Квантовая запутанность эксперимент кратко
Обновлено: 30.06.2024
В последнее время слова "квантовая запутанность" стали весьма модными в СМИ. В различных научно-популярных статьях то и дело объясняется, что учёные смогли запутать разного рода частицы, и что совсем скоро всё это приведёт нас к научно-технической революции в виде появления квантовых компьютеров. В общем, тема это злободневная, так как нас пугают прогнозами, что когда квантовые компьютеры всё-таки появятся, то злобные хакеры тут же вытащат все ваши деньги из кредитной карты, телефона, криптовалютных кошельков, и даже из ваших трусов. Но при этом, ни одна научно-популярная статья не объясняет, что же такое эта самая квантовая запутанность. Вроде как подразумевается, что это и так всем понятно, а потому обсуждать этот вопрос смысла нет. Но мы его, всё-таки, обсудим.
Начнём, как всегда, с определения. Квантовая запутанность - это наблюдаемый в экспериментах эффект, когда две частицы атомных размеров связаны друг с другом таким образом, что пока одна из них имеет одно значение какой-то характеристики, другая имеет такое же или противоположное значение той же характеристики. Самый простой пример - запутанные фотоны. Фотон - это частица с целым спином. То есть этот спин может быть равен плюс один или минус один. У запутанной пары фотонов их суммарный спин равен нулю. То есть когда у одного фотона спин равен плюс одному, у второго он равен минус одному.
Было проведено множество экспериментов и теоретических изысканий, которые показали, что эта связанность фотонов действует даже тогда, когда те разнесены на достаточно большое расстояние. Если для одного из фотонов провести измерение его спина, то есть поляризации, то второй фотон тут же "узнает" об этом и обретёт фиксированное противоположное состояние. Но и это ещё не всё. Есть возможность не просто измерить спин фотона, а ещё и гарантировать, что измеренный спин будет именно таким, каким нужно "измерителю". И тогда получается, что мы можем дистанционно влиять на второй фотон, "передавая в него" определённое состояние. Данное явление получило название "квантовая телепортация".
Когда около сотни лет назад эффект квантовой запутанности был только обнаружен, учёные бредили реализмом - идеей, что весь физический мир можно описать с помощью определённых численных параметров и некоторого набора базовых сил физического взаимодействия. Тогда была предложена теория скрытых параметров, которая утверждала, что у запутанных частиц есть какие-то особо хитрые способы взаимодействия, с помощью которых одна частица физически воздействует на другую. Правда, довольно быстро выяснилось, что если такое взаимодействие существует, то скорость "передачи сигнала" значительно превышает скорость света, которая вроде как считалась максимально возможной.
Но даже это не было главной проблемой теории скрытых параметров. Проблемой было то, что некие "физические поля" должны были связывать две частицы, при этом напрочь игнорируя всю ту материю, что находилась между ними. Представьте себе, что мы запутали две частицы и переместили их на противоположные стороны Земли. Тогда при измерении состояния одной частицы она должна была оказать воздействие на вторую, воздействуя на неё прямо сквозь ядро планеты. И при этом все те частицы, что находились на линии этого взаимодействия, не испытывали никаких обнаруживаемых изменений в своём поведении. Подобное взаимодействие частиц настолько противоречило наблюдаемой учёными картине мира, что в последствии от этой теории отказались. А позднее было разработано Неравенство Белла и проведены эксперименты, которые доказали, что никаких "скрытых" параметров у частиц нет.
Следующей теорией, которая является общепризнанной до сих пор, была Копенгагенская интерпретация квантовой физики. В ней учёные пошли до конца в своём неправильном восприятии Теории Вероятности и заявили, что неопределённость состояния частицы - это не недостаток информации у наблюдателя, а реальный физический эффект. То есть вроде как частица находится во всех состояниях сразу, а при "измерении" её состояния это неопределённое состояние становится определённым, обретая конкретные численные показатели.
Правда, эта теория не дала никакого объяснения тому, каким образом происходит выбор одного конкретного параметра из целого набора потенциально возможных. Если бы речь шла о статистике, то мы бы говорили о том, что из миллиона событий, нам реально встретилось столько-то таких, и столько-то сяких. Но квантовая физика должна объяснять поведение отдельных частиц. Ведь всегда есть возможность измерить состояние одного конкретного фотона или атома. В результате, была предложена концепция, что теория квантовой физики неспособна предсказать поведение отдельной частицы, как её не измеряй. А может лишь дать описание того, какими будут вероятные исходы при измерении миллионов событий. И эта самая неспособность предсказать параметры частицы была объяснена не недостаточностью информации у наблюдателя, а "особым физическим явлением" - волновой функцией.
