o aură de mister plin de farmec se atașează conceptului de entanglement cuantic și, de asemenea, afirmației (cumva) legate de faptul că teoria cuantică necesită „multe lumi.”Totuși, în cele din urmă, acestea sunt sau ar trebui să fie idei științifice, cu semnificații și implicații concrete. Aici aș dori să explic conceptele de entanglement și multe lumi la fel de simplu și clar cum știu cum.entanglementul este adesea privit ca un fenomen mecanic cuantic unic, dar nu este., De fapt, este edificator, deși oarecum neconvențional, să considerăm mai întâi o versiune simplă non-cuantică (sau „clasică”) a entanglementului. Acest lucru ne permite să extragem subtilitatea entanglementului în sine, în afară de ciudățenia generală a teoriei cuantice.
Entanglement apare în situațiile în care avem doar o cunoaștere parțială a stat de două sisteme. De exemplu, sistemele noastre pot fi două obiecte pe care le vom numi c-ons., „C” este menit să sugereze „clasic”, dar dacă preferați să aveți ceva specific și plăcut în minte, vă puteți gândi la C-on-urile noastre ca prăjituri.c-on – urile noastre au două forme, pătrate sau circulare, pe care le identificăm ca posibile stări. Apoi, cele patru stări comune posibile, pentru două C-on-uri, sunt (pătrat, pătrat), (pătrat, cerc), (cerc, pătrat), (cerc, cerc). Următoarele tabele prezintă două exemple de ceea ce ar putea fi probabilitățile pentru găsirea sistemului în fiecare dintre aceste patru state.,spunem că c-on-urile sunt „independente” dacă cunoașterea stării unuia dintre ele nu oferă informații utile despre starea celuilalt. Prima noastră masă are această proprietate. Dacă primul C-on (sau tort) este pătrat, suntem încă în întuneric cu privire la forma celui de-al doilea. În mod similar, forma celui de-al doilea nu dezvăluie nimic util despre forma primului.pe de altă parte, spunem că cele două c-on-uri sunt încurcate atunci când informațiile despre unul ne îmbunătățesc cunoștințele despre celălalt. Cea de-a doua masă demonstrează o încurcătură extremă., În acest caz, ori de câte ori primul c-on este circular, știm că și al doilea este circular. Și când primul c-on este pătrat, la fel este și al doilea. Cunoscând forma unuia, putem deduce forma celuilalt cu certitudine.
cuantice versiune de entanglement este, în esență, același fenomen—care este, lipsa de independență. În teoria cuantică, stările sunt descrise de obiecte matematice numite funcții de undă., Regulile care leagă funcțiile de undă de probabilitățile fizice introduc complicații foarte interesante, așa cum vom discuta, dar conceptul central al cunoașterii încurcate, pe care l-am văzut deja pentru probabilitățile clasice, se desfășoară.prăjiturile nu sunt considerate sisteme cuantice, desigur, dar încurcarea între sistemele cuantice apare în mod natural—de exemplu, în urma coliziunilor particulelor. În practică, statele neîngrădite (independente) sunt excepții rare, pentru că ori de câte ori sistemele interacționează, interacțiunea creează corelații între ele.,
luați în Considerare, de exemplu, moleculele. Ele sunt compozite ale subsistemelor, și anume electroni și nuclee. Cea mai mică stare de energie a unei molecule, în care se găsește cel mai adesea, este o stare foarte încurcată a electronilor și nucleelor sale, deoarece pozițiile acelor particule constitutive nu sunt în niciun caz independente. Pe măsură ce nucleele se mișcă, electronii se mișcă cu ei.,
Revenind la exemplul nostru: Dacă vom scrie Φ■, Φ● pentru funcțiile de undă ce descriu sistemul 1 în pătrate sau circulare membre, și ψ■, ψ● pentru funcțiile de undă ce descriu sistemul 2 în pătrate sau circulare ale americii, apoi în exemplu de lucru generale ale americii va fi
Independente: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Încurcate: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
putem scrie, de asemenea, independent versiune ca
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Notă cum în această formulă paranteze în mod clar separate de sistemele 1 și 2 în unități independente.,există multe modalități de a crea stări încurcate. O modalitate este de a face o măsurare a sistemului dvs. (compozit) care vă oferă informații parțiale. Putem învăța, de exemplu, că cele două sisteme au conspirat să aibă aceeași formă, fără a învăța exact ce formă au. Acest concept va deveni important mai târziu.consecințele mai distinctive ale entanglementării cuantice, cum ar fi efectele Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) și Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), apar prin interacțiunea sa cu un alt aspect al teoriei cuantice numit „complementaritate.,”Pentru a deschide calea pentru discuții despre EPR și GHZ, permiteți-mi să introduc acum complementaritatea.anterior, ne-am imaginat că c-on-urile noastre ar putea prezenta două forme (pătrat și cerc). Acum ne imaginăm că poate prezenta și două culori-roșu și albastru. Dacă vorbim de sisteme clasice, cum ar fi prăjiturile, această proprietate adăugată ar implica faptul că c-on-urile noastre ar putea fi în oricare dintre cele patru stări posibile: un pătrat roșu, un cerc roșu, un pătrat albastru sau un cerc albastru.,
