uma aura de mistério glamoroso se liga ao conceito de entrelaçamento quântico, e também à (de alguma forma) afirmação relacionada que a teoria quântica requer “muitos mundos.”No entanto, no final, essas são, ou devem ser, ideias científicas, com significados terra-a-terra e implicações concretas. Aqui eu gostaria de explicar os conceitos de entrelaçamento e muitos mundos tão simples e claramente quanto eu sei como.

I.

emaranhamento é muitas vezes considerado como um fenômeno único de mecânica quântica, mas não é., Na verdade, é esclarecedor, embora um pouco não convencional, considerar uma simples versão não-quântica (ou “clássica”) de entrelaçamento primeiro. Isso nos permite bisbilhotar a subtileza do entrelaçamento em si, além da estranheza geral da teoria quântica.

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o Emaranhamento surge em situações onde temos conhecimento parcial do estado dos dois sistemas. Por exemplo, nossos sistemas podem ser dois objetos que chamaremos de C-ons., O ” c “é para sugerir” clássico”, mas se você preferir ter algo específico e agradável em mente, você pode pensar em nossos c-ons como bolos.

nossos c-ons vêm em duas formas, quadrada ou circular, que identificamos como seus possíveis estados. Em seguida, os quatro estados conjuntos possíveis, para dois C-ons, são (quadrado, quadrado), (quadrado, círculo), (círculo, quadrado), (círculo, círculo). As tabelas abaixo mostram dois exemplos do que as probabilidades poderiam ser para encontrar o sistema em cada um desses quatro estados.,

dizemos que os c-ons são “independentes” se o conhecimento do Estado de um deles não dá informações úteis sobre o estado do outro. A nossa primeira mesa tem esta propriedade. Se o primeiro c-on (ou bolo) é quadrado, ainda estamos no escuro sobre a forma do segundo. Da mesma forma, a forma do segundo não revela nada útil sobre a forma do primeiro.por outro lado, dizemos que os nossos dois C-ons estão enredados quando a informação sobre um melhora o nosso conhecimento do outro. A nossa segunda mesa demonstra um grande entrelaçamento., Nesse caso, sempre que o primeiro C-on é circular, sabemos que o segundo também é circular. E quando o primeiro C-on é quadrado, o segundo também é. Conhecendo a forma de um, podemos inferir a forma do outro com certeza.

O quantum versão do emaranhamento é, essencialmente, o mesmo fenômeno—isto é, a falta de independência. Na teoria quântica, os estados são descritos por objetos matemáticos chamados funções de onda., As regras que ligam funções de onda A probabilidades físicas introduzem complicações muito interessantes, como iremos discutir, mas o conceito central de conhecimento entrelaçado, que já vimos para probabilidades clássicas, continua.os bolos não contam como sistemas quânticos, claro, mas o entrelaçamento entre sistemas quânticos surge naturalmente—por exemplo, no rescaldo de colisões de partículas. Na prática, estados independentes são raras exceções, pois sempre que os sistemas interagem, a interação cria correlações entre eles.,

Considere, por exemplo, as moléculas. São compostos de subsistemas, nomeadamente elétrons e núcleos. O estado de energia mais baixo de uma molécula, no qual ela é mais usualmente encontrada, é um estado altamente entrelaçado de seus elétrons e núcleos, pois as posições dessas partículas constituintes não são de forma alguma independentes. À medida que os núcleos se movem, os elétrons movem-se com eles.,

Voltando ao nosso exemplo: Se escrevemos Φ■, Φ● para as funções de onda que descrevem o sistema 1 no seu quadrado ou circular estados, e ψ■, ψ● para as funções de onda que descrevem o sistema 2 no seu quadrado ou circular estados, então, em nosso exemplo de trabalho global de estados será

Independente: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Preso: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

podemos também escrever a versão independente como

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Note que, como nesta formulação os parênteses separam claramente os sistemas 1 e 2 em unidades independentes.,