По сути, физики вообще самоустранились от объяснения чего-либо, заявив, что в первую очередь их интересуют работа измерительных приборов и математические формулы, а не то, как оно там всё на самом деле устроено. Более того, в таком подходе проведение измерения с помощью прибора было фактически приравнено к "божественной воле наблюдателя", который одним своим взглядом заставляет мир подчиниться законам реализма, отринув "квантовую ересь". Явно такого, конечно, никто не заявил, но подспудно именно к такому выводу и приходят те, кто пытается вникнуть в суть квантовой физики. Таким образом учёные мысленно "отгородились" от непонятного для них явления и предпочти сделать вид, что "внутри квантовой механики" нет абсолютно ничего, достойного их внимания. Сразу вспоминается басня Крылова про лису и виноград.
Что же на самом деле происходит на квантовом уровне, из-за чего отдельные элементарные частицы обретают такие странные свойства? Чтобы узнать ответ на этот вопрос, нам нужно будет обратиться к науке, которая возникла лишь спустя 50 лет после появления квантовой физики, и получила достаточное развитие только в 21 веке. Речь пойдёт о Теории Хаоса. Несмотря на название, эта теория не имеет отношения к разного рода сатанинским ритуалам, массовым жертвоприношениям и ордам космических орков. Хаос - это тоже своего рода неопределённость, но совсем другая, чем неопределённость Теории Вероятности. В основе этой теории лежат такие математические явления как фракталы . Я сейчас не буду углубляться в Теорию Хаоса. Могу лишь порекомендовать прочитать книгу: Джеймс Глейк "Хаос. Создание новой науки" .
Одним из важных математических свойств фракталов является их дробная размерность. Возьмём какой-нибудь фрактал на двухмерной плоскости. С одной стороны, он имеет определённую форму, а потому является двухмерной фигурой. Но в то же время, каждая "точка" на изображении может быть приближена, и мы увидим, что она тоже является сложной фигурой, которая тем не менее повторяет общие формы фрактала в других масштабах. Это самоподобие является одним из самых интересных свойств фракталов. Но вместе с тем, это подобие никогда не является полным. Разные части фрактала всегда похожи, но также всегда отличаются друг от друга "в мелочах".
Получается, что форма каждого конкретного участка фрактала определяется двумя обстоятельствами: конкретным положением этого участка на сетке координат и. математической формулой фрактала. Можно сделать вывод, что внешний вид фрактала - это результат совместного влияния случайности координат и порядка формулы. Чем сильнее влияние формулы, тем более "самоподобным" будет фрактал, и тем меньше будет его "истинная размерность". Получается, что "закон" формулы фрактала отнимает какую-то часть от его истинной двухмерности, снижая допустимый уровень "уникального поведения" части изображения. В результате, могут получаться изображения с размерностью примерно 1.8, 1.6 и даже 1.3.
Какая же связь существует между фракталами и квантовой физикой? Дело в том, что в квантовой физике также существуют объекты с дробной мерностью. Вот только эта "дробность" проявляется не в виде формы частицы, а в виде её. поведения в пространстве состояний. Возьмём, к примеру, фотон. Эта частица существует в трёхмерном пространстве. То есть у неё теоретически есть координата по всем трём осям пространства. Также у фотона есть "длина волны". Это отдельная характеристика, которая теоретически может варьироваться от нуля до бесконечности. Она добавляет фотону дополнительную размерность. Ещё, фотон обладает спином. Если спин положительный, то тогда имеет значение также и направление линейной поляризации. Если же спин отрицательный, то значение имеет фаза круговой поляризации. Итого, получаем ещё два измерения в копилку.
Выходит, что фотон как объект существует в шестимерном пространстве состояний. Вот только при внимательном взгляде мы можем понять, что у фотона нет "свободы действия" в одном из измерений. Скорость фотона является фиксированной. Он всегда летит вперёд с максимально доступной скоростью и никак иначе. Получается, что на самом деле из трёх пространственных координат фотон может "распоряжаться" только двумя. А значением третьей координаты управляет. некая "фрактальная формула фотона". Или другими словами, фотон является "истинно плоским" объектом в трёхмерном мире. Вполне естественно, что если мы попробуем рассматривать двухмерный объект как трёхмерный, то получим какое-то "странное поведение". И это вполне ожидаемо. Двухмерный предмет может повернуться к наблюдателю "боком" и тогда возникнет ощущение, что он исчез. У двухмерного объекта не может быть массы покоя, потому что его объём равен нулю. Ну и так далее.
Изучение поведения элементарных частиц позволяет предположить, что все они являются "ущербными" объектами с дробной размерностью. А также, что существуют некие "формулы", которые управляют поведением этих частиц, ограничивая их степень свободы. Согласитесь, это очень похоже на рассказы различных религиозных писаний о том, что "вначале был хаос, а потом пришёл бог и создал мир, установив свои божественные законы и ограничения". Но не будем углубляться в метафизику. В этой статье я пытаюсь описать природу законов физики, а не то, откуда эти законы взялись. Есть законы, и есть. Как говорится, ну и слава Богу.