cu toate acestea, pentru un quantum tort—un cutremur, poate, sau (cu demnitate) q-pe—situația este complet diferită. Faptul că un q-on poate expune, în situații diferite, diferite forme sau culori diferite nu înseamnă neapărat că posedă atât o formă, cât și o culoare simultan. De fapt, acea inferență de” bun simț”, despre care Einstein a insistat că ar trebui să facă parte din orice noțiune acceptabilă a realității fizice, este incompatibilă cu faptele experimentale, așa cum vom vedea în curând.,putem măsura forma q-on-ului nostru, dar în acest fel pierdem toate informațiile despre culoarea sa. Sau putem măsura culoarea q-on-ului nostru, dar în acest sens pierdem toate informațiile despre forma sa. Ceea ce nu putem face, conform teoriei cuantice, este măsurarea atât a formei, cât și a culorii sale simultan. Nici o viziune asupra realității fizice nu surprinde toate aspectele sale; trebuie să țineți cont de multe puncte de vedere diferite, care se exclud reciproc, fiecare oferind o perspectivă valabilă, dar parțială. Aceasta este inima complementarității, așa cum a formulat-o Niels Bohr.,în consecință, teoria cuantică ne obligă să fim circumspecți în atribuirea realității fizice proprietăților individuale. Pentru a evita contradicțiile, trebuie să recunoaștem că:
- o proprietate care nu este măsurată nu trebuie să existe.
- măsurarea este un proces activ care modifică sistemul măsurat.
II.
Acum voi descrie două clasică—deși departe de clasic!,- ilustrații ale ciudățeniei teoriei cuantice. Ambele au fost verificate în experimente riguroase. (În experimentele reale, oamenii măsoară proprietăți precum momentul unghiular al electronilor, mai degrabă decât forme sau culori ale prăjiturilor.Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen (EPR) au descris un efect uimitor care poate apărea atunci când două sisteme cuantice sunt încurcate. Efectul EPR se căsătorește cu o formă specifică, realizabilă experimental de entanglement cuantic cu complementaritatea.,
o pereche EPR este formată din două q-on-uri, Fiecare dintre ele putând fi măsurată fie pentru forma sa, fie pentru culoarea sa (dar nu pentru ambele). Presupunem că avem acces la multe astfel de perechi, toate identice și că putem alege ce măsurători să facem din componentele lor. Dacă măsurăm forma unui membru al unei perechi EPR, găsim că este la fel de probabil să fie pătrat sau circular. Dacă măsurăm culoarea, găsim că este la fel de probabil să fie roșu sau albastru.,
Mai multe Cuante
efecte interesante, care EPR considerat paradoxal, apar atunci când vom face măsurători ale ambilor membri ai perechii. Când măsurăm ambii membri pentru culoare sau ambii membri pentru formă, constatăm că rezultatele sunt întotdeauna de acord. Astfel, dacă descoperim că unul este roșu și mai târziu măsurăm culoarea celuilalt, vom descoperi că și el este roșu și așa mai departe. Pe de altă parte, dacă măsurăm forma unuia și apoi culoarea celuilalt, nu există nicio corelație., Astfel, dacă primul este pătrat, al doilea este la fel de probabil să fie roșu sau să fie albastru.conform teoriei cuantice, vom obține aceste rezultate chiar dacă distanțele mari separă cele două sisteme, iar măsurătorile sunt efectuate aproape simultan. Alegerea măsurătorilor într-o locație pare să afecteze starea sistemului în cealaltă locație. Această” acțiune înfricoșătoare la distanță”, așa cum a numit — o Einstein, ar putea părea să necesite transmiterea informațiilor — în acest caz, informații despre ce măsurare a fost efectuată-cu o viteză mai rapidă decât viteza luminii.,
dar nu-l? Pana nu stiu rezultatul obtinut, nu stiu la ce sa ma astept. Obțin informații utile atunci când aflu rezultatul pe care l-ați măsurat, nu în momentul în care îl măsurați. Și orice mesaj care dezvăluie rezultatul pe care l-ați măsurat trebuie transmis într-un mod fizic concret, mai lent (probabil) decât viteza luminii.
