Kvantové zapletenie: teória, princíp, efekt. Kvantové zapletenie jednoduchými slovami

• Preklad

Kvantové zapletenie je jedným z najťažších pojmov vo vede, ale jeho základné princípy sú jednoduché. A ak tomu rozumiete, zmätok otvára cestu k lepšiemu porozumeniu pojmov, ako je pluralita svetov v kvantová teória.

Očarujúca aura tajomstva je zahalená konceptom kvantového zapletenia, ako aj (nejakým spôsobom) súvisiacou požiadavkou kvantovej teórie, že musí existovať „veľa svetov“. A napriek tomu sa v podstate jedná o vedecké nápady s pozemským významom a konkrétnymi aplikáciami. Chcel by som pojmy spleti a viacerých svetov vysvetliť tak jednoducho a jasne, ako ich sám poznám.

Ja

Zapletenie sa považuje za fenomén jedinečný pre kvantovú mechaniku - ale nie je. V skutočnosti je na začiatku jednoduchšie (aj keď neobvyklý prístup) zvážiť jednoduchú, nekvantovú (klasickú) verziu zapletenia. To nám umožní oddeliť zložitosť samotného zapletenia od ostatných zvláštností kvantovej teórie.

Zapletenie sa objavuje v situáciách, v ktorých máme čiastočné informácie o stave dvoch systémov. Našimi systémami sa môžu stať napríklad dva objekty - nazvime ich kaóny. „K“ bude označovať „klasické“ objekty. Ale ak si chcete skutočne predstaviť niečo konkrétne a príjemné - predstavte si, že ide o koláče.

Naše kaóny budú mať dva tvary, štvorcové alebo okrúhle, a tieto tvary budú označovať ich možné stavy. Potom budú štyri možné spoločné stavy dvoch kaónov: (štvorec, štvorec), (štvorec, kruh), (kruh, štvorec), (kruh, kruh). Tabuľka zobrazuje pravdepodobnosť nájdenia systému v jednom zo štyroch uvedených stavov.

Povieme, že kaóny sú „nezávislé“, ak nám znalosti o stave jedného z nich neposkytnú informácie o stave druhého. A táto tabuľka má takú vlastnosť. Ak je prvý kaon (koláč) hranatý, stále nevieme tvar druhého. Naopak, tvar druhého nám nič nehovorí o tvare prvého.

Na druhej strane hovoríme, že dva kaóny sú zapletené, ak informácie o jednom z nich zlepšia naše znalosti o druhom. Druhý tablet nám ukáže veľa zmätku. V tomto prípade, ak je prvý kaon okrúhly, budeme vedieť, že aj druhý je okrúhly. A ak je prvý kaon štvorcový, potom druhý bude rovnaký. Keď poznáme tvar jedného, ​​jednoznačne určíme tvar druhého.

Kvantová verzia spleti vyzerá v skutočnosti rovnako - nedostatok nezávislosti. V kvantovej teórii sú stavy popísané matematickými objektmi nazývanými vlnová funkcia. Pravidlá, ktoré kombinujú vlnové funkcie s fyzickými schopnosťami, vytvárajú veľmi zaujímavé komplexnosti, o ktorých budeme diskutovať neskôr, ale základný koncept zamotaných znalostí, ktorý sme predviedli pre klasický prípad, zostáva rovnaký.

Napriek tomu, že koláče nemožno považovať za kvantové systémy, k spleti kvantových systémov dochádza prirodzene - napríklad po zrážkach častíc. V praxi môžu byť nezapletené (nezávislé) stavy považované za zriedkavé výnimky, pretože pri interakcii systémov medzi systémami vznikajú korelácie.

Zoberme si napríklad molekuly. Skladajú sa zo subsystémov - konkrétne z elektrónov a jadier. Minimálne energetický stav molekula, v ktorej sa obvykle nachádza, je vysoko zapletený stav elektrónov a jadra, pretože usporiadanie týchto častíc nebude v žiadnom prípade nezávislé. Keď sa jadro pohybuje, elektrón sa pohybuje spolu s ním.

Vráťme sa k nášmu príkladu. Ak napíšeme wave ■, Φ ● ako vlnové funkcie popisujúce systém 1 v jeho štvorcových alebo okrúhlych stavoch a ψ ■, ψ ● pre vlnové funkcie opisujúce systém 2 v jeho štvorcových alebo okrúhlych stavoch, potom v našom pracovnom príklade možno opísať všetky stavy, ako:

Nezávislé: Φ ■ ψ ■ + Φ ■ ψ ● + Φ ● ψ ■ + Φ ● ψ ●

Zapletené: Φ ■ ψ ■ + Φ ● ψ ●

Nezávislá verzia môže byť tiež napísaná ako:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Všimnite si, ako v druhom prípade zátvorky jasne delia prvý a druhý systém na nezávislé časti.

Existuje mnoho spôsobov, ako vytvoriť zapletené stavy. Jednou z nich je zmerať zložený systém, ktorý vám poskytne čiastočné informácie. Môžete napríklad zistiť, že dva systémy sa dohodli, že budú mať rovnaký tvar, bez toho, aby vedeli, ktorý tvar si vybrali. Tento koncept bude dôležitý o niečo neskôr.

Charakteristickejšie dôsledky kvantového zapletenia, ako sú efekty Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) a Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ), vyplývajú z jeho interakcie s ďalšou vlastnosťou kvantovej teórie nazývanou princíp komplementarity. Pri diskusii o EPR a GHZ vám najskôr predstavím tento princíp.

Do tohto bodu sme si predstavovali, že kaóny majú dve formy (štvorcové a okrúhle). Teraz si predstavte, že sa dodávajú aj v dvoch farbách - červenej a modrej. Vzhľadom na klasické systémy, ako napríklad pečivo, by táto dodatočná vlastnosť znamenala, že kaon môže existovať v jednom zo štyroch možných stavov: červený štvorec, červený kruh, modrý štvorec a modrý kruh.

Ale kvantové koláče sú kvantové ... Alebo kvantóny ... Správajú sa úplne inak. Skutočnosť, že kvantón v niektorých situáciách môže mať rôzna forma a farba nemusí nutne znamenať, že má formu aj farbu súčasne. Ako čoskoro uvidíme, zdravý rozum, ktorý Einstein požadoval od fyzickej reality, sa nezhoduje s experimentálnymi faktami.

Môžeme merať tvar kvanta, ale tým stratíme všetky informácie o jeho farbe. Alebo môžeme zmerať farbu, ale stratíme informácie o jej tvare. Podľa kvantovej teórie nemôžeme merať tvar aj farbu súčasne. Pohľad nikoho na kvantovú realitu nie je úplný; musíte vziať do úvahy mnoho rôznych a navzájom sa vylučujúcich obrázkov, z ktorých každý má svoju vlastnú neúplnú predstavu o tom, čo sa deje. Toto je podstata zásady komplementarity, ako ju formuloval Niels Bohr.

Výsledkom je, že kvantová teória nás núti byť opatrní pri pripisovaní vlastností fyzickej realite. Aby sme sa vyhli rozporom, musíme priznať, že:

Neexistuje majetok, ktorý nebol zmeraný.
Meranie je aktívny proces, ktorý mení meraný systém

II

Teraz popíšeme dve ukážkové, ale nie klasické ilustrácie zvláštností kvantovej teórie. Oba boli testované v prísnych experimentoch (v skutočných experimentoch ľudia nemerajú tvary a farby koláčov, ale uhlové momenty elektrónov).

Albert Einstein, Boris Podolsky a Nathan Rosen (EPR) popísali úžasný efekt, ktorý nastáva, keď sú dva kvantové systémy zapletené. Efekt EPR kombinuje špeciálnu, experimentálne dosiahnuteľnú formu kvantového zapletenia s princípom komplementarity.

EPR pár sa skladá z dvoch kvantónov, z ktorých každý môže byť meraný tvarom alebo farbou (ale nie oboma naraz). Predpokladajme, že máme veľa takýchto párov, všetky sú rovnaké a môžeme si vybrať, ktoré merania vykonáme na ich zložkách. Ak zmeráme tvar jedného z členov dvojice EPR, rovnako pravdepodobne dostaneme štvorec alebo kruh. Ak zmeráme farbu, dostaneme červenú alebo modrú s rovnakou pravdepodobnosťou.