Вернёмся теперь к основной теме статьи. Наконец-то мы дошли и до неё. Что же такое квантовая запутанность? Вспомним её определение. У нас есть две частицы, свобода состояния которых дополнительно ограничена каким-то "законом". Это же именно то, о чём мы только что говорили. То есть два квантово запутанных фотона являются уже не пятимерными, а имеют четыре измерения. Что значит эта "недостача"? Что с одной стороны спин у фотона вроде как есть, а с другой стороны у двух фотонов их общий спин равен нулю, то есть отсутствует напрочь. Вот мы и отнимаем одно "измерение пространства". А если ещё учесть связанность у фотонов также и поляризации, то размерность запутанной пары фотонов уменьшается ещё на один. В результате мы получаем истинно трёхмерный объект, который существует в шестимерном пространстве состояний.
И тут возникает вполне естественный вопрос, а что же происходит при измерении состояния одного из фотонов? Посмотрим на ситуацию в целом. В определённый момент у нас появляется два фотона, оба из которых имеют размерность 3. Этим самым они отличаются от "обычных" фотонов, размерность которых равна 5. Эти два фотона существуют по "особым законам физики", которые описывают именно свойства и поведение квантово запутанных фотонов. Что же происходит когда мы "измеряем" состояние одного из фотонов? По отношению к фотонам их измерение означает полное уничтожение. То есть фотон поглощается, и его энергия переходит в другую форму, что мы и фиксируем с помощью какого-то оборудования.
А что в этот момент происходит со вторым фотоном? Он уже не может существовать по законам "запутанного фотона", и ему остаётся только превратиться в самый обычный фотон, у которого есть вполне определённые спин и фаза поляризации. Именно этот момент в квантовой физике называется "схлопыванием волновой функции". Но что куда и откуда схлопывается? Ведь речь здесь идёт не о какой-то математической абстракции, а о вполне реальном физическом событии. Если бы фотоны не имели ограниченной свободы действий, то скорость их движения не была бы фиксированной. То есть вот эта "дробная размерность" является не нашим умозрительным предположением, а вполне конкретным физическим явлением, имеющим измеримые физические последствия.
Поскольку в момент "уничтожения" одного из фотонов, второй получает "дополнительные измерения" в своём описании, то эти же измерения получает и первый фотон. В этот момент как бы предполагается, что раз спина до этого не было как явления, то это равнозначно тому, что он был равен нулю. Соответственно, сумма значений спинов двух фотонов должна тоже быть равна нулю. О том, каким образом определяется, какой из фотонов должен получить положительный спин, а какой отрицательный, мы поговорим позднее. А сейчас давайте обратим внимание на то, каким образом происходит сам процесс определения значения характеристики.
Самым главным моментом, на который стоит обратить внимание, является то, что в момент "схлопывания волновой функции" происходит "переключение" закона, определяющего свойства частицы. То есть возникает впечатление, что до этого момента данный фотон значился в одном "реестре частиц", а потом его "перенесли" в другой список. В результате, на него стали действовать другие законы, и само поведение частицы изменяется. Не полностью, но ощутимо. И тут возникает вопрос, а что же это за "божественный реестр", и кто там перекладывает частицы из одной виртуальной кучи в другую?
Можно сделать предположение, что это некий компьютер, который "обсчитывает" все события в нашей Вселенной. То есть наш мир является этакой "виртуальной реальностью", в которой воспроизводится результат существования огромного количества элементарных частиц. Не будем сейчас углубляться в экзистенциальные вопросы о том, как это всё проделали, и кому это нужно. Нас сейчас интересует физика процесса этого "обсчёта" реальности. Но фактически, мы уже влезаем в дела реальности более высокого уровня. Чем-то наш интерес подобен интересу "неписей" из компьютерной игры, которые хотят из этой игры вылезти и надавать по морде тому "гению", который её написал.
Что же стоит за явлением квантового запутывания, если принять верной идею о "цифровой симуляции реальности". Очевидным будет ответ: экономия ресурсов. Во Вселенной существует огромное количество элементарных частиц. И чтобы "обсчитать" поведение каждой из них, нужна невероятная вычислительная мощь. И как всегда, мощностей ни на что не хватает, потому что "заказчики" проекта хотят больше, чем у них есть денег. У людей такое происходит везде и всюду, так что нет ничего удивительного, что то же самое произошло и у творцов Вселенной.
