→ Квантова заплутаність та гравітація. Квантова заплутаність стає ще заплутанішою Квантова зчепленість

Квантова заплутаність та гравітація. Квантова заплутаність стає ще заплутанішою Квантова зчепленість

· Квантова хромодинаміка · Стандартна модель · Квантова гравітація

Див. також: Портал:Фізика

Квантова заплутаність(див. розділ «») – квантовомеханічне явище, при якому квантові стани двох або більшої кількості об'єктів виявляються взаємозалежними. Така взаємозалежність зберігається, навіть якщо об'єкти рознесені у просторі межі будь-яких відомих взаємодій , що у логічному протиріччі з принципом локальності . Наприклад, можна отримати пару фотонів, що перебувають у заплутаному стані, і тоді якщо при вимірі спина першої частки спіральність виявляється позитивною, то спіральність другої завжди виявляється негативною, і навпаки.

Історія вивчення

Суперечка Бора та Ейнштейна, ЕПР-Парадокс

Копенгагенська інтерпретація квантової механіки розглядає хвильову функцію до її виміру як що знаходиться в суперпозиції станів.
На малюнку зображені орбіталі атома водню з розподілами густин ймовірності (чорний - нульова ймовірність, білий - найбільша ймовірність). Відповідно до Копенгагенської інтерпретацією при вимірі відбувається незворотний колапс хвильової функції та приймає певне значення, при цьому передбачуваний тільки набір можливих значень, але не результат конкретного вимірювання.

Протягом суперечок, що почалися, в 1935 році Ейнштейн, Подільський і Розен сформулювали ЕПР-парадокс, який повинен був показати неповноту запропонованої моделі квантової механіки. Їхня стаття «Чи можна вважати квантово-механічний опис фізичної реальності повним?» була опублікована в № 47 журналу Physical Review.

В ЕПР-парадоксі подумки порушувався принцип невизначеності Гейзенберга: за наявності двох частинок, що мають загальне походження, можна виміряти стан однієї частинки і по ньому передбачити стан іншої, над якою вимір ще не проводилося. Аналізуючи у тому року подібні теоретично взаємозалежні системи, Шредінгер назвав їх «заплутаними» (англ. entangled). Пізніше англ. entangledта англ. entanglementстали загальноприйнятими термінами в англомовних публікаціях. Слід зазначити, що сам Шредінгер вважав частинки заплутаними, лише поки вони фізично взаємодіяли одна з одною. При видаленні межі можливих взаємодій заплутаність зникала. Тобто значення терміна у Шредінгера відрізняється від того, яке мається на увазі в даний час.

Ейнштейн не розглядав ЕПР-парадокс як опис будь-якого дійсного фізичного феномену. Це була саме уявна конструкція, створена для демонстрації протиріч принципу невизначеності. У 1947 році в листі Максу Борну він назвав подібний зв'язок між заплутаними частинками «жахливою далекодією» (нім. spukhafte Fernwirkung, англ. spooky action at a distanceу перекладі Борна) :

Тому я не можу в це повірити, оскільки (ця) теорія непримиренна з принципом того, що фізика повинна відображати реальність у часі та просторі, без (яких) жахливих далекодій.

Оригінальний текст(Нім.)

Їх kann aber deshalb nicht ernsthaft daran glauben, weil die Theorie mit dem Grundsatz unvereinbar ist, dass die Physik eine Wirklichkeit в Zeit und Raum darstellen soll, ohne spukhafte Fernwirkungen.

