aura czarującej tajemnicy wiąże się z pojęciem kwantowego splątania, a także z (jakoś) powiązanym twierdzeniem, że teoria kwantowa wymaga „wielu światów.”Jednak w końcu są to, lub powinny być, idee naukowe, z powściągliwymi znaczeniami i konkretnymi implikacjami. Tutaj chciałbym wyjaśnić pojęcia uwikłania i wielu światów tak prosto i wyraźnie, jak wiem.

I.

splątanie jest często uważane za zjawisko wyjątkowo kwantowo-mechaniczne, ale tak nie jest., W rzeczywistości oświecające, choć nieco niekonwencjonalne, jest rozważenie najpierw prostej, nie-kwantowej (lub” klasycznej”) wersji splątania. Pozwala nam to oderwać subtelność samego splątania od ogólnej dziwności teorii kwantowej.

Zobacz więcej

Uwikłanie powstaje w sytuacjach, w których mamy częściową wiedzę o stanie dwóch systemów. Na przykład, nasze systemy mogą być dwoma obiektami, które nazwiemy c-ons., „C” ma sugerować „klasyczne”, ale jeśli wolisz mieć coś konkretnego i przyjemnego w umyśle, możesz myśleć o naszych c-onach jak o ciastach.

nasze c-ony występują w dwóch kształtach, kwadratowych lub okrągłych, które identyfikujemy jako ich możliwe Stany. Następnie cztery możliwe Stany wspólne, dla dwóch c-onów, to (kwadrat, kwadrat), (kwadrat, okrąg), (okrąg, kwadrat), (okrąg, okrąg). Poniższe tabele pokazują dwa przykłady prawdopodobieństwa znalezienia systemu w każdym z tych czterech stanów.,

mówimy, że c-ons są „niezależne”, jeśli wiedza o stanie jednego z nich nie daje użytecznych informacji o stanie drugiego. Nasz pierwszy stolik ma tę właściwość. Jeśli pierwszy c-on (lub cake) jest kwadratowy, nadal jesteśmy w ciemności o kształcie drugiego. Podobnie kształt drugiego nie ujawnia niczego użytecznego w kształcie pierwszego.

z drugiej strony mówimy, że nasze dwa c-ony są splątane, gdy informacje o jednym poprawiają naszą wiedzę o drugim. Nasz drugi stół pokazuje skrajne Uwikłanie., W takim przypadku, gdy pierwszy c-on jest okrągły, wiemy, że drugi jest również okrągły. A kiedy pierwsze c-on jest kwadratowy, tak jest drugi. Znając kształt jednego, możemy wywnioskować kształt drugiego z pewnością.

wersja quantum Uwikłanie jest zasadniczo tym samym zjawiskiem—czyli brakiem niezależności. W teorii kwantowej Stany są opisywane przez obiekty matematyczne zwane funkcjami falowymi., Zasady łączące funkcje falowe z prawdopodobieństwem fizycznym wprowadzają bardzo interesujące komplikacje, o których będziemy dyskutować, ale główna koncepcja wiedzy splątanej, którą widzieliśmy już dla prawdopodobieństwa klasycznego, przenosi się.

oczywiście nie zalicza się do układów kwantowych, ale splątanie między układami kwantowymi powstaje naturalnie—na przykład w następstwie zderzeń cząstek. W praktyce, Stany niezwiązane (niezależne) są rzadkimi wyjątkami, ponieważ ilekroć systemy współdziałają, interakcja tworzy korelacje między nimi.,

rozważ na przykład cząsteczki. Są to kompozyty podsystemów, a mianowicie elektronów i jąder. Najniższy stan energetyczny cząsteczki, w którym jest najczęściej spotykany, jest wysoce splątanym stanem jej elektronów i jąder, ponieważ pozycje tych cząstek składowych nie są w żaden sposób niezależne. Gdy jądra poruszają się, elektrony poruszają się wraz z nimi.,

wracając do naszego przykładu: jeśli napiszemy Φ■, Φ● dla funkcji falowych opisujących system 1 w jego kwadratowych lub kołowych stanach i ψ■, ψ● dla funkcji falowych opisujących system 2 w jego kwadratowych lub kołowych Stanach, to w naszym roboczym przykładzie ogólne Stany będą

Niezależne: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + φ● ψ■ + φ● ψ●

splątane: φ■ ψ■ + φ● ψ●

możemy również napisać niezależną wersję jako

(φ■ + φ●)(ψ■ + ψ●)

zauważ, jak w tym sformułowaniu nawiasy wyraźnie oddzielają systemy 1 i 2 w niezależne jednostki.,

istnieje wiele sposobów tworzenia Stanów splątanych. Jednym ze sposobów jest dokonanie pomiaru (złożonego) systemu, który daje częściowe informacje. Możemy dowiedzieć się, na przykład, że oba systemy spiskowały, aby mieć ten sam kształt, nie dowiadując się dokładnie, jaki kształt mają. Ta koncepcja stanie się ważna później.