Квантовая запутанность позволяет уменьшить количество "свободных параметров" у частицы, заменив их неким абстрактным "фрактальным законом". Таким образом расходуется гораздо меньше памяти и вычислительных ресурсов процессора. Два отдельных фотона "потребляют" 10 условных единиц памяти. А два запутанных фотона используют лишь 6. Выгода очевидна. В окружающем мире квантовая запутанность встречается очень часто. Для нас проблема заключается не в том, чтобы определить факт запутанности, а в том, чтобы понять, что с чем запутанно. Когда два квантовых объекта сталкиваются, можно объединить их в одну "виртуальную группу" и назначить им особый "фрактальный закон". Это позволяет не рассчитывать состояние частиц постоянно, а отложить этот процесс "на потом", когда эти частицы реально понадобятся для проведения следующего вычисления.
Кто-то может посчитать всю эту теорию досужими вымыслами, вот только у неё есть вполне конкретное и измеряемое доказательство. Более того, уже сейчас учёные научились использовать этот феномен для своих нужд. Речь идёт о квантовых компьютерах. "Компьютер Бога" заведомо куда мощнее того, что можем создать мы. Так что возникает вполне естественное желание использовать его мощности для решения каких-то прикладных задач. Тут-то и вступает в дело "грязный хак" квантовой запутанности. Мы можем "запутать" несколько частиц таким образом, что попытавшись "распутать" их, Вселенная неизбежно решит определённую математическую задачу. И нам даже не важно, каким именно образом эта задача решается. Главное, что мы можем измерить состояния нескольких частиц и узнать результат вычислений. Для Вселенной это капля в море, а для нас - результат тысяч лет расчётов на наших примитивных "ламповых" компьютерах. И сам тот факт, что квантовые компьютеры уже существуют и работают, однозначно доказывает правильность моей теории.
Но вернёмся немного назад. Что же происходит в момент схлопывания волновой функции? В этот момент "компьютер бога" пытается разархивировать систему из запутанных частиц и определить состояние каждой из них. И тут возникает дилемма: у нас есть два фотона; у какого из них положительный спин, а у какого отрицательный? И тут "бог бросает кости". То есть происходит некий ещё неизвестный нам процесс, который распределяет "случайные" значения. Являются ли они на самом деле истинно случайными? Сильно сомневаюсь. Все происходящие в нашем мире события описываются с помощью математики. А в математике никаких случайностей не бывает. Именно из-за этого у создателей первых компьютеров были такие проблемы с получением случайных значений. В результате были придуманы алгоритмы, помогающие получать псевдослучайные числа. Были придуманы устройства, берущие "случайности" у окружающего мира из различных квантовых флуктуаций. Но пока мы не "вылезем из компьютера", мы не сможем однозначно убедиться в том, случайны ли решения "компьютера бога" или нет. То есть нам придётся провести вскрытие и исследовать "Бога", чтобы узнать ответ на этот вопрос. Но скорее всего мы имеем дело не с генератором случайных чисел, а с ещё одним фракталом.
Если вас еще не поразили чудеса квантовой физики, то после этой статьи ваше мышление уж точно перевернется. Сегодня я расскажу, что такое квантовая запутанность, но простыми словами, чтобы любой человек понял, что это такое.
Запутанность как магическая связь
После того, как были открыты необычные эффекты, происходящие в микромире, ученые пришли к интересному теоретическому предположению. Оно именно следовало из основ квантовой теории.
В прошлой статье я рассказывал о том, что электрон ведет себя очень странно.
Но запутанность квантовых, элементарных частиц вообще противоречит какому-либо здравому смыслу, выходит за рамки любого понимания.
Если они взаимодействовали друг с другом, то после разъединения между ними остается магическая связь, даже если их разнести на любое, сколь угодно большое расстояние.
Магическая в том смысле, что информация между ними передается мгновенно.
Как известно из квантовой механики частица до измерения находится в суперпозиции, то есть имеет сразу несколько параметров, размыта в пространстве, не имеет точное значение спина. Если над одной из пары ранее взаимодействующих частиц произвести измерение, то есть произвести коллапс волновой функции, то вторая сразу, мгновенно отреагирует на это измерение. И не важно, какое расстояние между ними. Фантастика, не правда ли.
Как известно из теории относительности Эйнштейна ничто не может превышать скорость света. Чтобы информация дошла от одной частицы до второй, нужно по крайне мере затратить время прохождения света. Но одна частица именно мгновенно реагирует на измерение второй. Информация при скорости света дошла бы до нее уже позже. Все это не укладывается в здравый смысл.
Если разделить пару элементарных частичек с нулевым общим параметром спина, то одна должна иметь отрицательный спин, а вторая положительный. Но до измерения значение спина находится в суперпозиции. Как только мы измерили спин у первой частички, увидели, что он имеет положительное значение, так сразу вторая приобретает отрицательный спин. Если же наоборот первая частичка приобретает отрицательное значение спина, то вторая мгновенно положительное значение.