Zaujímavé efekty, podľa EPR zdanlivo paradoxné, nastanú, keď zmeriame oboch členov páru. Keď zmeráme farbu oboch členov alebo ich tvar, zistíme, že výsledky sú vždy rovnaké. To znamená, že ak zistíme, že jeden z nich je červený, a potom zmeriame farbu druhého, zistíme tiež, že je červený - a podobne. Na druhej strane, ak zmeráme tvar jedného a farbu druhého, neexistuje žiadna korelácia. To znamená, že ak bol prvý štvorec, potom druhý s rovnakou pravdepodobnosťou mohol byť modrý alebo červený.

Podľa kvantovej teórie dosiahneme takéto výsledky, aj keď sú tieto dva systémy oddelené veľkou vzdialenosťou a merania sa vykonávajú takmer súčasne. Zdá sa, že výber typu merania na jednom mieste ovplyvňuje stav systému inde. Táto „desivá akcia na diaľku“, ako ju nazval Einstein, zrejme vyžaduje prenos informácií - v našom prípade informácií o vykonanom meraní - rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla.

Ale je to tak? Kým nebudem vedieť, ako ste to pochopili, neviem, čo očakávať. Užitočné informácie dostanem, keď poznám váš výsledok, nie keď robíte meranie. A všetky správy obsahujúce výsledok, ktorý ste dostali, musia niektorí odoslať fyzicky, pomalšia ako rýchlosť svetla.

Pri ďalšej štúdii je paradox ďalej zničený. Uvažujme o stave druhého systému, ak prvý dal červenú farbu. Ak sa rozhodneme zmerať farbu druhého kvantónu, dostaneme červenú. Ale podľa zásady komplementarity, ak sa rozhodneme zmerať jeho tvar, keď je v „červenom“ stave, máme rovnakú šancu získať štvorec alebo kruh. Preto je výsledok EPR logicky vopred určený. Toto je len prerozprávanie zásady komplementarity.

Neexistuje žiadny paradox v tom, že vzdialené udalosti sú v korelácii. Napokon, ak vložíme jednu z dvoch rukavíc z páru do škatúľ a pošleme ich do rôznych častí planéty, nie je prekvapujúce, že pri pohľade na jednu škatuľu dokážem určiť, pre ktorú ruku je druhá rukavica určená. Rovnako vo všetkých prípadoch musí byť na nich fixovaná korelácia párov EPR, keď sú v blízkosti, a preto môžu vydržať následné oddelenie, ako keby mali pamäť. Zvláštnosť paradoxu EPR sama o sebe nie je možnosťou korelácie, ale v možnosti jej zachovania vo forme adícií.

III

Daniel Greenberger, Michael Horn a Anton Zeilinger objavili ďalší skvelý príklad kvantového zapletenia. OH obsahuje naše tri kvantóny v špeciálne pripravenom zamotanom stave (stav GHZ). Každý z nich distribuujeme inému vzdialenému experimentátorovi. Každý z nich si vyberie, nezávisle a náhodne, či zmeria farbu alebo tvar a zaznamená výsledok. Experiment sa opakuje mnohokrát, ale vždy s tromi kvantónmi v stave GHZ.

Každý jednotlivý experimentátor dostane náhodné výsledky. Meraním tvaru kvantumonu dostane štvorec alebo kruh s rovnakou pravdepodobnosťou; pri meraní farby kvantónu je rovnako pravdepodobné, že dostane červenú alebo modrú farbu. Zatiaľ je všetko prízemné.

Keď sa však experimentátori spoja a porovnajú výsledky, analýza ukáže úžasné výsledky. Povedzme, že sa ozveme štvorcový tvar a červená je „dobrá“ a kruhy a modrá sú „zlé“. Experimentátori zistili, že ak sa dvaja z nich rozhodnú merať tvar a tretí meria farbu, potom je 0 alebo 2 merania „zlé“ (tj okrúhle alebo modré). Ale ak sa všetky tri rozhodnú zmerať farbu, potom je 1 alebo 3 rozmery zlé. Predpovedá to kvantová mechanika a presne to sa deje.

Otázka: Je množstvo zla párne alebo nepárne? V rôznych dimenziách sa realizujú obe možnosti. Túto otázku musíme opustiť. Nemá zmysel špekulovať o množstve zla v systéme bez odkazu na to, ako sa meria. A to vedie k rozporom.

Efekt GHZ, ako ho opísal fyzik Sidney Coleman, je „fackou pred kvantovou mechanikou“. Ničí zažité, zažité očakávania, že fyzické systémy majú vopred určené vlastnosti nezávislé od ich dimenzie. Ak by to tak bolo, potom by rovnováha dobra a zla nezávisela na výbere typov meraní. Akonáhle prijmete existenciu účinku GHZ, nezabudnete na to a rozšíria sa vám obzory.

IV

Zatiaľ hovoríme o tom, ako spletenie bráni viacerým kvantom priraďovať jedinečné nezávislé stavy. Rovnaké odôvodnenie platí aj pre zmeny v jednom kvantóne, ku ktorým dochádza v priebehu času.

Hovoríme o „mätúcich príbehoch“, keď nie je možné v danom čase priradiť systému určitý stav. Rovnako ako v tradičnom zapletení vylučujeme možnosti, môžeme vytvárať mätúce príbehy meraním, ktoré zhromažďuje čiastočné informácie o minulých udalostiach. V najjednoduchších mätúcich príbehoch máme jeden kvantón, ktorý študujeme v dvoch rôznych časových bodoch. Vieme si predstaviť situáciu, v ktorej určíme, že tvar nášho kvantónu bol v oboch prípadoch štvorcový alebo zaokrúhľovaný, ale obe situácie zostávajú možné. Toto je dočasná kvantová analógia pre najjednoduchšie spleti opísané vyššie.

Pomocou sofistikovanejšieho protokolu môžeme do tohto systému pridať trochu komplementarity a popísať situácie, ktoré spôsobujú vlastnosť „mnohých svetov“ kvantovej teórie. Náš kvantón môže byť pripravený v červenom stave a potom zmeraný a získaný namodro. A ako v predchádzajúcich príkladoch, nemôžeme natrvalo priradiť farebnú vlastnosť kvantónu medzi dvoma dimenziami; ani to nemá definitívnu podobu. Takéto príbehy sú realizované, obmedzené, ale úplne kontrolované a presný spôsob„Intuícia obsiahnutá v obraze množstva svetov v kvantovej mechanike. Istý stav sa môže rozdeliť na dve protichodné historické trajektórie, ktoré sa potom znova spoja.

Erwin Schrödinger, zakladateľ kvantovej teórie, skeptický voči jej správnosti, zdôraznil, že evolúcia kvantových systémov prirodzene vedie k stavom, ktorých meranie môže poskytnúť extrémne odlišné výsledky. Jeho myšlienkový experiment so „Schrödingerovou mačkou“ predpokladá, ako je známe, kvantovú neistotu odvodenú od úrovne vplyvu na úmrtnosť mačiek. Pred meraním nie je možné priradiť mačke vlastnosť života (alebo smrti). Oba, alebo ani jeden, existujú spoločne v druhý svet príležitosti.

Každodenný jazyk nie je vhodný na vysvetľovanie kvantovej komplementarity, najmä preto, že každodenná skúsenosť to nezahŕňa. Praktické mačky interagujú s okolitými molekulami vzduchu a inými predmetmi úplne odlišnými spôsobmi, v závislosti od toho, či sú živé alebo mŕtve, takže v praxi meranie prebieha automaticky a mačka naďalej žije (alebo nežije). Príbehy ale mätúco opisujú kvantóny, ktoré sú Schrödingerovými mačiatkami. Oni Kompletný popis vyžaduje, aby sme zvážili dve navzájom sa vylučujúce trajektórie vlastností.

Riadená experimentálna implementácia zamotaných príbehov je chúlostivá vec, pretože vyžaduje zbieranie čiastočných informácií o kvantónoch. Konvenčné kvantové merania zvyčajne zhromažďujú všetky informácie naraz - napríklad určujú presný tvar alebo presnú farbu - namiesto toho, aby získali čiastočné informácie niekoľkokrát. To sa však dá urobiť, aj keď s extrémnymi technickými ťažkosťami. Týmto spôsobom môžeme šíreniu konceptu „viacerých svetov“ v kvantovej teórii priradiť určitý matematický a experimentálny význam a demonštrovať jeho realitu.