Existem muitas maneiras de criar Estados entrelaçados. Uma maneira é fazer uma medição de seu sistema (composto) que lhe dá informações parciais. Podemos aprender, por exemplo, que os dois sistemas conspiraram para ter a mesma forma, sem aprender exatamente que forma eles têm. Este conceito tornar-se-á importante mais tarde.

as consequências mais distintivas do entrelaçamento quântico, tais como os efeitos Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) e Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), surgem através de sua interação com outro aspecto da teoria quântica chamado de “complementaridade”.,”Para preparar o caminho para a discussão de EPR e GHZ, permitam-me agora introduzir a complementaridade.anteriormente, imaginávamos que os nossos c-ons podiam exibir duas formas (quadrado e círculo). Agora nós imaginamos que ele também pode exibir duas cores—vermelho e azul. Se estivéssemos falando de sistemas clássicos, como bolos, esta propriedade acrescentada implicaria que nossos c-ons poderiam estar em qualquer um dos quatro estados possíveis: um quadrado vermelho, um círculo vermelho, um quadrado azul ou um círculo azul.,

ainda para um bolo quântico—um terremoto, talvez, ou (com mais dignidade) um q-on—a situação é profundamente diferente. O fato de que um q-on pode exibir, em diferentes situações, formas diferentes ou cores diferentes não significa necessariamente que possui tanto uma forma quanto uma cor simultaneamente. De fato, essa inferência de “senso comum”, que Einstein insistiu que deveria fazer parte de qualquer noção aceitável de realidade física, é inconsistente com fatos experimentais, como veremos em breve.,

podemos medir a forma do nosso q-on, mas ao fazê-lo perdemos toda a informação sobre a sua cor. Ou podemos medir a cor do nosso q-on, mas ao fazê-lo perdemos toda a informação sobre a sua forma. O que não podemos fazer, de acordo com a teoria quântica, é medir simultaneamente a sua forma e a sua cor. Nenhuma visão da realidade física captura todos os seus aspectos; deve – se levar em conta muitas visões diferentes, mutuamente exclusivas, cada uma oferecendo uma visão válida, mas parcial. Este é o coração da complementaridade, como Niels Bohr a formulou.,como consequência, a teoria quântica força-nos a ser circunspectos na atribuição da realidade física às propriedades individuais. Para evitar contradições, devemos admitir que:

1. uma propriedade que não é medida não precisa existir.a medição é um processo ativo que altera o sistema que está sendo medido.

II.

Agora, vou descrever duas clássico—embora longe de ser clássica!,ilustrações da estranheza da teoria quântica. Ambos foram verificados em experiências rigorosas. (In the actual experiments, people measure properties like the angular momentum of electrons rather than shapes or colors of cakes.)

Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen (EPR) described a startling effect that can arise when two quantum systems are enredled. O efeito EPR se casa com uma forma específica e experimentalmente realizável de entrelaçamento quântico com complementaridade.,

um par EPR consiste em dois q-ons, cada um dos quais pode ser medido tanto para a sua forma ou para a sua cor (mas não para ambos). Assumimos que temos acesso a muitos desses pares, todos idênticos, e que podemos escolher quais medidas fazer de seus componentes. Se medirmos a forma de um membro de um par EPR, achamos que é igualmente provável que seja quadrado ou circular. Se medirmos a cor, achamos que é igualmente provável que seja vermelho ou azul.,