Или такая аналогия.
У нас имеется два шара. Один черный, другой белый. Мы их накрыли непрозрачными стаканами, не видим, где какой. Мешаем как в игре наперстки.
Если открыли один стакан и увидели, что там белый шар, значит во втором стакане черный. Но сначала мы не знаем, где какой.
Так и с элементарными частичками. Но они до того, как на них посмотреть, находятся в суперпозиции. До измерения шары как бы бесцветны. Но разрушив суперпозицию одного шара и увидев, что он белый, то второй сразу становится черным. И это происходит мгновенно, будь хоть один шар на земле, а второй в другой галактике. Чтобы свет дошел от одного шара до другого в нашем случае, допустим нужно сотни лет, а второй шар узнает, что произвели измерение над вторым, повторяю, мгновенно. Между ними запутанность.
Понятно, что Эйнштейн, да и многие другие физики не принимали такой исход событий, то есть квантовую запутанность. Он считал выводы квантовой физики неверными, неполными, предполагал, что не хватает каких-то скрытых переменных.
Вышеописанный парадокс Эйнштейна наоборот придумал, чтобы показать, что выводы квантовой механики не верны, потому что запутанность противоречит здравому смыслу.
Этот парадокс назвали парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, сокращённо ЭПР-парадокс.
Но проведенные эксперименты с запутанностью уже позже А. Аспектом и другими учеными, показали, что Эйнштейн был не прав. Квантовая запутанность существует.
И это уже были не теоретические предположения, вытекающие из уравнений, а реальные факты множества экспериментов по квантовой запутанности. Ученые это увидели вживую, а Эйнштейн умер, так и не узнав правду.
Частицы действительно взаимодействуют мгновенно, ограничения по скорости света им не помеха. Мир оказался куда интереснее и сложнее.
При квантовой запутанности происходит, повторю, мгновенная передача информации, образуется магическая связь.
Но как такое может быть?
Сегодняшняя квантовая физика отвечает на этот вопрос изящным образом. Между частицами происходит мгновенная связь не из-за того, что информация передается очень быстро, а потому что на более глубоком уровне они просто не разделены, а все еще находятся вместе. Они находятся в так называемой квантовой запутанности.
То есть состояние запутанности это такое состояние системы, где по каким-то параметрам или значениям, она не может быть разделена на отдельные, полностью самостоятельные части.
Например, электроны после взаимодействия могут быть разделены на большое расстояние в пространстве, но их спины находятся все еще вместе. Поэтому во время экспериментов спины мгновенно согласуются между собой.
Понимаете, к чему это ведет?
Сегодняшние познания современной квантовой физики на основе теории декогеренции сводятся к одному.
Существует более глубокая, непроявленная реальность. А то, что мы наблюдаем как привычный классический мир лишь малая часть, частный случай более фундаментальной квантовой реальности.
В ней нет пространства, времени, каких-то параметров частиц, а лишь информация о них, потенциальная возможность их проявления.
Именно этот факт изящно и просто объясняет, почему возникает коллапс волновой функции, рассмотренный в предыдущей статье, квантовую запутанность и другие чудеса микромира.
Сегодня, говоря о квантовой запутанности, вспоминают потусторонний мир.
То есть на более фундаментальном уровне элементарная частица непроявленная. Она находится одновременно в нескольких точках пространства, имеет несколько значений спинов.
Затем по каким-то параметрам она может проявиться в нашем классическом мире в ходе измерения. В рассмотренном выше эксперименте две частицы уже имеют конкретное значение координат пространства, но спины их находятся все еще в квантовой реальности, непроявленные. Там нет пространства и времени, поэтому спины частиц сцеплены вместе, несмотря на огромное расстояние между ними.
А когда мы смотрим, какой спин у частицы, то есть производим измерение, мы как бы вытаскиваем спин из квантовой реальности в наш обычный мир. А нам кажется, что частицы обмениваются информацией мгновенно. Просто они были все еще вместе по одному параметру, хоть и находились далеко друг от друга. Их раздельность на самом деле есть иллюзия.
Все это кажется странным, непривычным, но этот факт уже подтверждается многими экспериментами. На основе магической запутанности создаются квантовые компьютеры.
Реальность оказалась намного сложнее и интереснее.
Принцип квантовой запутанности не стыкуется с обычным нашим взглядом на мир.
Вот как объясняет квантовую запутанность физик-ученый Д.Бом.
Допустим, мы наблюдаем за рыбой в аквариуме. Но в силу каких-то ограничений, мы можем смотреть не на аквариум, как он есть, а лишь на его проекции, снимаемые двумя камерами спереди и сбоку. То есть мы наблюдаем за рыбой, смотря на два телевизора. Нам кажутся рыбы разными, так как мы снимаем ее одной камерой в анфас, другой в профиль. Но чудесным образом их движения четко согласуются. Как только рыба с первого экрана поворачивается, вторая мгновенно делает также поворот. Мы удивляемся, не догадываясь, что это одна и та же рыба.