bardziej charakterystyczne konsekwencje kwantowego splątania, takie jak efekty Einsteina-Podolsky 'ego-Rosena (EPR) i Greenbergera-Horne' a-ZEILINGERA (GHZ), powstają poprzez jego wzajemne oddziaływanie z innym aspektem teorii kwantowej zwanym „komplementarnością.,- Aby utorować drogę do dyskusji na temat EPR i GHZ, pozwolę sobie teraz wprowadzić komplementarność.

wcześniej wyobrażaliśmy sobie, że nasze c-ony mogą mieć dwa kształty (kwadrat i okrąg). Teraz wyobrażamy sobie, że może również wykazywać dwa kolory-czerwony i niebieski. Gdybyśmy mówili o systemach klasycznych, takich jak ciastka, ta dodana właściwość oznaczałaby, że nasze c-ons mogą być w dowolnym z czterech możliwych stanów: czerwony kwadrat, czerwony okrąg, niebieski kwadrat lub niebieski okrąg.,

jednak dla quantum cake—quake, być może, lub (z większą godnością) q-on—sytuacja jest zupełnie inna. Fakt, że q-on może wykazywać, w różnych sytuacjach, różne kształty lub różne kolory, nie musi oznaczać, że posiada zarówno kształt, jak i kolor jednocześnie. W rzeczywistości, ten „zdrowy rozsądek” wniosek, który Einstein nalegał, że powinien być częścią każdego akceptowalnego pojęcia rzeczywistości fizycznej, jest niezgodny z faktami eksperymentalnymi, jak zobaczymy wkrótce.,

możemy zmierzyć kształt naszego q-on, ale w ten sposób tracimy wszystkie informacje o jego kolorze. Albo możemy zmierzyć kolor naszego q-on, ale w ten sposób tracimy wszystkie informacje o jego kształcie. To, czego nie możemy zrobić, zgodnie z teorią kwantową, to zmierzyć jednocześnie jego kształt i kolor. Żaden pogląd na rzeczywistość fizyczną nie oddaje wszystkich jej aspektów; trzeba wziąć pod uwagę wiele różnych, wzajemnie się wykluczających poglądów, z których każdy daje słuszny, ale częściowy wgląd. Jest to serce komplementarności, jak sformułował ją Niels Bohr.,

w konsekwencji teoria kwantowa zmusza nas do ostrożnego przypisywania rzeczywistości fizycznej poszczególnym właściwościom. Aby uniknąć sprzeczności, musimy przyznać, że:

1. właściwość, która nie jest mierzona, nie musi istnieć.
2. pomiar jest aktywnym procesem, który zmienia mierzony system.

II.

teraz opiszę dwa klasyczne—choć dalekie od klasyki!,- ilustracje dziwności teorii kwantowej. Oba zostały sprawdzone w rygorystycznych eksperymentach. (W rzeczywistych eksperymentach ludzie mierzą właściwości takie jak moment pędu elektronów, a nie kształty lub kolory ciast.)

Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen (EPR) opisali zaskakujący efekt, który może powstać, gdy dwa układy kwantowe są splątane. Efekt EPR łączy specyficzną, doświadczalnie realizowaną formę kwantowego splątania z komplementarnością.,

para EPR składa się z dwóch Q-onów, z których każdy może być mierzony zarówno pod względem kształtu, jak i koloru (ale nie dla obu). Zakładamy, że mamy dostęp do wielu takich par, wszystkie identyczne, i że możemy wybrać, jakie pomiary wykonać z ich składników. Jeśli zmierzymy kształt jednego członka pary EPR, okaże się, że jest równie prawdopodobne, aby być kwadratowe lub okrągłe. Jeśli zmierzymy kolor, okaże się, że jest równie prawdopodobne, że będzie czerwony lub niebieski.,

interesujące efekty, które EPR uznał za paradoksalne, powstają, gdy dokonujemy pomiarów obu członów pary. Kiedy mierzymy oba pręty dla koloru lub oba pręty dla kształtu, stwierdzamy, że wyniki Zawsze się zgadzają. Tak więc, jeśli odkryjemy, że jeden jest czerwony, a później zmierzymy kolor drugiego, odkryjemy, że on też jest czerwony itd. Z drugiej strony, jeśli zmierzymy kształt jednego, a następnie kolor drugiego, nie ma korelacji., Tak więc, jeśli pierwszy jest kwadratowy, drugi jest równie prawdopodobne, że będzie czerwony lub niebieski.

