en aura av glamorösa mysterium fäster begreppet quantum entanglement, och även den (på något sätt) relaterade påståendet att kvantteori kräver ”många världar.”Men i slutändan är eller borde vara vetenskapliga idéer, med jordnära betydelser och konkreta konsekvenser. Här vill jag förklara begreppen entanglement och många världar så enkelt och tydligt som jag vet hur.

I.

Entanglement betraktas ofta som ett unikt kvantmekaniskt fenomen, men det är det inte., Faktum är att det är upplysande, men något okonventionellt, att överväga en enkel icke-quantum (eller ”klassisk”) version av entanglement först. Detta gör det möjligt för oss att bända subtilitet av sammanflätning sig bortsett från den allmänna oddity kvantteori.

Visa mer

sammanflätning uppstår i situationer där vi har partiell kunskap om tillståndet för två system. Till exempel kan våra system vara två objekt som vi kallar C-ons., ”C” är tänkt att föreslå ”klassisk”, men om du föredrar att ha något specifikt och trevligt i åtanke, kan du tänka på våra C-ons som kakor.

våra C-ons finns i två former, kvadratiska eller cirkulära, som vi identifierar som möjliga tillstånd. Därefter är de fyra möjliga gemensamma tillstånden, för två C-ons, (kvadrat, kvadrat), (kvadrat, cirkel), (cirkel, kvadrat), (cirkel, cirkel). Följande tabeller visar två exempel på vad sannolikheten kan vara för att hitta systemet i var och en av dessa fyra stater.,

vi säger att C-ons är ”oberoende” om kunskap om tillståndet för en av dem inte ger användbar information om tillståndet för den andra. Vårt första bord har den här egenskapen. Om den första C-on (eller kakan) är kvadratisk, är vi fortfarande i mörkret om formen på den andra. På samma sätt avslöjar formen på den andra inte något användbart om den första formen.

å andra sidan säger vi att våra två C-ons är intrasslade när information om en förbättrar vår kunskap om den andra. Vårt andra bord visar extrem entanglement., I så fall, när den första C-on är cirkulär, vet vi att den andra är cirkulär också. Och när den första C-on är kvadratisk, så är den andra. Att veta formen av en, kan vi dra slutsatsen att den andra formen med säkerhet.

kvantversionen av entanglement är i huvudsak samma fenomen—det vill säga brist på självständighet. I kvantteori beskrivs tillstånd av matematiska objekt som kallas vågfunktioner., Reglerna som förbinder vågfunktioner till fysiska sannolikheter introducerar mycket intressanta komplikationer, som vi kommer att diskutera, men det centrala begreppet intrasslad kunskap, som vi redan har sett för klassiska sannolikheter, bär över.

kakor räknas naturligtvis inte som kvantsystem, men sammanflätning mellan kvantsystem uppstår naturligt—till exempel i efterdyningarna av partikelkollisioner. I praktiken är unentangled (oberoende) stater sällsynta undantag, för när system interagerar skapar interaktionen korrelationer mellan dem.,

överväga till exempel molekyler. De är kompositer av delsystem, nämligen elektroner och kärnor. En molekyls lägsta energitillstånd, där det oftast finns, är ett mycket intrasslat tillstånd av dess elektroner och kärnor, för positionerna för de ingående partiklarna är inte på något sätt oberoende. När kärnorna rör sig rör elektronerna sig med dem.,

för att Återvända till vårt exempel: Om vi skriver Φ■, Φ● för våg funktioner som beskriver system 1, som i sin fyrkantiga eller runda stater, och ψ■, ψ● för våg funktioner som beskriver system 2 i sin fyrkantiga eller runda staterna, sedan i vår fungerande exempel den totala stater kommer att få

Oberoende: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Intrasslad: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Vi kan också skriva oberoende version