Так и в квантовом эксперименте с двумя частицами. Из-за своих ограничений нам кажется, что спины двух, ранее взаимодействующих частиц, не зависимы друг от друга, ведь теперь частицы находятся далеко друг от друга. Но на самом деле они все еще вместе, но находятся в квантовой реальности, в нелокальном источнике. Мы просто смотрим не на реальность, как она есть на самом деле, а с искажением, в рамках классической физики.
Квантовая телепортация простыми словами
Когда ученые узнали о квантовой запутанности и мгновенной передаче информации, многие задались вопросом: можно ли осуществить телепортацию?
Это оказалось действительно возможным.
Уже проведено множество экспериментов по телепортации.
Суть метода легко можно понять, если вы поняли общий принцип запутанности.
Имеется частица, например электрон А и две пары запутанных электронов В и С. Электрон А и пара В, С находятся в разных точках пространства, неважно как далеко. А теперь переведем в квантовую запутанность частички А и В, то есть объединим их. Теперь С становится точно такой же как А, потому что общее их состояние не меняется. То есть частица А как бы телепортируется в частицу С.
Сегодня проведены уже более сложные опыты по телепортации.
Конечно, все опыты пока проводятся только с элементарными частицами. Но согласитесь, это уже невероятно. Ведь все мы состоим из тех же частиц, ученые говорят, что телепортация макрообъектов теоретически ничем не отличается. Нужно лишь решить множество технических моментов, а это лишь вопрос времени. Может быть, человечество дойдет в своем развитии до способности телепортировать большие объекты, да и самого человека.
Квантовая реальность
Квантовая запутанность есть целостность, неразрывность, единение на более глубоком уровне.
Если по каким-то параметрам частицы находятся в квантовой запутанности, то по этим параметрам их просто нельзя разделить на отдельные части. Они взаимозависимы. Такие свойства просто фантастические с точки зрения привычного мира, запредельные, можно сказать потусторонние и трансцендентные. Но это факт, от которого уже никуда не деться. Пора это уже признать.
Но к чему все это ведет?
Оказывается, о таком положении вещей давно говорили многие духовные учения человечества.
Видимый нами мир, состоящий из материальных объектов это не основа реальности, а лишь малая ее часть и не самая главная. Существует трансцендентная реальность, которая задает, определяет все, что происходит с нашим миром, а значит и с нами.
Именно там кроются настоящие ответы на извечные вопросы о смысле жизни, настоящего развития человека, обретения счастья и здоровья.
И это не пустые слова.
Все это приводит к переосмыслению жизненных ценностей, пониманию того, что кроме бессмысленной гонкой за материальными благами есть что-то более важное и высокое. И эта реальность не где-то там, она окружает нас повсюду, она пронизывает нас, она как говорится "на кончиках наших пальцев".
Но давайте об этом поговорим в следующих статьях.
А сейчас посмотрите видео о квантовой запутанности.
От квантовой запутанности мы плавно переходим к теории декогеренции. Об этом в следующей статье.
За последние полтора века произошел значительный скачок в развитии человечества, в особенности в области фундаментальной физики. Не успели ученые окунуться в физику атома, как уже начали строиться атомные станции; научный переворот, совершённый Эйнштейном в скором времени привел нас к полной глобализации с более чем тысячью спутниками на орбите Земли. Примеров – масса, однако осталось еще немало нерешенных задач и необъясненных явлений. Одно из таких явлений скрывается в микромире квантовых процессов, а именно – квантовая запутанность. Что это такое, почему это важно и какие исследования ведутся для решения этого вопроса – разбираем в данной статье.
Основные сведения
Квантовой запутанностью называют такое явление, когда квантовые состояния двух и более частиц оказываются взаимосвязаны. То есть, определив состояние одной частицы, можно предсказать некоторые характеристики другой. Примечательно, что изменение некоторого параметра одной частицы приводит к изменению некоторого параметра другой частицы, независимо от расстояния.
Эйнштейн, Нильс Бор и квантовая механика
В 1927-м году в Брюсселе состоялся Пятый Сольвеевский конгресс — международная конференция на тему актуальных проблем в области физики и химии. Одна из состоявшихся дискуссий была на тему так называемой Копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Нильс Бор и Альберт Эйнштейн
Данная теория была разработана Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и утверждает о вероятностной природе волновой функции. Несмотря на решение некоторых тогдашних проблем физики, например, связанных с корпускулярно-волновым дуализмом, данная теория также вызывала и ряд вопросов. В первую очередь, само представление объекта с известным импульсом, не имеющего определенной координаты, а лишь вероятность обнаружения в данной точке, — противоречит нашему опыту жизни в макромире. Кроме того, эта теория подразумевала неопределенность в расположении частицы, до тех пор, пока не будет произведено измерение.