Kvantové zapletenie

Kvantové zapletenie (spletenie) je kvantovo-mechanický jav, v ktorom musí byť kvantový stav dvoch alebo viacerých predmetov popísaný vo vzájomnom prepojení, aj keď sú jednotlivé objekty od seba vzdialené. V dôsledku toho medzi pozorovanými vznikajú korelácie fyzikálne vlastnosti predmety. Môžete napríklad pripraviť dve častice, ktoré sú v jednom kvantovom stave, takže keď je jedna častica pozorovaná v stave s otáčaním nahor, otáčanie druhej sa ukáže ako smerom nadol a naopak, a to napriek skutočnosť, že podľa kvantovej mechaniky je predpovedať, že nie je možné získať smery prakticky zakaždým. Inými slovami, zdá sa, že merania vykonané na jednom systéme majú okamžitý vplyv na ten, ktorý je s ním zapletený. Čo sa však rozumie pod informáciami v klasickom zmysle, stále nie je možné prenášať spletením rýchlejšie ako rýchlosťou svetla.
Pôvodný termín „spletenie“ bol predtým prekladaný v opačnom zmysle - ako spletenie, ale významom slova je udržať spojenie aj po komplexnej biografii kvantovej častice. Takže za prítomnosti spojenia medzi dvoma časticami v spleti fyzického systému bolo možné „trhnutím“ jednej častice určiť druhú.

Kvantové zapletenie je jadrom budúcich technológií, ako sú kvantové počítače a kvantová kryptografia, a používa sa aj v experimentoch s kvantovou teleportáciou. Z teoretického a filozofického hľadiska je tento jav jednou z najrevolučnejších vlastností kvantovej teórie, pretože je možné vidieť, že korelácie predpovedané kvantovou mechanikou sú úplne nezlučiteľné s predstavou zdanlivo zjavnej lokality skutočného sveta v r. ktoré informácie o stave systému môžu prenášať iba prostredníctvom svojho bezprostredného okolia. Rôzne pohľady to, čo sa skutočne deje počas procesu kvantovo mechanického zapletenia, vedie k rôznym interpretáciám kvantovej mechaniky.

História problému

V roku 1935 Einstein, Podolsky a Rosen sformulovali slávny Einstein-Podolsky-Rosen paradox, ktorý ukázal, že vďaka konektivite sa kvantová mechanika stáva nelokálnou teóriou. Einstein je známy tým, že zosmiešňuje konektivitu a nazýva to „akcia nočnej mory na diaľku“. Nelokálna konektivita prirodzene vyvrátila postulát TO o obmedzujúcej rýchlosti svetla (prenos signálu).

Na druhej strane, kvantová mechanika fungovala dobre pri predpovedaní experimentálnych výsledkov a v skutočnosti boli dokonca pozorované aj silné korelácie kvôli spleti. Zdá sa, že existuje spôsob, ktorý umožňuje úspešne vysvetliť kvantové zapletenie - prístup „teórie skrytých parametrov“, v ktorom sú za korelácie zodpovedné určité, ale neznáme mikroskopické parametre. V roku 1964 však JSBell ukázal, že stále nie je možné zostrojiť „dobrú“ miestnu teóriu týmto spôsobom, to znamená, že spletenie predpovedané kvantovou mechanikou je možné experimentálne odlíšiť od výsledkov predpovedaných širokou triedou teórií. s lokálnymi skrytými parametrami .... Výsledky následných experimentov poskytli drvivé potvrdenie kvantovej mechaniky. Niektoré testy ukazujú, že v týchto experimentoch existuje množstvo prekážok, ale všeobecne sa uznáva, že nie sú významné.

Konektivita vedie k zaujímavému vzťahu s princípom relativity, ktorý tvrdí, že informácie nemôžu cestovať z miesta na miesto rýchlejšie ako rýchlosťou svetla. Napriek tomu, že tieto dva systémy môžu byť oddelené veľkou vzdialenosťou a súčasne sú zamotané, nie je možné ich prepojením prenášať užitočné informácie, takže príčinná súvislosť nie je porušená kvôli spleti. K tomu dochádza z dvoch dôvodov:
1. výsledky meraní v kvantovej mechanike sú v zásade pravdepodobné;
2. klonová veta o kvantovom stave zakazuje štatistické overovanie zapletených stavov.

Príčiny vplyvu častíc

V našom svete existujú špeciálne stavy niekoľkých kvantových častíc - zapletené stavy, v ktorých sú pozorované kvantové korelácie (vo všeobecnosti je korelácia vzťah medzi udalosťami nad úrovňou náhodných náhod). Tieto korelácie je možné odhaliť experimentálne, čo bolo prvýkrát urobené pred viac ako dvadsiatimi rokmi a teraz sa bežne používa v rôznych experimentoch. V klasickom (t.j. nekvantovom) svete existujú dva typy korelácií - keď jedna udalosť spôsobí inú, alebo keď obe majú spoločná príčina... V kvantovej teórii vzniká tretí typ korelácií spojený s nelokálnymi vlastnosťami zapletených stavov niekoľkých častíc. Je ťažké si predstaviť tento tretí typ korelácií pomocou bežných každodenných analógií. Alebo sú tieto kvantové korelácie výsledkom nejakej novej, doposiaľ neznámej interakcie, v dôsledku ktorej sa zapletené častice (a len oni!) Navzájom ovplyvňujú?

Stojí za to okamžite zdôrazniť „nenormálnosť“ takejto hypotetickej interakcie. Kvantové korelácie sú pozorované aj vtedy, ak je detekcia dvoch oddelená veľká vzdialenosťčastice sa vyskytujú súčasne (v rámci experimentálnej chyby). To znamená, že ak k takejto interakcii dôjde, musí sa v laboratórnom referenčnom rámci šíriť extrémne rýchlo so superluminálnou rýchlosťou. A z toho nevyhnutne vyplýva, že v iných referenčných rámcoch bude táto interakcia spravidla okamžitá a bude dokonca pôsobiť z budúcnosti do minulosti (aj keď bez porušenia zásady kauzality).

Podstata experimentu

Experimentálna geometria. V Ženeve sa vygenerovali páry spletených fotónov a potom sa fotóny poslali po kábloch s rovnakou dĺžkou (označených červenou farbou) do dvoch prijímačov (označených písmenami APD), ktoré sú od seba vzdialené 18 km. Obrázok z diskutovaného článku v Prírode

Myšlienka experimentu je nasledovná: vytvorte dva zamotané fotóny a pošlite ich k dvom detektorom vzdialeným od seba čo najďalej (v opísanom experimente bola vzdialenosť medzi dvoma detektormi 18 km). V tomto prípade budú dráhy fotónov k detektorom čo naj identickejšie, takže momenty ich detekcie sú čo najbližšie. V tejto práci sa detekčné momenty zhodovali s presnosťou asi 0,3 nanosekundy. Kvantové korelácie za týchto podmienok boli stále pozorované. To znamená, že ak predpokladáme, že „fungujú“ vďaka vyššie popísanej interakcii, potom by jeho rýchlosť mala prekročiť rýchlosť svetla stotisíckrát.
Takýto experiment v skutočnosti už predtým vykonala rovnaká skupina. Novinka tohto diela je iba v tom, že experiment trval dlho. Kvantové korelácie boli pozorované nepretržite a nezmizli kedykoľvek počas dňa.
Prečo je to dôležité? Ak hypotetickú interakciu prenáša nejaké médium, potom bude mať toto médium vyhradený referenčný rámec. V dôsledku rotácie Zeme sa laboratórny referenčný rámec pohybuje vzhľadom na tento referenčný rámec rôznymi rýchlosťami. To znamená, že časový interval medzi dvoma udalosťami detekcie dvoch fotónov bude pre toto prostredie vždy odlišný, v závislosti od dennej doby. Najmä nastane moment, kedy sa tieto dve udalosti pre toto prostredie budú zdať súbežné. (Tu sa mimochodom používa fakt z teórie relativity, že dva súbežné deje budú simultánne vo všetkých zotrvačných referenčných sústavách pohybujúcich sa kolmo na čiaru, ktorá ich spája).

Ak sa kvantové korelácie vykonávajú v dôsledku hypotetickej interakcie opísanej vyššie a ak je miera tejto interakcie konečná (aj keď ľubovoľne vysoká), potom by korelácie zmizli. Nepretržité sledovanie korelácií v priebehu dňa by preto túto možnosť úplne uzavrelo. A opakovanie takéhoto experimentu v rôzne časy rokov by túto hypotézu uzavrel dokonca aj nekonečne rýchlou interakciou vo vlastnom vyhradenom referenčnom rámci.