- «Entangled systems: new directions in quantum physics»

Вже в наступному номері Physical Review Бор опублікував свою відповідь у статті з таким же заголовком, як і у авторів парадоксу. Прихильники Бора вважали його відповідь задовільною, а сам ЕПР-парадокс - викликаним неправильним розумінням суті «спостерігача» у квантовій фізиці Ейнштейном та його прихильниками. Загалом більшість фізиків просто усунулася від філософських складнощів Копенгагенської інтерпретації. Рівняння Шредінгера працювало, передбачення збігалися з результатами, і в рамках позитивізму цього було достатньо. Гриббін пише з цього приводу: «щоб дістатися з точки А до точки Б, водієві необов'язково знати, що відбувається під капотом його машини». Епіграфом же до своєї книги Гриббін поставив слова Фейнмана:

Думаю, я можу відповідально сказати, що ніхто не розуміє квантову механіку. Якщо є можливість, припиніть запитувати себе "Та як це можливо?" - так як вас занесе в глухий кут, з якого ще ніхто не вибирався.

Нерівності Белла, експериментальні перевірки нерівностей

Такий стан справ виявився не надто вдалим для розвитку фізичної теорії та практики. «Заплутаність» і «жахливі далекодії» ігнорувалися майже 30 років, поки ними не зацікавився ірландський фізик Джон Белл. Натхненний ідеями Бома (див. Теорія де Бройля - Бома), Белл продовжив аналіз ЕПР-парадоксу і в 1964 сформулював свої нерівності. Дуже спрощуючи математичні та фізичні складові, можна сказати, що з роботи Белла випливали дві однозначно розпізнавані ситуації при статистичних вимірах станів заплутаних частинок. Якщо стани двох заплутаних частинок визначені в момент поділу, то має виконуватися одна нерівність Белла. Якщо стани двох заплутаних частинок невизначені до вимірювання стану однієї з них, повинна виконуватися інша нерівність.

Нерівності Белла надали теоретичну базу для можливих фізичних експериментів, проте станом на 1964 технічна база не дозволяла ще їх поставити. Перші успішні експерименти з перевірки нерівностей Белла було здійснено Клаузером (англ.)російська. і Фрідманом у 1972 році. З результатів випливала невизначеність стану пари заплутаних частинок до проведення вимірювання однієї з них. І все ж до 80-х років XX століття квантова зчепленість розглядалася більшістю фізиків як «не новий некласичний ресурс, який можна використовувати, а скоріше як конфуз, який чекає на остаточне роз'яснення».

Однак за експериментами групи Клаузера пішли експерименти Аспе (англ.)російська. в 1981 році. У класичному експерименті Аспе (див.) два потоки фотонів з нульовим сумарним спином, що вилітали з джерела S, прямували на призми Ніколя aі b. У них рахунок подвійного променезаломлення відбувався поділ поляризацій кожного з фотонів на елементарні, після чого пучки прямували на детектори D+і D-. Сигнали від детекторів через фотопомножувачі надходили до реєструючого пристрою R, де обчислювалася нерівність Белла

Результати, отримані як у дослідах Фрідмана-Клаузера, так і в дослідах Аспе, чітко говорили на користь відсутності ейнштейнівського локального реалізму. «Жахлива дальнодія» з уявного експерименту остаточно стала фізичною реальністю. Останній удар по локальності був завданий в 1989 багатозв'язними станами Грінбергера - Хорна - Цайлінгера (англ.)російська. , що заклали базис квантової телепортації. У 2010 році Джон Клаузер (англ.)російська. , Ален Аспе (англ.)російська. і Антон Цайлінгер стали лауреатами премії Вольфа з фізики «за фундаментальний концептуальний та експериментальний внесок в основи квантової фізики, зокрема за серію перевірок нерівностей Белла (або розширених версій цих нерівностей), що зростають за складністю, з використанням заплутаних квантових станів» .

Сучасний етап

У 2008 році групі швейцарських дослідників з Університету Женеви вдалося рознести два потоки заплутаних фотонів на відстань 18 кілометрів. Крім того, це дозволило зробити тимчасові вимірювання з недосяжною раніше точністю. В результаті було встановлено, що якщо приховане взаємодія і відбувається, то швидкість його поширення повинна як мінімум в 100 000 разів перевищувати швидкість світла у вакуумі . За меншої швидкості тимчасові затримки були б помічені.