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Notera att det i denna formulering parentes tydligt separata system 1 och 2 i självständiga enheter.,

det finns många sätt att skapa intrasslade tillstånd. Ett sätt är att göra en mätning av ditt (komposit) system som ger dig partiell information. Vi kan till exempel lära oss att de två systemen har konspirerat för att ha samma form, utan att lära oss exakt vilken form de har. Detta koncept kommer att bli viktigt senare.

de mer distinkta konsekvenserna av kvantförflyttning, såsom Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) och Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) effekter, uppstår genom sitt samspel med en annan aspekt av kvantteori som kallas ”komplementaritet.,”För att bana väg för diskussion om EPR och GHZ, låt mig nu införa komplementaritet.

tidigare föreställde vi oss att våra C-ons kunde uppvisa två former (kvadrat och cirkel). Nu föreställer vi oss att det också kan uppvisa två färger-rött och blått. Om vi talade om klassiska system, som kakor, skulle denna extra egenskap innebära att våra C-ons skulle kunna vara i något av fyra möjliga stater: en röd fyrkant, en röd cirkel, En blå fyrkant eller en blå cirkel.,

ännu för en kvantkaka—en quake, kanske, eller (med mer värdighet) en q-on—situationen är djupt annorlunda. Det faktum att en q-on kan uppvisa, i olika situationer, olika former eller olika färger betyder inte nödvändigtvis att den har både en form och en färg samtidigt. Faktum är att den” sunt förnuft ” inferensen, som Einstein insisterade på, borde vara en del av en acceptabel uppfattning om fysisk verklighet, är oförenlig med experimentella fakta, som vi snart ser.,

Vi kan mäta formen på vår q-on, men på så sätt förlorar vi all information om dess färg. Eller vi kan mäta färgen på vår q-on, men på så sätt förlorar vi all information om dess form. Vad vi inte kan göra, enligt kvantteori, är att mäta både dess form och dess färg samtidigt. Ingen syn på fysisk verklighet fångar alla dess aspekter; man måste ta hänsyn till många olika, ömsesidigt exklusiva åsikter, var och en erbjuder giltig men partiell insikt. Detta är komplementaritetens hjärta, som Niels Bohr formulerade det.,

som en konsekvens tvingar kvantteorin oss att vara försiktiga när vi tilldelar fysisk verklighet till enskilda egenskaper. För att undvika motsägelser måste vi erkänna att:

1. en egenskap som inte mäts behöver inte existera.
2. mätning är en aktiv process som förändrar systemet som mäts.

II.

nu kommer jag att beskriva två klassiska—men långt ifrån klassiska!,- illustrationer av kvantteorins egendomlighet. Båda har kontrollerats i rigorösa experiment. (I de faktiska experimenten mäter människor egenskaper som elektronernas vinkelmoment snarare än former eller färger av kakor.)

Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen (EPR) beskrev en häpnadsväckande effekt som kan uppstå när två kvantsystem är intrasslade. EPR-effekten gifter sig med en specifik, experimentellt realiserbar form av quantum entanglement med komplementaritet.,

ett EPR-par består av två Q-ons, som var och en kan mätas antingen för sin form eller för sin färg (men inte för båda). Vi antar att vi har tillgång till många sådana par, alla identiska, och att vi kan välja vilka mätningar som ska göras av deras komponenter. Om vi mäter formen på en medlem av ett EPR-par, finner vi att det är lika sannolikt att vara kvadratiskt eller cirkulärt. Om vi mäter färgen finner vi att den är lika sannolikt att vara röd eller blå.,

de intressanta effekterna, som EPR ansåg paradoxala, uppstår när vi gör mätningar av båda medlemmarna i paret. När vi mäter båda medlemmarna för färg, eller båda medlemmarna för form, finner vi att resultaten alltid är överens. Således om vi upptäcker att en är röd, och senare mäta färgen på den andra, kommer vi att upptäcka att det också är rött, och så vidare. Å andra sidan, om vi mäter formen på en, och sedan färgen på den andra, finns det ingen korrelation., Således om den första är kvadratisk, är den andra lika sannolikt att vara röd eller blå.