To sa bohužiaľ nepodarilo dosiahnuť kvôli nedokonalosti experimentu. V tomto experimente, aby sa dalo povedať, že sú skutočne pozorované korelácie, je potrebné akumulovať signál niekoľko minút. Tento experiment by si napríklad nemohol všimnúť zmiznutie korelácií napríklad na 1 sekundu. To je dôvod, prečo autori nemohli úplne uzavrieť hypotetickú interakciu, ale dostali iba obmedzenie rýchlosti jej šírenia vo svojom zvolenom referenčnom rámci, čo samozrejme výrazne znižuje hodnotu získaného výsledku.

Možno...?

Čitateľ sa môže opýtať: ak sa napriek tomu realizuje vyššie opísaná hypotetická možnosť, ale experiment to pre svoju nedokonalosť jednoducho prehliadol, znamená to, že teória relativity je nesprávna? Dá sa tento efekt použiť na prenos informácií rýchlejšie ako svetlo alebo dokonca na cestovanie vo vesmíre?

Nie Hypotetická interakcia opísaná vyššie konštrukciou slúži jednému účelu - sú to „ozubené kolesá“, vďaka ktorým „fungujú“ kvantové korelácie. Ale už bolo dokázané, že pomocou kvantových korelácií nie je možné prenášať informácie rýchlejšie ako je rýchlosť svetla. Preto nech je mechanizmus kvantových korelácií akýkoľvek, nemôže porušiť teóriu relativity.
© Igor Ivanov

Pozrite si torzné polia.
Základy Subtílneho sveta sú fyzické vákuum a torzné polia. 4.

Kvantové zapletenie.

Copyright © 2015 Láska bezpodmienečná

Kvantové zapletenie

Kvantové zapletenie (spletenie) je kvantovo-mechanický jav, v ktorom musí byť kvantový stav dvoch alebo viacerých predmetov popísaný vo vzájomnom prepojení, aj keď sú jednotlivé objekty od seba vzdialené. V dôsledku toho vznikajú korelácie medzi pozorovanými fyzikálnymi vlastnosťami predmetov. Môžete napríklad pripraviť dve častice, ktoré sú v jednom kvantovom stave, takže keď je jedna častica pozorovaná v stave s otáčaním nahor, otáčanie druhej sa ukáže ako smerom nadol a naopak, a to napriek skutočnosť, že podľa kvantovej mechaniky je predpovedať, že nie je možné získať smery prakticky zakaždým. Inými slovami, zdá sa, že merania vykonané na jednom systéme majú okamžitý vplyv na ten, ktorý je s ním zapletený. Čo sa však rozumie pod informáciami v klasickom zmysle, stále nie je možné prenášať spletením rýchlejšie ako rýchlosťou svetla.
Pôvodný termín „spletenie“ bol predtým prekladaný v opačnom zmysle - ako spletenie, ale významom slova je udržať spojenie aj po komplexnej biografii kvantovej častice. Takže za prítomnosti spojenia medzi dvoma časticami v spleti fyzického systému bolo možné „trhnutím“ jednej častice určiť druhú.

Kvantové zapletenie je jadrom budúcich technológií, ako sú kvantové počítače a kvantová kryptografia, a používa sa aj v experimentoch s kvantovou teleportáciou. Z teoretického a filozofického hľadiska je tento jav jednou z najrevolučnejších vlastností kvantovej teórie, pretože je možné vidieť, že korelácie predpovedané kvantovou mechanikou sú úplne nezlučiteľné s predstavou zdanlivo zjavnej lokality skutočného sveta v r. ktoré informácie o stave systému môžu prenášať iba prostredníctvom svojho bezprostredného okolia. Rôzne pohľady na to, čo sa skutočne deje počas procesu kvantovo mechanického zapletenia, vedú k rôznym interpretáciám kvantovej mechaniky.

História problému

V roku 1935 Einstein, Podolsky a Rosen sformulovali slávny Einstein-Podolsky-Rosen paradox, ktorý ukázal, že vďaka konektivite sa kvantová mechanika stáva nelokálnou teóriou. Einstein je známy tým, že zosmiešňuje konektivitu a nazýva to „akcia nočnej mory na diaľku“. Nelokálna konektivita prirodzene vyvrátila postulát TO o obmedzujúcej rýchlosti svetla (prenos signálu).

Na druhej strane, kvantová mechanika fungovala dobre pri predpovedaní experimentálnych výsledkov a v skutočnosti boli dokonca pozorované aj silné korelácie kvôli spleti. Zdá sa, že existuje spôsob, ktorý umožňuje úspešne vysvetliť kvantové zapletenie - prístup „teórie skrytých parametrov“, v ktorom sú za korelácie zodpovedné určité, ale neznáme mikroskopické parametre. V roku 1964 však JSBell ukázal, že stále nie je možné zostrojiť „dobrú“ miestnu teóriu týmto spôsobom, to znamená, že spletenie predpovedané kvantovou mechanikou je možné experimentálne odlíšiť od výsledkov predpovedaných širokou triedou teórií. s lokálnymi skrytými parametrami .... Výsledky následných experimentov poskytli drvivé potvrdenie kvantovej mechaniky. Niektoré testy ukazujú, že v týchto experimentoch existuje množstvo prekážok, ale všeobecne sa uznáva, že nie sú významné.

Konektivita vedie k zaujímavému vzťahu s princípom relativity, ktorý tvrdí, že informácie nemôžu cestovať z miesta na miesto rýchlejšie ako rýchlosťou svetla. Napriek tomu, že tieto dva systémy môžu byť oddelené veľkou vzdialenosťou a súčasne sú zamotané, nie je možné ich prepojením prenášať užitočné informácie, takže príčinná súvislosť nie je porušená kvôli spleti. K tomu dochádza z dvoch dôvodov:
1. výsledky meraní v kvantovej mechanike sú v zásade pravdepodobné;
2. klonová veta o kvantovom stave zakazuje štatistické overovanie zapletených stavov.

Príčiny vplyvu častíc

V našom svete existujú špeciálne stavy niekoľkých kvantových častíc - zapletené stavy, v ktorých sú pozorované kvantové korelácie (vo všeobecnosti je korelácia vzťah medzi udalosťami nad úrovňou náhodných náhod). Tieto korelácie je možné odhaliť experimentálne, čo bolo prvýkrát urobené pred viac ako dvadsiatimi rokmi a teraz sa bežne používa v rôznych experimentoch. V klasickom (t.j. nekvantovom) svete existujú dva typy korelácií - keď jedna udalosť spôsobuje inú, alebo keď majú obe spoločnú príčinu. V kvantovej teórii vzniká tretí typ korelácií spojený s nelokálnymi vlastnosťami zapletených stavov niekoľkých častíc. Je ťažké si predstaviť tento tretí typ korelácií pomocou bežných každodenných analógií. Alebo sú tieto kvantové korelácie výsledkom nejakej novej, doposiaľ neznámej interakcie, v dôsledku ktorej sa zapletené častice (a len oni!) Navzájom ovplyvňujú?

Stojí za to okamžite zdôrazniť „nenormálnosť“ takejto hypotetickej interakcie. Kvantové korelácie sú pozorované aj vtedy, ak k detekcii dvoch častíc oddelených veľkou vzdialenosťou dochádza súčasne (v rámci experimentálnej chyby). To znamená, že ak k takejto interakcii dôjde, musí sa v laboratórnom referenčnom rámci šíriť extrémne rýchlo so superluminálnou rýchlosťou. A z toho nevyhnutne vyplýva, že v iných referenčných rámcoch bude táto interakcia spravidla okamžitá a bude dokonca pôsobiť z budúcnosti do minulosti (aj keď bez porušenia zásady kauzality).

Podstata experimentu

Experimentálna geometria. V Ženeve sa vygenerovali páry spletených fotónov a potom sa fotóny poslali po kábloch s rovnakou dĺžkou (označených červenou farbou) do dvoch prijímačov (označených písmenami APD), ktoré sú od seba vzdialené 18 km. Obrázok z diskutovaného článku v Prírode

Myšlienka experimentu je nasledovná: vytvorte dva zamotané fotóny a pošlite ich k dvom detektorom vzdialeným od seba čo najďalej (v opísanom experimente bola vzdialenosť medzi dvoma detektormi 18 km). V tomto prípade budú dráhy fotónov k detektorom čo naj identickejšie, takže momenty ich detekcie sú čo najbližšie. V tejto práci sa detekčné momenty zhodovali s presnosťou asi 0,3 nanosekundy. Kvantové korelácie za týchto podmienok boli stále pozorované. To znamená, že ak predpokladáme, že „fungujú“ vďaka vyššie popísanej interakcii, potom by jeho rýchlosť mala prekročiť rýchlosť svetla stotisíckrát.
Takýto experiment v skutočnosti už predtým vykonala rovnaká skupina. Novinka tohto diela je iba v tom, že experiment trval dlho. Kvantové korelácie boli pozorované nepretržite a nezmizli kedykoľvek počas dňa.
Prečo je to dôležité? Ak hypotetickú interakciu prenáša nejaké médium, potom bude mať toto médium vyhradený referenčný rámec. V dôsledku rotácie Zeme sa laboratórny referenčný rámec pohybuje vzhľadom na tento referenčný rámec rôznymi rýchlosťami. To znamená, že časový interval medzi dvoma udalosťami detekcie dvoch fotónov bude pre toto prostredie vždy odlišný, v závislosti od dennej doby. Najmä nastane moment, kedy sa tieto dve udalosti pre toto prostredie budú zdať súbežné. (Tu sa mimochodom používa fakt z teórie relativity, že dva súbežné deje budú simultánne vo všetkých zotrvačných referenčných sústavách pohybujúcich sa kolmo na čiaru, ktorá ich spája).