La o reflectare mai profundă, paradoxul se dizolvă în continuare. Într-adevăr, să analizăm din nou starea celui de-al doilea sistem, având în vedere că primul a fost măsurat ca fiind roșu., Dacă alegem să măsurăm culoarea celui de-al doilea q-on, cu siguranță vom obține roșu. Dar, așa cum am discutat mai devreme, atunci când introducem complementaritatea, dacă alegem să măsurăm forma unui q-on, atunci când este în starea „roșie”, vom avea o probabilitate egală de a găsi un pătrat sau un cerc. Astfel, departe de a introduce un paradox, rezultatul EPR este forțat logic. Este, în esență, pur și simplu o reambalare a complementarității.de asemenea, nu este paradoxal să constatăm că evenimentele îndepărtate sunt corelate., La urma urmei, dacă aș pune fiecare membru al unei perechi de mănuși în cutii și le-aș trimite prin poștă în părțile opuse ale pământului, nu ar trebui să fiu surprins că, Uitându-mă în interiorul unei cutii, pot determina mâna mănușii în cealaltă. În mod similar, în toate cazurile cunoscute, corelațiile dintre o pereche EPR trebuie imprimate atunci când membrii săi sunt apropiați, deși, desigur, pot supraviețui separării ulterioare, ca și cum ar avea amintiri. Din nou, particularitatea EPR nu este corelația ca atare, ci posibila întruchipare a acesteia în forme complementare.,
III.
Daniel Greenberger, Michael Horne și Anton Zeilinger descoperit un alt strălucit de iluminare exemplu de entanglement cuantic. Aceasta implică trei dintre q-on-urile noastre, pregătite într-o stare specială, încurcată (starea GHZ). Distribuim cele trei q-on – uri la trei experimentatori îndepărtați. Fiecare experimentator alege, independent și la întâmplare, Dacă măsoară forma sau culoarea și înregistrează rezultatul. Experimentul se repetă de mai multe ori, întotdeauna cu cele trei Q-on-uri care încep în starea GHZ.,fiecare experimentator, separat, găsește rezultate maxim aleatorii. Când măsoară forma unui q-on, este la fel de probabil să găsească un pătrat sau un cerc; când îi măsoară culoarea, roșu sau albastru sunt la fel de probabile. Până acum, atât de banal.dar mai târziu, când experimentatorii se reunesc și își compară măsurătorile, un pic de analiză dezvăluie un rezultat uimitor. Să numim forme pătrate și culori roșii „bune”, iar formele circulare și culorile albastre „rele”.,”Experimentatorii descoperă că ori de câte ori doi dintre ei au ales să măsoare forma, dar a treia culoare măsurată, au descoperit că exact 0 sau 2 rezultate au fost „rele” (adică circulare sau albastre). Dar când toți trei au ales să măsoare culoarea, au descoperit că exact 1 sau 3 măsurători erau rele. Asta prezice mecanica cuantică și asta se observă.