Vi kommer enligt kvantteori att få dessa resultat även om stora avstånd skiljer de två systemen, och mätningarna utförs nästan samtidigt. Valet av mätning på en plats verkar påverka systemets tillstånd på den andra platsen. Denna ”skrämmande åtgärd på avstånd”, som Einstein kallade det, kan tyckas kräva överföring av information — i det här fallet information om vilken mätning som utfördes — med en hastighet snabbare än ljusets hastighet.,

men gör det? Tills jag vet resultatet du fick, vet jag inte vad jag kan förvänta mig. Jag får användbar information när jag lär mig resultatet du har mätt, inte när du mäter det. Och varje meddelande som avslöjar resultatet du mätte måste överföras på något konkret fysiskt sätt, långsammare (förmodligen) än ljusets hastighet.

vid djupare reflektion löses paradoxen ytterligare. Låt oss i själva verket återigen överväga tillståndet för det andra systemet, med tanke på att det första har uppmätts vara rött., Om vi väljer att mäta den andra Q-on-färgen kommer vi säkert att bli röda. Men som vi diskuterade tidigare, när vi introducerar komplementaritet, om vi väljer att mäta en q-on-form, när den är i ” röd ” tillstånd, kommer vi att ha lika stor sannolikhet att hitta en kvadrat eller en cirkel. Således, långt ifrån att införa en paradox, tvingas EPR-resultatet logiskt. Det är i själva verket helt enkelt en ompaketering av komplementaritet.

det är inte heller paradoxalt att upptäcka att avlägsna händelser är korrelerade., När allt kommer omkring, om jag lägger varje medlem i ett par handskar i lådor och skickar dem till motsatta sidor av jorden, borde jag inte bli förvånad över att jag genom att titta inuti en låda kan bestämma handskens handske i den andra. På samma sätt måste korrelationerna mellan ett EPR-par i alla kända fall skrivas in när dess medlemmar är nära varandra, men de kan naturligtvis överleva efterföljande separation, som om de hade minnen. Återigen är EPR: s särdrag inte korrelation som sådan, men dess möjliga utförande i kompletterande former.,

III.

Daniel Greenberger, Michael Horne och Anton Zeilinger upptäckte ett annat briljant lysande exempel på quantum entanglement. Det handlar om tre av våra Q-ons, beredda i ett speciellt, intrasslat tillstånd (GHZ-tillståndet). Vi distribuerar de tre q – onsna till tre avlägsna experimenter. Varje experimenterare väljer, självständigt och slumpmässigt, om man ska mäta form eller färg och registrerar resultatet. Experimentet upprepas många gånger, alltid med de tre q-ons som börjar i GHZ-tillståndet.,

varje försöksperson finner separat maximalt slumpmässiga resultat. När hon mäter en q-on-form, är hon lika sannolikt att hitta en kvadrat eller en cirkel; när hon mäter sin färg är röd eller blå lika sannolikt. Hittills, så vardagliga.

men senare, när experimenterna kommer ihop och jämför sina mätningar, avslöjar lite analys ett fantastiskt resultat. Låt oss kalla fyrkantiga former och röda färger ”bra” och cirkulära former och blå färger ”onda.,”Experimenterna upptäcker att när två av dem valde att mäta form men den tredje uppmätta färgen fann de att exakt 0 eller 2-resultaten var ”onda” (det vill säga cirkulära eller blåa). Men när alla tre valde att mäta färg, fann de att exakt 1 eller 3 mätningar var onda. Det är vad kvantmekanik förutspår, och det är vad som observeras.

så: är mängden ondska jämn eller udda? Båda möjligheterna realiseras med säkerhet i olika slags mätningar. Vi är tvungna att avvisa frågan., Det är ingen mening att tala om mängden ondska i vårt system, oberoende av hur det mäts. Det leder faktiskt till motsägelser.