Ak sa kvantové korelácie vykonávajú v dôsledku hypotetickej interakcie opísanej vyššie a ak je miera tejto interakcie konečná (aj keď ľubovoľne vysoká), potom by korelácie zmizli. Nepretržité sledovanie korelácií počas dňa by preto túto možnosť úplne uzavrelo. A opakovaním takéhoto experimentu v rôznych obdobiach roka by sa táto hypotéza uzavrela dokonca aj nekonečne rýchlou interakciou vo vlastnom vyhradenom referenčnom rámci.

To sa bohužiaľ nepodarilo dosiahnuť kvôli nedokonalosti experimentu. V tomto experimente, aby sa dalo povedať, že sú skutočne pozorované korelácie, je potrebné akumulovať signál niekoľko minút. Tento experiment by si napríklad nemohol všimnúť zmiznutie korelácií napríklad na 1 sekundu. To je dôvod, prečo autori nemohli úplne uzavrieť hypotetickú interakciu, ale dostali iba obmedzenie rýchlosti jej šírenia vo svojom zvolenom referenčnom rámci, čo samozrejme výrazne znižuje hodnotu získaného výsledku.

Možno...?

Čitateľ sa môže opýtať: ak sa napriek tomu realizuje vyššie opísaná hypotetická možnosť, ale experiment to pre svoju nedokonalosť jednoducho prehliadol, znamená to, že teória relativity je nesprávna? Dá sa tento efekt použiť na prenos informácií rýchlejšie ako svetlo alebo dokonca na cestovanie vo vesmíre?

Nie Hypotetická interakcia opísaná vyššie konštrukciou slúži jednému účelu - sú to „ozubené kolesá“, vďaka ktorým „fungujú“ kvantové korelácie. Ale už bolo dokázané, že pomocou kvantových korelácií nie je možné prenášať informácie rýchlejšie ako je rýchlosť svetla. Preto nech je mechanizmus kvantových korelácií akýkoľvek, nemôže porušiť teóriu relativity.
© Igor Ivanov

Pozrite si torzné polia.
Základy Subtílneho sveta sú fyzické vákuum a torzné polia. 4. MENTÁLNE TELO.
DNA a SLOVO sú živé a mŕtve.
Kvantové zapletenie.
Kvantová teória a telepatia.
Liečenie silou myšlienky.
Návrh a autohypnóza.
Psychické uzdravenie.
Preprogramovanie podvedomia.

Copyright © 2015 Láska bezpodmienečná

Keď sa Albert Einstein čudoval „strašidelnému“ spojeniu častíc na veľké vzdialenosti, neuvažoval o svojej všeobecnej teórii relativity. Einsteinova starodávna teória popisuje, ako vzniká gravitácia, keď masívne objekty deformujú tkanivo ...

Keď sa Albert Einstein čudoval „strašidelnému“ spojeniu častíc na veľké vzdialenosti, neuvažoval o svojej všeobecnej teórii relativity. Einsteinova starodávna teória popisuje, ako vzniká gravitácia, keď masívne objekty deformujú tkaninu priestoru a času. Kvantové zapletenie, ten desivý zdroj Einsteinovho strachu, má tendenciu zahŕňať malé častice, ktoré majú malý vplyv na gravitáciu. Srnka prachu zdeformuje matrac úplne rovnakým spôsobom, akým subatomárne častice ohýbajú priestor.

Napriek tomu teoretický fyzik Mark Van Raamsdonk má podozrenie, že spletenie a priestoročas v skutočnosti súvisia. V roku 2009 vypočítal, že priestor bez spleti by nebol schopný sám sa obsiahnuť. Napísal článok, ktorý naznačoval, že kvantové zapletenie je ihla, ktorá zošíva tapisériu vonkajšieho časopriestoru.

Mnoho časopisov odmietlo publikovať jeho prácu. Ale po rokoch počiatočného skepticizmu sa skúmanie myšlienky, že zapletanie tvarov časopriestoru, stalo jedným z najhorúcejších trendov fyziky.

"Všetko pochádza z hlbokých základov fyziky a všetko nasvedčuje tomu, že priestor musí byť spojený so zapletením," hovorí John Preskill, teoretický fyzik z Caltech.

V roku 2012 sa objavilo ďalšie provokatívne dielo, ktoré predstavuje paradox zapletených častíc vo vnútri a mimo čiernej diery. O necelý rok neskôr navrhli dvaja odborníci v tejto oblasti radikálne riešenie: zamotané častice sú prepojené červími dierami - časopriestorové tunely, zavedené Einsteinom, ktoré sa teraz rovnako často objavujú na stránkach fyzikálnych a sci -fi časopisov. Ak je tento predpoklad správny, spletenie nie je strašidelné diaľkové spojenie, o ktorom Einstein premýšľal - ale veľmi skutočný most spájajúci vzdialené body vo vesmíre.

Mnoho vedcov považuje tieto nápady za pozoruhodné. IN posledné roky fyzici zdanlivo nesúvisiacich špecialít sa sústredili v tejto oblasti spleti, vesmíru a červích dier. Vedci, ktorí sa kedysi zameriavali na stavbu bezchybných kvantových počítačov, si teraz kladú otázku, či je samotný vesmír kvantovým počítačom, ktorý ticho programuje časopriestor v komplexnej pavučine spletení. "Všetko sa vyvíja neuveriteľne," hovorí Van Raamsdonk z University of British Columbia vo Vancouveri.

Fyzici vkladajú veľké nádeje do toho, kam ich tento zmätok časopriestoru a spleti dovedie. Všeobecná relativita brilantne popisuje, ako funguje časopriestor; nový výskum by mohol zdvihnúť závoj nad tým, odkiaľ pochádza časopriestor a ako to vyzerá v najmenších mierkach na milosť a nemilosť kvantovej mechaniky. Zapletenie môže byť tajnou zložkou, ktorá spojí tieto zatiaľ nekompatibilné oblasti do teórie kvantovej gravitácie, čo umožní vedcom porozumieť podmienkam vo vnútri čiernej diery a stavu vesmíru v prvých chvíľach po Veľkom tresku.

Hologramy a polievkové konzervy

Van Raamsdonkov pohľad na rok 2009 sa nerealizoval len tak zo vzduchu. Má korene v holografickom princípe, myšlienke, že hranica obmedzujúca objem priestoru môže obsahovať všetky informácie, ktoré sú v ňom obsiahnuté. Ak použijete holografický princíp v každodennom živote, potom môže zvedavý zamestnanec dokonale zrekonštruovať všetko v kancelárii - hromady papierov, rodinných fotografií, hračiek v rohu a dokonca aj súbory na pevnom disku počítača - stačí sa pozrieť na vonkajšie stenyštvorcová kancelária.

Táto myšlienka je kontroverzná, pretože steny sú dvojrozmerné a interiér kancelárie je tri. V roku 1997 však Juan Maldacena, vtedajší teoretik strún na Harvarde, poskytol zaujímavý príklad toho, čo by holografický princíp mohol o vesmíre odhaliť.

Začínal s priestorom anti-de-Sitter, ktorý pripomína časopriestor, v ktorom dominuje gravitácia, ale má množstvo zvláštnych atribútov. Je ohnutý tak, že záblesk svetla emitovaného na konkrétnom mieste sa nakoniec vráti z miesta, kde sa objavil. A aj keď sa vesmír rozpína, priestor proti de-Sitterovi sa nerozťahuje ani nesťahuje. Vďaka týmto vlastnostiam môže byť kus anti-de-Sitterovho priestoru so štyrmi dimenziami (tri priestorové a jeden časový) obklopený trojrozmernou hranicou.