Deci: Este cantitatea de rele par sau impar? Ambele posibilități sunt realizate, cu certitudine, în diferite tipuri de măsurători. Suntem forțați să respingem întrebarea., Nu are sens să vorbim despre cantitatea de rău din sistemul nostru, independent de modul în care este măsurat. Într-adevăr, duce la contradicții.efectul GHZ este, în cuvintele fizicianului Sidney Coleman, ” mecanica cuantică în fața ta.”Demolează un prejudiciu profund încorporat, înrădăcinat în experiența de zi cu zi, că sistemele fizice au proprietăți definite, indiferent dacă aceste proprietăți sunt măsurate. Căci dacă ar face – o, atunci echilibrul dintre bine și rău nu ar fi afectat de alegerile de măsurare. Odată internalizat, mesajul efectului GHZ este de neuitat și se extinde mintea.,până în prezent, am analizat modul în care încurcarea poate face imposibilă atribuirea unor state unice, independente mai multor q-on-uri. Considerații similare se aplică evoluției unui singur q-on în timp.
spunem că avem „istorii încurcate” atunci când este imposibil să atribuim o stare definită sistemului nostru în fiecare moment în timp. Similar cu modul în care am obținut încurcarea convențională prin eliminarea unor posibilități, putem crea istorii încurcate făcând măsurători care adună informații parțiale despre cele întâmplate., În cele mai simple istorii încurcate, avem doar un q-on, pe care îl monitorizăm în două momente diferite. Ne putem imagina situații în care determinăm că forma q-on-ului nostru a fost fie pătrată în ambele momente, fie că a fost circulară în ambele momente, dar că observațiile noastre lasă ambele alternative în joc. Acesta este un analog temporal cuantic al celor mai simple situații de încurcătură ilustrate mai sus.,
Folosind un pic mai elaborat protocolul putem adăuga rid de complementaritate la acest sistem, și de a defini situațiile care aduce „mai multe lumi” aspect al teoriei cuantice. Astfel, q-on-ul nostru ar putea fi pregătit în starea roșie la un moment mai devreme și măsurat pentru a fi în starea albastră la un moment ulterior., Ca și în exemplele simple de mai sus, nu putem atribui în mod constant q- – ul nostru pe proprietatea culorii la momente intermediare; nici nu are o formă determinată. Istorii de acest fel realizează, într-un mod limitat, dar controlat și precis, intuiția care stă la baza imaginii multor lumi a mecanicii cuantice. O stare definită se poate ramifica în traiectorii istorice reciproc contradictorii, care ulterior se reunesc.,Erwin Schrödinger, un fondator al teoriei cuantice care a fost profund sceptic față de corectitudinea sa, a subliniat că evoluția sistemelor cuantice conduce în mod natural la stări care ar putea fi măsurate pentru a avea proprietăți extrem de diferite. „Pisica lui Schrödinger” afirmă, faimos, că mărește incertitudinea cuantică în întrebări despre mortalitatea felină. Înainte de măsurare, așa cum am văzut în exemplele noastre, nu se poate atribui proprietatea vieții (sau a morții) pisicii. Ambele-sau nici una-coexistă într-o lume inferioară a posibilităților.,
limbajul de zi cu Zi este bolnav potrivit pentru a descrie cuantice complementaritate, în parte pentru că experiența de zi cu zi nu-l întâlni. Pisicile practice interacționează cu moleculele de aer din jur, printre altele, în moduri foarte diferite, în funcție de faptul dacă sunt vii sau moarte, astfel încât, în practică, măsurarea se face automat, iar pisica își continuă viața (sau moartea). Dar istorii încurcate descriu q-on-uri care sunt, într-un sens real, pisoi Schrödinger., Descrierea lor completă necesită, la momente intermediare, să luăm în considerare ambele două traiectorii de proprietate contradictorii.realizarea experimentală controlată a istoriilor încurcate este delicată, deoarece necesită să adunăm informații parțiale despre q-on-ul nostru. Măsurătorile cuantice convenționale adună, în general, informații complete la un moment dat—de exemplu, ele determină o formă definită sau o culoare definită—mai degrabă decât informații parțiale care se întind de mai multe ori. Dar se poate face—într-adevăr, fără mari dificultăți tehnice., În acest fel, putem da o semnificație matematică și experimentală definită proliferării „multor lumi” în teoria cuantică și să demonstrăm fundamentalitatea acesteia.povestea originală retipărită cu permisiunea revistei Quanta, o publicație editorială independentă a Fundației Simons a cărei misiune este de a spori înțelegerea publică a științei prin acoperirea evoluțiilor și tendințelor de cercetare în matematică și științele fizice și ale vieții.