Влітку того ж року іншій групі дослідників із австрійського (англ.)російська. , включаючи Цайлінгера, вдалося поставити ще масштабніший експеримент, рознісши потоки заплутаних фотонів на 144 кілометри, між лабораторіями на островах Ла Пальма і Тенеріфе. Обробка та аналіз такого масштабного експерименту продовжуються, остання версія звіту була опублікована в 2010 році. В даному експерименті вдалося виключити можливий вплив недостатньої відстані між об'єктами в момент виміру та недостатньої свободи вибору налаштувань виміру. В результаті було ще раз підтверджено квантову заплутаність і, відповідно, нелокальну природу реальності. Щоправда, залишився третій можливий вплив – недостатньо повної вибірки. Експеримент, у якому всі три потенційні впливи будуть виключені одночасно, на вересень 2011 року є питанням майбутнього.

У більшості експериментів із заплутаними частинками використовуються фотони. Це пояснюється відносною простотою отримання заплутаних фотонів та їх передачі в детектори, а також бінарною природою стану, що вимірюється (позитивна або негативна спіральність). Проте явище квантової заплутаності існує й інших частинок та його станів. У 2010 році міжнародний колектив вчених із Франції, Німеччини та Іспанії отримав та досліджував заплутані квантові стани електронів, тобто частинок з масою, у твердому надпровіднику з вуглецевих нанотрубок. У 2011 році дослідникам вдалося створити стан квантової заплутаності між окремим атомом рубідія і конденсатом Бозе-Ейнштейна, рознесеними на відстань 30 метрів.

Назва явища у російськомовних джерелах

При стійкому англійському терміні Quantum entanglement, що досить послідовно використовується в англомовних публікаціях, російськомовні роботи демонструють широке розмаїття узуса. З термінів, що зустрічаються в джерелах по темі, можна назвати (в алфавітному порядку):

Таке розмаїття можна пояснити кількома причинами, зокрема об'єктивним наявністю двох об'єктів, що позначаються: а) сам стан (англ. quantum entanglement) і б) ефекти, що спостерігаються в цьому стані (англ. spooky action at a distance ), які у багатьох російськомовних роботах різняться за контекстом, а чи не термінологічно.

Математичне формулювання

Отримання заплутаних квантових станів

У найпростішому випадку джерелом Sпотоків заплутаних фотонів служить певний нелінійний матеріал, який направляється лазерний потік певної частоти і інтенсивності (схема з одним эммитером) . В результаті спонтанного параметричного розсіювання (СПР) на виході виходять два конуси поляризації Hі V, що несуть пари фотонів у заплутаному квантовому стані (біфотонів)

Квантова заплутаність

Квантова заплутаність (зчепленість) (англ. Entanglement) - квантовомеханічне явище, у якому квантовий стан двох чи більше об'єктів має описуватися у взаємозв'язку друг з одним, навіть якщо окремі об'єкти рознесені у просторі. Внаслідок цього виникають кореляції між спостережуваними фізичними властивостями об'єктів. Наприклад, можна приготувати дві частинки, що знаходяться в єдиному квантовому стані так, що коли одна частка спостерігається у стані зі спином, спрямованим вгору, то спин інший виявляється спрямованим вниз, і навпаки, і це незважаючи на те, що згідно квантової механіки, які фактично щоразу вийдуть напрями, неможливо. Іншими словами, складається враження, що виміри, що проводяться над однією системою, миттєво впливають на заплутану з нею. Однак те, що розуміється під інформацією в класичному сенсі, все-таки не може бути передано через заплутаність швидше, ніж зі швидкістю світла.
Раніше вихідний термін «entanglement» перекладався протилежно за змістом – як заплутаність, але зміст слова полягає у збереженні зв'язку навіть після складної біографії квантової частки. Так що за наявності зв'язку між двома частинками в клубку фізичної системи, «посмикнувши» одну частинку, можна було визначити іншу.