Maldacena mal na mysli valec časopriestoru anti-de-Sitter. Každý horizontálny plátok valca predstavuje stav svojho priestoru v tento moment pričom zvislý rozmer valca predstavuje čas. Maldacena obklopil svoj valec hologramovým okrajom; ak by priestorom na sedenie bola plechovka na polievku, hranica by bola štítkom.

Na prvý pohľad sa zdá, že táto hranica (štítok) nemá s plnením valca nič spoločné. Hraničná značka napríklad dodržiava pravidlá kvantovej mechaniky, nie gravitáciu. Gravitácia však opisuje priestor v obsahu „polievky“. Maldacena ukázal, že etiketa a polievka sú jedno a to isté; kvantové interakcie na hranici dokonale opisujú priestor anti-de-Sitter, ktorý táto hranica uzatvára.

"Tieto dve teórie sa zdajú byť úplne odlišné, ale opisujú úplne to isté," hovorí Preskill.

Maldacena v roku 2001 pridal holografickú rovnicu k zapleteniu. Priestor si predstavil v dvoch plechovkách s polievkou, v každej bola čierna diera. Potom vytvoril ekvivalent domáceho hrnčekového telefónu, ktorý spája čierne diery s červou dierou, tunel priestoročasom, ktorý ako prvý navrhli Einstein a Nathan Rosen v roku 1935. Maldacena hľadala spôsob, ako vytvoriť ekvivalent tohto časopriestorového odkazu na etiketách plechoviek. Trik, uvedomil si, bol zapletenie.

Rovnako ako červia diera, kvantové zapletenie spája objekty, ktoré nemajú žiadny zjavný vzťah. Kvantový svet je rozmazané miesto: elektrón sa môže otáčať v oboch smeroch súčasne, pričom je v stave superpozície, kým merania neposkytnú presnú odpoveď. Ak sú však dva elektróny zapletené, meranie rotácie jedného umožní experimentátorovi zistiť spin druhého - aj keď je partnerský elektrón v superpozičnom stave. Táto kvantová väzba zostáva, aj keď sú elektróny od seba vzdialené metre, kilometre alebo svetelné roky.

Maldacena ukázal, že zamotaním častíc na jeden štítok s časticami na druhom je možné dokonale kvantovo-mechanicky popísať spojenie plechoviek s červou dierou. V kontexte holografického princípu je spletenie ekvivalentné fyzickému spájaniu kúskov časopriestoru dohromady.

Van Raamsdonck, inšpirovaný týmto spojením spleti s časopriestorom, premýšľal nad tým, akú veľkú úlohu môže spletenie zohrávať pri formovaní časopriestoru. Na kvantovej plechovke s polievkou predložil najčistejšiu etiketu: bielu, zodpovedajúcu prázdnemu disku priestoru proti de-Sitterovi. Vedel však, že podľa základov kvantovej mechaniky prázdny priestor nikdy nebude úplne prázdny. Je naplnený pármi častíc, ktoré plávajú dovnútra a von. A týmto sa prchavé častice zamotajú.

Van Raamsdonk teda nakreslil imaginárny pôdorys na holografický štítok a potom matematicky roztrhol kvantové prepletenie medzi časticami na jednej polovici štítku a časticami na druhej. Zistil, že zodpovedajúci disk priestoru anti-de-Sitter sa začal rozdeľovať na polovicu. Je to, ako keby zapletené častice boli háčiky, ktoré držia plátno priestoru a času na svojom mieste; bez nich sa časopriestor rozpadne na kúsky. Keď Van Raamsdonk znižoval stupeň zapletenia, časť priestoru spojeného s rozdelenými oblasťami sa zmenšovala, ako gumová niť tiahnuca sa z gumy.

„To ma priviedlo k presvedčeniu, že prítomnosť vesmíru začína prítomnosťou spleti.“

Bolo to odvážne tvrdenie a chvíľu trvalo, kým si práca Van Raamsdonka, publikovaná v časopise General Relativity and Gravitation v roku 2010, získala vážnu pozornosť. Oheň záujmu vzplanul už v roku 2012, keď štyria fyzici z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare napísali dokument, ktorý spochybnil konvenčné presvedčenie o horizonte udalostí, bode čiernej diery, odkiaľ niet návratu.

Pravda za bránou firewall

V 70. rokoch minulého storočia teoretický fyzik Stephen Hawking ukázal, že páry spletených častíc - rovnaké druhy, ktoré Van Raamsdonk neskôr analyzoval na svojej kvantovej hranici - sa môžu na horizonte udalostí rozpadnúť. Jeden padá do čiernej diery, zatiaľ čo druhý uniká spolu s takzvaným Hawkingovým žiarením. Tento proces postupne nahlodáva hmotnosť čiernej diery, čo nakoniec vedie k jej smrti. Ale ak čierne diery zmiznú, záznam o všetkom, čo padlo dovnútra, by mal zmiznúť s ním. Kvantová teória na druhej strane uvádza, že informácie nemožno zničiť.

Do 90. rokov navrhlo riešenie tohto problému niekoľko teoretických fyzikov, vrátane Stanforda Leonarda Susskinda. Áno, povedali, hmota a energia spadajú do čiernej diery. Ale z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa tento materiál nikdy neprekročí horizont udalostí; zdá sa, že balansuje na jej okraji. V dôsledku toho sa horizont udalostí stane holografickou hranicou obsahujúcou všetky informácie o priestore vo vnútri čiernej diery. Keď sa totiž čierna diera vyparí, táto informácia unikne vo forme Hawkingovho žiarenia. V zásade môže pozorovateľ toto žiarenie zozbierať a obnoviť všetky informácie o vnútri čiernej diery.

Fyzici Ahmed Almheiri, Donald Marolph, James Sully a Joseph Polchinsky vo svojom príspevku z roku 2012 uviedli, že s týmto obrázkom nie je niečo v poriadku. Niektorí pozorovatelia, ktorí sa pokúšajú zostaviť hádanku toho, čo je vo vnútri čiernej diery, poznamenali, že všetky jednotlivé časti skladačky - častice Hawkingovho žiarenia - musia byť navzájom zapletené. Tiež každá Hawkingova častica musí byť zapletená so svojim pôvodným partnerom, ktorý spadol do čiernej diery.

Len zmätok bohužiaľ nestačí. Kvantová teória uvádza, že aby bolo zapletenie prítomné medzi všetkými časticami mimo čiernej diery, je potrebné vylúčiť spletenie týchto častíc s časticami vo vnútri čiernej diery. Fyzici navyše zistili, že prelomením jedného z opletení by sa na horizonte udalostí vytvorila nepreniknuteľná energetická stena, nazývaná firewall.

Mnoho fyzikov spochybnilo, že čierne diery v skutočnosti odparujú všetko, čo sa pokúša dostať dovnútra. Ale samotná možnosť brány firewall je alarmujúca. Fyzici sa predtým zamýšľali nad tým, ako vyzerá priestor vo vnútri čiernej diery. Teraz si nie sú istí, či čierne diery majú toto „vnútro“ vôbec. Všetci vyzerali rezignovane, poznamenáva Preskill.

Susskind sa však nezmieril. Roky sa snažil dokázať, že informácie nezmiznú vo vnútri čiernej diery; dnes je tiež presvedčený, že myšlienka brány firewall je nesprávna, ale zatiaľ sa jej to nepodarilo dokázať. Jedného dňa dostal od Maldaceny záhadný list: „Nebolo v tom veľa,“ hovorí Susskind. - Iba ER = EPR. “ Maldacena, teraz v Ústave pokročilých štúdií v Princetone, uvažoval o svojej práci s plechovkami od polievky v roku 2001 a zaujímalo ho, či červie diery dokážu vyriešiť chaos vo firewalle. Susskind rýchlo pochopil túto myšlienku.

V článku publikovanom v nemeckom časopise Fortschritte der Physik v roku 2013 Maldacena a Susskind uviedli, že červia diera - technicky Einstein -Rosenov most alebo ER - je časopriestorovým ekvivalentom kvantového zapletenia. (EPR je chápaný ako experiment Einsteina-Podolského-Rosena, ktorý mal rozptýliť mytologické kvantové zapletenie). To znamená, že každá častica Hawkingovho žiarenia, bez ohľadu na to, ako ďaleko je od pôvodu, je priamo spojená s vnútrom čiernej diery krátkou cestou priestoročasom.

"Ak sa pohybujete cez červiu dieru, vzdialené veci nie sú tak ďaleko," hovorí Susskind.