Совместное фото участников Пятого Сольвеевского конгресса
ЭПР-парадокс
Эксперимент был направлен на опровержение такого фундаментального для квантовой механики утверждения, как принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что нельзя одновременно измерить две характеристики частицы, зачастую имеют ввиду – импульс и координату.
ЭПР-парадокс звучит следующим образом. Пусть две частицы одного сорта образовались вследствие распада третьей частицы. Тогда сумма их импульсов будет равна импульсу исходной частицы, согласно закону сохранения импульса. Далее, зная импульс исходной частицы (которую заранее подготовят экспериментаторы), и измерив импульс второй частицы, можно рассчитать импульс первой. То есть в результате измерения мы получили такую характеристику первой частицы как импульс. Теперь измерим координату второй частицы, и в итоге будем иметь две измеренные характеристики одной частицы, что прямо противоречит принципу неопределенности Гейзенберга.
Однако в самой же квантовой механике есть средства для разрешения этого парадокса. Согласно законам квантового мира – любое измерение приводит к изменению характеристик измеряемого тела. Тогда до измерения координаты второй частицы, действительно, может иметь место определенный импульс. Но в момент измерения координаты состояние частицы меняется и нельзя утверждать, что эти характеристики были измерены одновременно.
Тем не менее, в результате корпускулярно-волнового дуализма, находясь на некотором расстоянии, эти возникшие частицы имеют состояния, описываемые одной волновой функцией. Из этого вытекает, что измерение (а значит и изменение) импульса одной частицы приводит и к измерению импульса другой. Причем увеличение расстояния между этими частицами не запрещается, что опять же противоречит принципу локальности.
Теорема Белла
Человеку, существующему всю свою историю в масштабах макромира, сложно понять законы квантовой механики, которые часто противоречат наблюдениям в макромире. Так зародилась теория скрытых параметров, согласно которой, упомянутое ранее дальнодействие между частицами, может быть вызвано наличием неких изначально скрытых параметров частиц. Проще говоря – измерение одной частицы не приводит к изменению состояния другой, и оба эти состояния возникли вместе с этими частицами, в момент распада исходной частицы. Такое интуитивно понятное объяснение удовлетворило бы человеческий ум.
В 1964-м году Джон Стюарт Белл сформулировал свои неравенства, позже называемые теоремой, которые позволяют провести эксперимент, позволяющий точно определить – имеют ли место некие скрытые параметры. То есть если частицы имели скрытые параметры до своего разделения, то выполнилось бы одно неравенство, а если их состояния связаны и неопределенны до измерения одной из частиц – другое неравенство Белла.
Исследования в области квантовой запутанности
Квантовый процессор Bristlecone компании Google (слева) и схематическое изображение кубитов, где каждый кубит связан с соседними (справа)
Об эксперименте в Делфтском техническом университете
Точки расположения алмазных листов на территории кампуса Делфтского технического университета
Бас Хенсен и Рональд Хэнсон устанавливают оборудование для эксперимента по проверке неравенств Белла
Окончательно закроет эту тему будущий крупный эксперимент в Массачусетском технологическом институте в течение ближайших трех лет. Исследовательская группа планирует собирать электромагнитное излучение пульсаров, а также свет, приходящий из дальних галактик. Подобный эксперимент позволит избежать какой-либо связи измерительных приборов и источников сигнала, тем самым устраняя последнюю возможность наличия скрытых параметров.
Схематическое изображение пульсара
Квантовый компьютер и интернет
Данная технология не только является прорывной в области квантовых компьютеров, но и приближает нас на шаг к квантовому интернету. Взаимодействие нескольких отдельных квантовых компьютеров позволит организовать между ними сеть, работающую посредством передачи запутанных кубитов. Преимущество состоит в скорости: пусть имеется k квантовых компьютеров, каждый из которых состоит из n кубитов. Тогда для передачи по обычной сети полного состояния одного такого компьютера понадобится 2n бит данных, в то время как для квантовой сети потребуется лишь n кубитов. Запутанность между всеми компьютерами в масштабах целой сети дает преимущество в скорости передачи информации на несколько порядков.
Итоги
Несмотря на квантовый мир, будоражащий множество умов по всему миру, квантовая запутанность сегодня является общепризнанным явлением, которое не только наблюдается экспериментально, но и используется в технологических процессах. Дальнейшее применение квантовой запутанности может вывести человечество на совсем иной уровень развития, с суперкомпьютерами и невообразимо быстрым интернетом.