efeitos interessantes, que APE considerado paradoxal, surgem, quando fazemos medições de ambos os membros do par. Quando medimos ambos os membros para a cor, ou ambos os membros para a forma, descobrimos que os resultados sempre concordam. Assim, se descobrirmos que um é vermelho, e depois medir a cor do outro, descobriremos que ele também é vermelho, e assim por diante. Por outro lado, se medirmos a forma de um, e então a cor do outro, não há correlação., Assim, se o primeiro é quadrado, o segundo é igualmente provável que seja vermelho ou azul.de acordo com a teoria quântica, obteremos esses resultados mesmo que grandes distâncias separem os dois sistemas, e as medições são realizadas quase simultaneamente. A escolha da medição num local parece estar a afectar o estado do sistema no outro local. Esta” ação assustadora a uma distância”, como Einstein a chamou, pode parecer exigir a transmissão de informações — neste caso, informações sobre o que a medição foi realizada — a uma taxa mais rápida do que a velocidade da luz.,mas será? Até saber o resultado que obteve, não sei o que esperar. Ganho informações úteis quando aprendo o resultado que mediste, não no momento em que o Medes. E qualquer mensagem revelando o resultado que você mediu deve ser transmitida de alguma forma física concreta, mais lenta (presumivelmente) do que a velocidade da luz.

após reflexão mais profunda, o paradoxo se dissolve ainda mais. Com efeito, consideremos de novo o estado do segundo sistema, Uma vez que o primeiro foi medido como vermelho., Se escolhermos medir a cor do segundo q-on, vamos certamente ficar vermelhos. Mas como discutimos anteriormente, ao introduzir a complementaridade, se escolhermos medir a forma de um q-on, quando estiver no estado” vermelho”, teremos igual probabilidade de encontrar um quadrado ou um círculo. Assim, longe de introduzir um paradoxo, o resultado do EPR é logicamente forçado. Trata-se, no essencial, apenas de uma reembalagem da complementaridade.

nem é paradoxal descobrir que eventos distantes estão correlacionados., Afinal de contas, se eu colocar cada membro de um par de luvas em caixas, e enviá-los para lados opostos da terra, Eu não deveria ficar surpreso que olhando dentro de um caixa eu posso determinar a handedness da luva na outra. Da mesma forma, em todos os casos conhecidos as correlações entre um par EPR devem ser impressas quando seus membros estão próximos, embora é claro que eles podem sobreviver à separação subsequente, como se tivessem memórias. Mais uma vez, a peculiaridade do EPR não é correlação como tal, mas sua possível incorporação em formas complementares.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne e Anton Zeilinger descobriu outra forma brilhante exemplo esclarecedor de quantum entanglement. Ele envolve três dos nossos q-ons, preparados em um estado especial, enredado (o estado GHZ). Distribuímos os três q-ons a três experimentadores distantes. Cada experimentador escolhe, independentemente e aleatoriamente, se mede a forma ou a cor, e registra o resultado. A experiência é repetida muitas vezes, sempre com os três q-ons começando no estado de GHZ.,

cada experimentador, separadamente, encontra resultados maximalmente aleatórios. Quando ela mede a forma de um q-on, ela é igualmente provável de encontrar um quadrado ou um círculo; quando ela mede sua cor, Vermelho ou azul são igualmente prováveis. Até agora, tão mundano.

mas mais tarde, quando os experimentadores se reúnem e comparam suas medições, um pouco de análise revela um resultado impressionante. Vamos chamar formas quadradas e cores vermelhas de “bom”, e formas circulares e cores azuis de “mau”.,”Os experimentadores descobrem que sempre que dois deles escolheram medir a forma, mas a terceira cor medida, eles descobriram que exatamente 0 ou 2 resultados eram “maus” (ou seja, circulares ou azuis). Mas quando todos os três escolheram medir a cor, eles descobriram que exatamente 1 ou 3 medições eram más. Isso é o que a mecânica quântica prevê, e isso é o que é observado.

So: Is the quantity of evil even or odd? Ambas as possibilidades são realizadas, com certeza, em diferentes tipos de medidas. Somos forçados a rejeitar a pergunta., Não faz sentido falar da quantidade do mal em nosso sistema, independente de como ele é medido. De facto, conduz a contradições.