GHZ-effekten är, i fysikern Sidney Colemans ord, ”kvantmekanik i ditt ansikte.”Det förstör en djupt inbäddad fördom, rotad i vardagen, att fysiska system har bestämda egenskaper, oberoende av om dessa egenskaper mäts. För om de gjorde det, skulle balansen mellan gott och ont inte påverkas av mätningsval. När internaliserad är meddelandet om GHZ-effekten oförglömlig och tankeutvidgande.,

IV.

hittills har vi övervägt hur sammanflätning kan göra det omöjligt att tilldela unika, oberoende stater till flera Q-ons. Liknande överväganden gäller utvecklingen av en enda q-on i tid.

vi säger att vi har ”intrasslade historier” när det är omöjligt att tilldela ett bestämt tillstånd till vårt system vid varje ögonblick i tid. På samma sätt som hur vi fick konventionell entanglement genom att eliminera vissa möjligheter kan vi skapa intrasslade historier genom att göra mätningar som samlar partiell information om vad som hände., I de enklaste intrasslade historierna har vi bara en q-on, som vi övervakar vid två olika tidpunkter. Vi kan föreställa oss situationer där vi bestämmer att formen på vår q-on var antingen kvadratisk vid båda tiderna eller att den var cirkulär vid båda tiderna, men att våra observationer lämnar båda alternativen i spel. Detta är en quantum temporal analog av de enklaste sammanflätningssituationer som illustreras ovan.,

med hjälp av ett något mer utarbetat protokoll kan vi lägga till komplementariteten till detta system och definiera situationer som tar fram ”många världar” aspekt av kvantteori. Således kan vår q-on förberedas i rött tillstånd vid en tidigare tidpunkt och mätas för att vara i blått tillstånd vid en efterföljande tidpunkt., Som i de enkla exemplen ovan kan vi inte konsekvent tilldela vår q-on egenskapen av färg vid mellanliggande tider; inte heller har den en bestämd form. Historier av detta slag inser, på ett begränsat men kontrollerat och exakt sätt, den intuition som ligger till grund för den många världens bild av kvantmekanik. Ett bestämt tillstånd kan filial i ömsesidigt motsägelsefulla historiska banor som senare kommer ihop.,

Erwin Schrödinger, en grundare av kvantteori som var djupt skeptisk till dess korrekthet, betonade att utvecklingen av kvantsystem naturligt leder till tillstånd som kan mätas för att ha grovt olika egenskaper. Hans ”Schrödinger cat” säger, famously, skala upp kvantosäkerhet till frågor om kattdödlighet. Före mätning, som vi har sett i våra exempel, kan man inte tilldela egenskapen av livet (eller döden) till katten. Både—eller varken-samexistera inom en underjorden av möjlighet.,

vardagsspråket är dåligt lämpat för att beskriva kvantkomplementaritet, delvis eftersom vardagsupplevelsen inte stöter på det. Praktiska katter interagerar med omgivande luftmolekyler, bland annat på mycket olika sätt beroende på om de är levande eller döda, så i praktiken görs mätningen automatiskt och katten fortsätter med sitt liv (eller död). Men intrasslade historier beskriver q – ons som i verklig mening är Schrödinger kattungar., Deras fullständiga beskrivning kräver, vid mellanliggande tider, att vi tar hänsyn till båda två motsägelsefulla egenskaper-banor.

den kontrollerade experimentella realiseringen av intrasslade historier är känslig eftersom det kräver att vi samlar partiell information om vår q-on. Konventionella kvantmätningar samlar i allmänhet fullständig information på en gång—till exempel bestämmer de en bestämd form eller en bestämd färg-snarare än partiell information som spänner flera gånger. Men det kan göras utan stora tekniska svårigheter., På detta sätt kan vi ge bestämd matematisk och experimentell mening till spridningen av” många världar ” i kvantteori och visa dess väsentlighet.

Original story omtryckt med tillstånd från Quanta Magazine, en redaktionellt oberoende publikation av Simons Foundation vars uppdrag är att förbättra allmänhetens förståelse för vetenskap genom att täcka forskningsutveckling och trender inom matematik och fysik och biovetenskap.