Геометрия эксперимента. Пары запутанных фотонов порождались в Женеве, затем фотоны посылались вдоль оптоволоконных кабелей одинаковой длины (отмечены красным цветом) в два приемника (отмечены буквами APD), отстоящими друг от друга на 18 км. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Вначале — комментарий
Те издания, которые попытались разобраться в работе, начали с подробных (и в разной степени неудачных) рассуждений про законы квантовой механики, среди которых совершенно затерялась основная суть работы. У читателя, продиравшегося сквозь терминологические заросли, создавалось впечатление, что в этой работе было обнаружено какое-то новое явление, измерена какая-то новая величина — словом, было открыто что-то новое. На самом же деле всё обстоит в точности наоборот — в этой работе ничего нового не было обнаружено, и именно этот факт позволил получить ограничение снизу на некоторую гипотетическую величину (а вовсе не измерить ее!).
Квантовые корреляции
Для того чтобы понять общий смысл работы, не требуется вникать во все квантовомеханические подробности. Достаточно лишь знать, что в нашем мире существуют особые состояния нескольких квантовых частиц — запутанные состояния, у которых наблюдаются квантовые корреляции (вообще, корреляция — это взаимосвязь между событиями выше уровня случайных совпадений). Эти корреляции можно обнаружить экспериментально, что было сделано впервые свыше двадцати лет назад и сейчас уже рутинно используется в разнообразных экспериментах. Подробности этого метода здесь несущественны.
Теперь перейдем непосредственно к работе. Прямо в аннотации к обсуждаемой статье говорится, что в классическом (то есть неквантовом) мире существует два типа корреляций — когда одно событие является причиной другого или же когда у них обоих есть общая причина. В квантовой теории возникает третий тип корреляций, связанный с нелокальными свойствами запутанных состояний нескольких частиц. Этот третий тип корреляций трудно представить себе, пользуясь привычными бытовыми аналогиями, но важно понимать, что для самой теории это и неважно. Главное, чтобы она описывала эксперимент, чтобы она делала нетривиальные предсказания и чтобы они подтверждались. Квантовая механика со всем этим прекрасно справляется.
Суть эксперимента
Такой эксперимент, на самом деле, проводился этой же группой и раньше, см., например, статьи The speed of quantum information and the preferred frame: analysis of experimental data и Experimental test of nonlocal quantum correlation in relativistic configurations, опубликованные в 2000-2001 годах. Новизна данной работы лишь в том, что эксперимент длился долго. Квантовые корреляции наблюдались непрерывно и не исчезали ни в какое время суток.
Почему это важно? Если гипотетическое взаимодействие переносится некоторой средой, то у этой среды будет выделенная система отсчета. Из-за вращения Земли лабораторная система отсчета движется относительно этой системы отсчета с разной скоростью. Это значит, что промежуток времени между двумя событиями детектирования двух фотонов будет для этой среды всё время разным, в зависимости от времени суток. В частности, будет и такой момент, когда эти два события для этой среды будут казаться одновременными. (Тут, кстати, используется тот факт из теории относительности, что два одновременных события будут одновременными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся перпендикулярно соединяющей их линии).
Если квантовые корреляции осуществляются за счет описанного выше гипотетического взаимодействия и если скорость этого взаимодействия конечна (пусть и сколь угодно большая), то в этот момент корреляции бы исчезли. Поэтому непрерывное наблюдение корреляций в течение суток полностью закрыло бы эту возможность. А повторение такого эксперимента в разные времена года закрыло бы эту гипотезу даже с бесконечно быстрым взаимодействием в своей, выделенной системе отсчета.
К сожалению, этого достичь не удалось из-за неидеальности эксперимента. В этом эксперименте для того, чтобы сказать, что корреляции действительно наблюдаются, требуется накапливать сигнал в течение нескольких минут. Исчезновение корреляций, например, на 1 секунду этот эксперимент не смог бы заметить. Именно поэтому авторы не смогли полностью закрыть гипотетическое взаимодействие, а лишь получили ограничение на скорость его распространения в своей выделенной системе отсчета, что, конечно, сильно снижает ценность полученного результата.
А может быть.
Читатель может спросить: а если всё же описанная выше гипотетическая возможность реализуется, но просто эксперимент из-за своей неидеальности ее проглядел, то означает ли это, что теория относительности неверна? Можно ли использовать этот эффект для сверхсветовой передачи информации или даже для перемещения в пространстве?
Измениться положение вещей смогло бы, только если бы было открыто что-то принципиально новое, какое-то явление из микромира, никаким боком не вписывающееся в рамки квантовой механики. Но до сих пор ничего подобного в эксперименте не наблюдалось.
Источник: D. Salart et al. Testing the speed of 'spooky action at a distance' // Nature. V. 454. P. 861-864 (14 August 2008).
Читайте также: