, így a gyakorlatban a mérés automatikusan megtörténik, és a macska folytatja életét (vagy halálát). De az összefonódott történetek olyan q-kiegészítőket írnak le, amelyek valódi értelemben Schrödinger kiscicák., Teljes leírásuk közbenső időkben megköveteli, hogy mindkét ellentmondásos tulajdonság-pályát figyelembe vegyük.

az összefonódott történetek ellenőrzött kísérleti megvalósítása kényes, mert megköveteli, hogy részleges információkat gyűjtsünk a q-on – ról. A hagyományos kvantummérések általában egyszerre gyűjtenek teljes információkat—például meghatároznak egy határozott alakot vagy egy határozott színt—, nem pedig többször átívelő részleges információkat. De meg lehet csinálni-valóban, nagy technikai nehézségek nélkül., Ily módon határozott matematikai és kísérleti jelentést adhatunk a “sok világ” elterjedésének a kvantumelméletben, és bizonyíthatjuk annak megalapozottságát.

az eredeti történetet a Quanta magazin, a Simons Alapítvány szerkesztői független kiadványának engedélyével nyomtatták ki, amelynek küldetése a tudomány nyilvános megértésének fokozása a matematika, a fizikai és élettudományok kutatási fejleményeinek és trendjeinek lefedésével.