O efeito GHZ é, nas palavras do físico Sidney Coleman, ” mecânica quântica na sua cara.”Ele destrói um preconceito profundamente embutido, enraizado na experiência cotidiana, que os sistemas físicos têm propriedades definidas, independente de se essas propriedades são medidas. Pois se o fizessem, então o equilíbrio entre o bem e o mal não seria afetado pelas escolhas de medição. Uma vez internalizada, a mensagem do efeito GHZ é inesquecível e expandindo a mente.,

IV.

até agora temos considerado como o entrelaçamento pode tornar impossível atribuir Estados únicos e independentes a vários q-ons. Considerações semelhantes se aplicam à evolução de um único q-on no tempo.

dizemos que temos “histórias enredadas” quando é impossível atribuir um estado definido ao nosso sistema a cada momento no tempo. Da mesma forma que conseguimos o entrelaçamento convencional eliminando algumas possibilidades, podemos criar histórias entrelaçadas fazendo medições que recolhem informação parcial sobre o que aconteceu., Nas histórias mais simples entrelaçadas, temos apenas um q-on, que monitoramos em dois momentos diferentes. Podemos imaginar situações em que determinamos que a forma do nosso q-on era quadrada em ambos os momentos ou que era circular em ambos os momentos, mas que as nossas observações deixam ambas as alternativas em jogo. Este é um análogo Temporal quântico das situações de entrelaçamento mais simples ilustradas acima.,

Usando um pouco mais elaborado protocolo de nós pode adicionar o enrugamento da complementaridade a este sistema, e definem situações que trazem a “muitos mundos” aspectos da teoria quântica. Assim, nosso q-on pode ser preparado no estado vermelho em um tempo mais adiantado, e medido para estar no estado azul em um tempo subseqüente., Como nos exemplos simples acima, não podemos atribuir consistentemente o nosso q-na propriedade da cor em tempos intermediários; nem tem uma forma determinada. Histórias deste tipo percebem, de uma forma limitada, mas controlada e precisa, a intuição que subjaz à imagem de muitos mundos da mecânica quântica. Um estado definido pode se ramificar em trajetórias históricas mutuamente contraditórias que mais tarde se unem.,Erwin Schrödinger, um fundador da teoria quântica que estava profundamente cético de sua correção, enfatizou que a evolução dos sistemas quânticos leva naturalmente a estados que podem ser medidos como tendo propriedades grosseiramente diferentes. Seu “gato Schrödinger” afirma, famosamente, aumentar a incerteza quântica em questões sobre a mortalidade felina. Antes da medição, como vimos em nossos exemplos, não se pode atribuir a propriedade da vida (ou morte) ao gato. Ambos—ou nenhum-coexistem dentro de um submundo de possibilidades.,

a linguagem do dia-a-dia não é adequada para descrever a complementaridade quântica, em parte porque a experiência do dia-a-dia não a encontra. Gatos práticos interagem com moléculas de ar circundantes, entre outras coisas, de maneiras muito diferentes dependendo se eles estão vivos ou mortos, então na prática a medição é feita automaticamente, e o gato continua com sua vida (ou morte). Mas histórias entrelaçadas descrevem q-ons que são, em um sentido real, gatinhos Schrödinger., Sua descrição completa exige, em tempos intermediários, que levemos em conta ambas as duas propriedades contraditórias-trajetórias.

a realização experimental controlada de histórias entrelaçadas é delicada porque requer que coletemos informações parciais sobre o nosso q-on. Medições quânticas convencionais geralmente coletam informações completas em um momento—por exemplo, eles determinam uma forma definida, ou uma cor definida—ao invés de informações parciais abrangendo várias vezes. Mas é possível fazê-lo-sem grandes dificuldades técnicas., Desta forma, podemos dar um significado matemático e experimental definido à proliferação de “muitos mundos” na teoria quântica, e demonstrar sua substancialidade.

original story reprinted with permission from Quanta Magazine, an editorially independent publication of the Simons Foundation whose mission is to enhance public understanding of science by covering research developments and trends in mathematics and the physical and life sciences.