Susskind a Maldacena sa ponúkli, že zozbierajú všetky Hawkingove častice a roztlačia ich k sebe, kým sa nezrútia do čiernej diery. Táto čierna diera by bola zapletená, a preto by bola prepojená červou dierou s pôvodnou čiernou dierou. Tento trik zmenil zamotanú spleť Hawkingových častíc - paradoxne zapletených s čiernou dierou a medzi sebou - na dve čierne diery spojené červou dierou. Preťaženie zapletením bolo vyriešené a problém s bránou firewall bol vyriešený.

Nie všetci vedci naskočili na električkový vlak ER = EPR. Susskind a Maldacena priznávajú, že majú pred sebou ešte veľa práce, aby dokázali rovnocennosť červích dier a zapletenie. Ale po zvážení dôsledkov paradoxu brány firewall sa mnohí fyzici zhodujú, že časopriestor vo vnútri čiernej diery vďačí za svoju existenciu spleteniu žiarenia vonku. Toto je dôležitý poznatok, poznamenáva Preskill, pretože to tiež znamená, že celá štruktúra časopriestoru vo vesmíre, vrátane záplaty, ktorú obsadzujeme, je výsledkom kvantovej strašidelnej akcie.

Vesmírny počítač

Jedna vec je povedať, že vesmír buduje priestoročas spletením; to je niečo celkom iné, ako ukázať, ako to vesmír robí. Preskill a kolegovia sa tejto skľučujúcej úlohy zhostili, keď sa rozhodli vnímať vesmír ako kolosálny kvantový počítač. Vedci takmer dvadsať rokov pracovali na vybudovaní kvantových počítačov, ktoré používajú informácie šifrované v zapletených prvkoch, ako sú fotóny alebo malé mikroobvody, na riešenie problémov, s ktorými si tradičné počítače nevedia rady. Preskillov tím používa znalosti získané z týchto pokusov na predpovedanie toho, ako sa jednotlivé detaily vo vnútri polievky môžu odraziť na štítku naplnenom zmätkom.

Kvantové počítače fungujú tak, že využívajú súčasti, ktoré sú v superpozícii stavov, ako sú dátové nosiče - môžu to byť nuly aj jednotky súčasne. Stav superpozície je však veľmi krehký. Nadbytočné teplo napríklad môže zničiť stav a všetky kvantové informácie, ktoré obsahuje. Táto strata informácií, ktorú Preskill porovnáva s roztrhnutými stranami v knihe, sa zdá byť nevyhnutná.

Fyzici však zareagovali vytvorením protokolu na opravu kvantovej chyby. Namiesto toho, aby sa vedci pri ukladaní kvantového bitu spoliehali na jednu časticu, rozdelili údaje medzi viacero zapletených častíc. Kniha, napísaná v jazyku kvantovej korekcie chýb, bude plná šibalstiev, hovorí Preskill, ale celý jej obsah je možné obnoviť, aj keď chýba polovica strán.

Oprave kvantových chýb sa v posledných rokoch venovala veľká pozornosť, ale teraz Preskill a jeho kolegovia majú podozrenie, že príroda tento systém vymyslela už dávno. V júni, v časopise Journal of High Energy Physics, Preskill a jeho tím ukázali, ako spletenie mnohých častíc na holografickej hranici ideálne popisuje jednu časticu priťahovanú gravitáciou v rámci kúska anti-de-Sitterovho priestoru. Maldacena hovorí, že toto zistenie by mohlo viesť k lepšiemu porozumeniu toho, ako hologram kóduje všetky detaily časopriestoru, ktorý ho obklopuje.

Fyzici priznávajú, že ich myslenie má pred sebou ešte dlhú cestu, aby sa zhodovalo s realitou. Aj keď priestor proti de-Sitteru ponúka fyzikom výhodu práce s presne definovanou hranicou, vesmír nemá na polievkovej nádobe taký jasný štítok. Štruktúra časopriestoru vesmíru sa od Veľkého tresku rozširuje a stále rastie. Ak pošlete lúč svetla do vesmíru, neotočí sa a nevráti; bude lietať. „Nie je jasné, ako definovať holografickú teóriu nášho vesmíru,“ napísala Maldacena v roku 2005. - Jednoducho nie výhodné miesto umiestniť hologram “.

Napriek tomu, že všetky tieto hologramy, plechovky na polievky a červie diery znejú zvláštne, môžu sa stať sľubnými cestami, ktoré povedú k zlúčeniu kvantovo strašidelných akcií s geometriou časopriestoru. Einstein a Rosen vo svojej práci o červích dierach diskutovali o možných kvantových dôsledkoch, ale neprepojili ich rané práce zapletením. Dnes toto spojenie môže pomôcť zjednotiť kvantovú mechaniku všeobecnej teórie relativity do teórie kvantovej gravitácie. Fyzici vyzbrojení takouto teóriou by mohli rozobrať záhady stavu mladého vesmíru, keď sa hmota a energia zmestia do nekonečne malého bodu v priestore. uverejnený

O kvantovom zapletení bolo publikovaných mnoho obľúbených článkov. Experimenty s kvantovým zapletením sú veľmi účinné, ale nedostali žiadne ceny. Prečo vedci nezaujímajú také zaujímavé experimenty pre bežného človeka? Populárne články hovoria o úžasných vlastnostiach párov zapletených častíc - dopad na jeden vedie k okamžitej zmene stavu druhého. A čo sa skrýva za pojmom „kvantová teleportácia“, o ktorom sa už začalo hovoriť, že sa vyskytuje nadsvetelnou rýchlosťou. Pozrime sa na to všetko z pohľadu normálnej kvantovej mechaniky.

Čo vychádza z kvantovej mechaniky

Kvantové častice môžu byť v dvoch typoch stavov, podľa klasickej učebnice Landaua a Lifshitza - čisté a zmiešané. Ak častica neinteraguje s inými kvantovými časticami, je to popísané vlnovou funkciou, ktorá závisí iba od jej súradníc alebo hybnosti - takýto stav sa nazýva čistý. V tomto prípade sa vlnová funkcia riadi Schrödingerovou rovnicou. Je možná aj iná možnosť - častica interaguje s inými kvantovými časticami. V tomto prípade sa vlnová funkcia vzťahuje na celý systém interagujúcich častíc a závisí od všetkých ich dynamických premenných. Ak nás zaujíma iba jedna častica, potom jej stav, ako ukázal Landau pred 90 rokmi, môže opísať operátor matice alebo hustoty. Matica hustoty dodržiava rovnicu podobnú Schrödingerovej rovnici

Kde je matica hustoty, H je Hamiltonov operátor a zátvorky označujú komutátor.

Landau ho priviedol von. Akékoľvek fyzikálne veličiny súvisiace s danou časticou môžu byť vyjadrené pomocou matice hustoty. Tento stav sa nazýva zmiešaný. Ak máme systém interagujúcich častíc, potom je každá z častíc v zmiešanom stave. Ak sú častice rozptýlené na dlhé vzdialenosti a interakcia zmizne, ich stav zostane stále zmiešaný. Ak je každá z niekoľkých častíc v čistom stave, potom je vlnová funkcia takéhoto systému súčinom vlnových funkcií každej z častíc (ak sú častice odlišné. Pre identické častice, bozóny alebo fermióny musíte vytvoriť symetrická alebo antisymetrická kombinácia, pozri, ale o tom neskôr. Identita častíc, fermiónov a bozónov je už relativistická kvantová teória.

Zapletený stav páru častíc je stav, v ktorom existuje konštantná korelácia medzi fyzikálnymi veličinami súvisiacimi s rôznymi časticami. Jednoduchým a najbežnejším príkladom je určitý súčet fyzické množstvo napríklad celkový spin alebo moment hybnosti páru. Dvojica častíc je zároveň v čistom stave, ale každá z častíc je v zmiešanom stave. Môže sa zdať, že zmena stavu jednej častice bezprostredne ovplyvní stav inej častice. Aj keď sa rozptýlili ďaleko a nereagujú, je to vyjadrené v populárnych článkoch. Tento jav už bol nazvaný kvantová teleportácia. Niektorí pologramotní novinári dokonca tvrdia, že zmena nastáva okamžite, to znamená, že sa šíri rýchlejšie ako rýchlosť svetla.