uzyskamy, zgodnie z teorią kwantową, te wyniki, nawet jeśli duże odległości rozdzielają oba układy, a pomiary są wykonywane niemal równocześnie. Wybór pomiaru w jednej lokalizacji wydaje się mieć wpływ na stan systemu w drugiej lokalizacji. Ta „straszna akcja na odległość”, jak nazwał ją Einstein, może wydawać się wymagać transmisji informacji — w tym przypadku informacji o tym, jaki pomiar został wykonany — z prędkością szybszą niż prędkość światła.,

ale czy tak? Dopóki nie poznam wyniku, jaki uzyskałeś, Nie wiem, czego się spodziewać. Zdobędę przydatne informacje, gdy poznam wynik, który mierzyłeś, a nie w momencie, w którym go mierzysz. A każda wiadomość ujawniająca wynik, który mierzyłeś, musi być przekazywana w jakiś konkretny fizyczny sposób, wolniejszy (przypuszczalnie) niż prędkość światła.

po głębszym odbiciu paradoks rozpuszcza się dalej. W rzeczy samej, rozważmy ponownie stan drugiego układu, biorąc pod uwagę, że pierwszy został zmierzony jako czerwony., Jeśli zdecydujemy się zmierzyć drugi kolor q-on, na pewno dostaniemy czerwony. Ale jak już wcześniej omówiliśmy, wprowadzając komplementarność, jeśli zdecydujemy się zmierzyć kształt q-on, gdy jest on w stanie „czerwonym”, będziemy mieli równe prawdopodobieństwo znalezienia kwadratu lub okręgu. Tak więc, nie wprowadzając paradoksu, wynik EPR jest logicznie wymuszony. W istocie jest to po prostu przepakowanie komplementarności.

nie jest też paradoksalne stwierdzenie, że odległe wydarzenia są ze sobą skorelowane., Wszakĺľe jeĹ „li poĹ' oĹĽyÄ ‡ kaĹĽdego czĹ 'onka pary rÄ ™ kawiczek w pudełka i wysĹ' aÄ ‡ je na przeciwlegĺ 'E strony ziemi, nie powinno mnie dziwić, ĹĽe zaglądajä … C do wewnÄ … trz jednego z nich moĹĽe okreĹ” liÄ ‡ rÄ ™ kawikä ™ w drugim. Podobnie, we wszystkich znanych przypadkach korelacje między parą EPR muszą być odciśnięte, gdy jej członkowie są blisko siebie, choć oczywiście mogą przetrwać późniejsze rozdzielenie, tak jakby mieli wspomnienia. Ponownie, osobliwością EPR nie jest korelacja jako taka, ale jego możliwe wcielenie w formach uzupełniających.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne i Anton Zeilinger odkryli kolejny genialnie oświecający przykład kwantowego splątania. Składa się z trzech naszych q-onów, przygotowanych w specjalnym, splątanym stanie (stan GHZ). Rozdajemy trzy q-ony trzem odległym eksperymentatorom. Każdy eksperymentator samodzielnie i losowo wybiera, czy mierzy kształt czy kolor, i zapisuje wynik. Eksperyment powtarza się wiele razy, zawsze z trzema Q-onami zaczynającymi się w stanie GHZ.,

każdy eksperymentator, osobno, znajduje maksymalnie losowe wyniki. Kiedy mierzy kształt q-on, jest równie prawdopodobne, aby znaleźć kwadrat lub koło; kiedy mierzy jego kolor, czerwony lub niebieski są równie prawdopodobne. Jak na razie takie przyziemne.

ale później, gdy eksperymentatorzy spotykają się i porównują swoje pomiary, odrobina analizy ujawnia oszałamiający wynik. Nazwijmy kwadratowe kształty i czerwone kolory „dobrymi”, a okrągłe kształty i niebieskie kolory ” złymi.,”Eksperymentatorzy odkrywają, że ilekroć dwóch z nich zdecydowało się zmierzyć kształt, ale trzeci zmierzony kolor, stwierdzili, że dokładnie 0 lub 2 wyniki były” złe ” (to znaczy okrągłe lub niebieskie). Ale kiedy wszyscy trzej zdecydowali się zmierzyć kolor, odkryli, że dokładnie 1 lub 3 Pomiary były złe. To jest to, co przewiduje mechanika kwantowa, i to jest to, co jest obserwowane.

czy ilość zła jest parzysta czy nieparzysta? Obie możliwości są z pewnością realizowane w różnych rodzajach pomiarów. Jesteśmy zmuszeni odrzucić to pytanie., Nie ma sensu mówić o ilości zła w naszym systemie, niezależnie od tego, jak jest ono mierzone. Rzeczywiście, prowadzi to do sprzeczności.

efekt GHZ jest, w słowach fizyka Sidney Coleman, „mechanika kwantowa w twarz.”Demoluje głęboko zakorzenione w codziennym doświadczeniu uprzedzenie, że układy fizyczne mają określone właściwości, niezależnie od tego, czy te właściwości są mierzone. Bo gdyby tak było, wówczas równowaga między dobrem a złem nie byłaby naruszona przez wybory pomiarowe. Po zinternalizowaniu przekaz efektu GHZ jest niezapomniany i poszerza umysł.,

do tej pory zastanawialiśmy się, jak Uwikłanie może uniemożliwić przypisanie unikalnych, niezależnych państw do kilku Q-onów. Podobne rozważania dotyczą ewolucji pojedynczego Q-on w czasie.

mówimy, że mamy „splątane historie”, gdy niemożliwe jest przypisanie określonego stanu naszemu systemowi w każdym momencie w czasie. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego splątania poprzez wyeliminowanie pewnych możliwości, możemy tworzyć splątane historie, dokonując pomiarów, które zbierają częściowe informacje o tym, co się stało., W najprostszych splątanych historiach mamy tylko jedno Q-on, które monitorujemy w dwóch różnych momentach. Możemy sobie wyobrazić sytuacje, w których ustalimy, że kształt naszego q-on był albo kwadratowy w obu przypadkach, albo że był okrągły w obu przypadkach, ale nasze obserwacje pozostawiają obie alternatywy w grze. Jest to kwantowy czasowy Analog najprostszych sytuacji splątania zilustrowanych powyżej.,

używając nieco bardziej rozbudowanego protokołu możemy dodać i definiują sytuacje, które wydobywają „wiele światów” aspekt teorii kwantowej. W ten sposób nasz q-on może być przygotowany w stanie czerwonym we wcześniejszym czasie i mierzony w stanie niebieskim w późniejszym czasie., Podobnie jak w prostych przykładach powyżej, nie możemy konsekwentnie przypisać q-właściwości koloru w czasie pośrednim; ani nie ma on określonego kształtu. Historie tego rodzaju uświadamiają sobie, w ograniczony, ale kontrolowany i precyzyjny sposób, intuicję, która leży u podstaw obrazu wielu światów mechaniki kwantowej. Określony stan może rozgałęziać się na wzajemnie sprzeczne trajektorie historyczne, które później się łączą.,

Erwin Schrödinger, twórca teorii kwantowej, który był głęboko sceptyczny co do jej poprawności, podkreślił, że ewolucja układów kwantowych w naturalny sposób prowadzi do stanów, które można zmierzyć, aby miały rażąco różne właściwości. Jego „kot Schrödingera” stwierdza, słynnie, skalowanie kwantowej niepewności na pytania o śmiertelność kotów. Przed pomiarem, jak widzieliśmy w naszych przykładach, nie można przypisać własności życia (lub śmierci) kotowi. Jedno i drugie—albo żadne-współistnieją w zaświatach możliwości.,

język codzienny nie nadaje się do opisu komplementarności kwantowej, częściowo dlatego, że codzienne doświadczenie go nie napotyka. Praktyczne koty oddziałują z otaczającymi cząsteczkami powietrza, między innymi, na bardzo różne sposoby w zależności od tego, czy są żywe, czy martwe, więc w praktyce pomiar jest dokonywany automatycznie ,a kot kontynuuje swoje życie (lub śmierć). Ale splątane historie opisują q-onyki, które są w prawdziwym sensie kociakami Schrödingera., Ich pełny opis wymaga, w czasach pośrednich, aby wziąć pod uwagę obie dwie sprzeczne własności-trajektorie.

kontrolowana eksperymentalna realizacja splątanych historii jest delikatna, ponieważ wymaga zebrania częściowych informacji o naszym q-on. Konwencjonalne pomiary kwantowe zazwyczaj gromadzą pełne informacje w jednym czasie—na przykład określają określony kształt lub określony kolor—a nie częściowe informacje obejmujące kilka razy. Ale można to zrobić-rzeczywiście, bez wielkich trudności technicznych., W ten sposób możemy nadać definitywne matematyczne i eksperymentalne znaczenie proliferacji „wielu światów” w teorii kwantowej i zademonstrować jej istotność.

oryginalna historia przedrukowana za zgodą Quanta Magazine, niezależnej redakcyjnie publikacji Fundacji Simonsa, której misją jest zwiększenie publicznego zrozumienia nauki poprzez omówienie rozwoju badań i trendów w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.