Uvažujme o tom z pohľadu kvantovej mechaniky: Po prvé, každá akcia alebo meranie, ktoré zmení rotáciu alebo moment hybnosti iba jednej častice, okamžite porušuje zákon zachovania celkovej charakteristiky. Príslušný operátor nemôže dochádzať s plným otáčaním alebo celkovou hybnosťou. Je teda porušené počiatočné zamotanie stavu páru častíc. Rotácia alebo moment hybnosti druhej častice už nemôže byť jednoznačne spojený s hybnosťou prvej. Tento problém môžete zvážiť aj z druhej strany. Potom, čo interakcia medzi časticami zmizne, je vývoj matice hustoty pre každú z častíc popísaný jej vlastnou rovnicou, ktorá nezahŕňa dynamické premenné druhej častice. Vplyv na jednu časticu teda nezmení maticu hustoty inej.

Existuje dokonca aj Eberhardova veta, ktorá tvrdí, že vzájomný vplyv dvoch častíc nie je možné merať. Nech existuje kvantový systém popísaný maticou hustoty. A nech sa tento systém skladá z dvoch subsystémov A a B. Eberhardova veta uvádza, že žiadne meranie pozorovateľných hodnôt spojených iba so subsystémom A neovplyvňuje výsledok merania akýchkoľvek pozorovateľných prvkov, ktoré sú spojené iba so subsystémom B. Dôkaz vety však používa vlnu. redukčná hypotéza funkcia, ktorá nebola dokázaná ani teoreticky, ani experimentálne. Všetky tieto argumenty sú však predložené v rámci nerelativistickej kvantovej mechaniky a týkajú sa rôznych, nie identických častíc.

Táto úvaha nefunguje v relativistickej teórii v prípade dvojice identických častíc. Ešte raz pripomeniem, že identita alebo nerozlíšiteľnosť častíc je z relativistickej kvantovej mechaniky, kde počet častíc nie je zachovaný. Pri pomalých časticiach však môžeme použiť jednoduchší aparát nerelativistickej kvantovej mechaniky, jednoducho tým, že vezmeme do úvahy nerozlíšiteľnosť častíc. Potom musí byť vlnová funkcia páru vzhľadom na permutáciu častíc symetrická (pre bozóny) alebo antisymetrická (pre fermióny). Takáto požiadavka vzniká v relativistickej teórii bez ohľadu na rýchlosti častíc. Práve táto požiadavka vedie k diaľkovým koreláciám dvojice identických častíc. V zásade môže byť v zapletenom stave aj protón s elektrónom. Ak sa však líšia o niekoľko desiatok angstrômov, potom interakcia s elektromagnetické polia a ďalšie častice zničia tento stav. Ako ukazujú experimenty, výmenná interakcia (ako sa tento jav nazýva) funguje na makroskopických vzdialenostiach. Dvojica častíc, dokonca rozptýlená v metroch, zostáva na nerozoznanie. Ak robíte meranie, potom neviete presne, ktorej častici meraná hodnota patrí. Meriate s niekoľkými časticami súčasne. Preto boli všetky veľkolepé experimenty uskutočnené s presne rovnakými časticami - elektrónmi a fotónmi. Presne povedané, nie je to presne zamotaný stav, ktorý sa zvažuje v rámci nerelativistickej kvantovej mechaniky, ale niečo podobné.

Zoberme si najjednoduchší prípad - pár identických neinteragujúcich častíc. Ak sú rýchlosti malé, môžeme použiť nerelativistickú kvantovú mechaniku, pričom vezmeme do úvahy symetriu vlnovej funkcie vzhľadom na permutáciu častíc. Nech vlnová funkcia prvej častice, druhej častice -, kde a sú dynamické premenné prvej a druhej častice, v najjednoduchšom prípade len súradnice. Potom vlnová funkcia páru

Znaky + a - sa týkajú bozónov a fermiónov. Predpokladajme, že častice sú ďaleko od seba. Potom sú lokalizované v odľahlých oblastiach 1 a 2, to znamená, že mimo týchto oblastí sú malé. Skúsme vypočítať priemernú hodnotu nejakej premennej prvej častice, napríklad súradníc. Pre jednoduchosť si môžeme predstaviť, že vlnové funkcie obsahujú iba súradnice. Ukazuje sa, že priemerná hodnota súradníc častice 1 leží MEDZI oblasťami 1 a 2 a zhoduje sa s priemernou hodnotou pre časticu 2. Toto je vlastne prirodzené - častice sú nerozoznateľné, nemôžeme vedieť, ktoré časticové súradnice sa merajú. Vo všeobecnosti budú všetky priemerné hodnoty pre častice 1 a 2 rovnaké. To znamená, že pohybom lokalizačnej oblasti častice 1 (napríklad častica je lokalizovaná vo vnútri defektu kryštálovej mriežky a my pohneme celým kryštálom) pôsobíme na časticu 2, aj keď častice neinteragujú v obvyklom zmysle - napríklad prostredníctvom elektromagnetického poľa. Toto je jednoduchý príklad relativistického zapletenia.

Vďaka týmto koreláciám medzi týmito dvoma časticami nedochádza k žiadnemu okamžitému prenosu informácií. Zariadenie relativistickej kvantovej teórie bolo pôvodne skonštruované tak, aby sa udalosti nachádzajúce sa v časopriestore na opačných stranách svetelného kužeľa navzájom neovplyvňovali. Jednoducho povedané, žiadny signál, žiadny náraz alebo rušenie nemôže cestovať rýchlejšie ako svetlo. Obe častice sú v skutočnosti stavom rovnakého poľa, napríklad elektrónovo-pozitrónového. Pôsobením na pole v jednom bode (na častici 1) vytvárame poruchu, ktorá sa šíri ako vlny na vode. V nerelativistickej kvantovej mechanike je rýchlosť svetla považovaná za nekonečne veľkú, čo spôsobuje ilúziu okamžitých zmien.

Situácia, keď častice oddelené veľkými vzdialenosťami zostanú viazané v páre, sa zdá paradoxná kvôli klasickým konceptom častíc. Je potrebné pripomenúť, že v skutočnosti neexistujú častice, ale polia. To, čo si myslíme ako častice, sú jednoducho stavy týchto polí. Klasický koncept častíc je v mikrosvete úplne nevhodný. Okamžite sa vynárajú otázky o veľkosti, tvare, materiáli a štruktúre elementárnych častíc. V skutočnosti situácie, ktoré sú pre klasické myslenie paradoxné, vznikajú aj s jednou časticou. Napríklad v Stern-Gerlachovom experimente atóm vodíka letí nehomogénnym magnetickým poľom smerujúcim kolmo na rýchlosť. Otáčanie jadra je možné zanedbať z dôvodu maličkosti jadrového magnetónu, spočiatku nech je spin elektrónu nasmerovaný pozdĺž rýchlosti.

Vývoj vlnovej funkcie atómu je ľahké vypočítať. Počiatočný lokalizovaný paket vĺn je rozdelený na dva identické, lietajúce symetricky v uhle k pôvodnému smeru. To znamená, že atóm, ťažká častica, zvyčajne považovaná za klasickú s klasickou trajektóriou, je rozdelená do dvoch vlnových paketov, ktoré sa môžu rozletieť v celkom makroskopických vzdialenostiach. Zároveň poznamenám, že z výpočtu vyplýva, že ani ideálny Stern-Gerlachov experiment nie je schopný zmerať spin častice.

Ak detektor naviaže atóm vodíka napríklad chemicky, potom sa „polovičky“ - dva balíky rozptýlených vĺn spoja do jedného. Ako k takej lokalizácii rozmazanej častice dôjde, je samostatná teória, ktorej nerozumiem. Záujemcovia môžu nájsť rozsiahlu literatúru na túto tému.

Záver

Vynára sa otázka - aký zmysel majú mnohé experimenty na demonštráciu korelácií medzi časticami na veľké vzdialenosti? Okrem potvrdenia kvantovej mechaniky, o ktorej už žiadny normálny fyzik nepochybuje, je to veľkolepá ukážka, ktorá zapôsobí na verejnosť a úradníkov diletantov, ktorí vyčleňujú finančné prostriedky na vedu (napríklad vývoj kvantových komunikačných liniek sponzoruje Gazprombank ). Pokiaľ ide o fyziku, tieto drahé ukážky nerobia nič, aj keď umožňujú rozvoj experimentálnej techniky.

Literatúra
1. Landau, LD, Lifshitz, EM Kvantová mechanika (nerelativistická teória). - 3. vydanie, revidované a rozšírené. - M.: Nauka, 1974.- 752 s. - („Teoretická fyzika“, zväzok III).
2. Eberhard, P.H., „Bellova veta a rôzne koncepty nelokality“, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)