Квантова заплутаність є основою таких майбутніх технологій, як квантовий комп'ютер та квантова криптографія, а також вона була використана в дослідах квантової телепортації. У теоретичному та філософському плані дане явище є однією з найбільш революційних властивостей квантової теорії, оскільки можна бачити, що кореляції, передбачувані квантовою механікою, абсолютно несумісні з уявленнями про, здавалося б, очевидну локальність реального світу, при якій інформація про стан системи може передаватися лише у вигляді її найближчого оточення. Різні погляди на те, що насправді відбувається під час процесу квантово-механічного заплутування, ведуть до різних інтерпретацій квантової механіки.

Історія питання

У 1935 р. Ейнштейн, Подільський і Розен сформулювали знаменитий Парадокс Ейнштейна – Подільського – Розена, який показав, що через зв'язність квантова механіка стає нелокальною теорією. Відомо, як Ейнштейн висміював зв'язність, називаючи його «кошмарною дальнодією. Природно нелокальна зв'язність спростовувала постулат ТО про граничну швидкість світла (передача сигналу).

З іншого боку, квантова механіка добре зарекомендувала себе у прогнозі експериментальних результатів, і практично спостерігалися навіть сильні кореляції, що відбуваються завдяки феномену заплутування. Є спосіб, який дозволяє, начебто, успішно пояснити квантове заплутування - підхід «теорії прихованих параметрів» у якому за кореляції відповідають певні, але невідомі мікроскопічні параметри. Однак, в 1964 р. Дж. С. Белл показав, що «хорошу» локальну теорію таким чином побудувати все одно не вдасться, тобто, заплутування, яке передбачає квантова механіка, можна експериментально відрізнити від результатів, що передбачаються широким класом теорій з локальними прихованими параметрами . Результати подальших експериментів дали приголомшливе підтвердження квантової механіки. Деякі перевірки показують, що у цих експериментах є низка вузьких місць, але загальновизнано, що вони несуттєві.

Зв'язність призводить до цікавих взаємин із принципом відносності, який стверджує, що інформація не може переноситися з місця на місце швидше, ніж зі швидкістю світла. Хоча дві системи можуть бути розділені великою відстанню і бути при цьому заплутаними, передати через їхній зв'язок корисну інформацію неможливо, тому причинність не порушується через заплутаність. Це відбувається з двох причин:
1. результати вимірів у квантової механіки носять принципово імовірнісний характер;
2. теорема про клонування квантового стану забороняє статистичну перевірку заплутаних станів.

Причини впливу частинок

У нашому світі існують особливі стани кількох квантових частинок - заплутані стани, у яких спостерігаються квантові кореляції (взагалі, кореляція - це взаємозв'язок між подіями вище за рівень випадкових збігів). Ці кореляції можна виявити експериментально, що було зроблено вперше понад двадцять років тому і зараз рутинно використовується в різноманітних експериментах. У класичному (тобто неквантовому) світі існує два типи кореляцій - коли одна подія є причиною іншого або коли у них обох є загальна причина. У квантовій теорії виникає третій тип кореляцій, пов'язаний із нелокальними властивостями заплутаних станів кількох частинок. Цей третій тип кореляцій важко уявити, користуючись звичними побутовими аналогіями. А може, ці квантові кореляції є результатом якоїсь нової, невідомої досі взаємодії, завдяки якій заплутані частинки (і тільки вони!) впливають одна на одну?

Відразу варто наголосити на «ненормальності» такої гіпотетичної взаємодії. Квантові кореляції спостерігаються, навіть якщо детектування двох рознесених на велику відстань частинок відбувається одночасно (у межах похибок експерименту). Значить, якщо така взаємодія і має місце, вона повинна поширюватися в лабораторній системі відліку надзвичайно швидко, з надсвітловою швидкістю. А з цього неминуче випливає, що в інших системах відліку ця взаємодія буде взагалі миттєвою і навіть діятиме з майбутнього (правда, не порушуючи принцип причинності).

Суть експерименту

Геометрія експерименту. Пари заплутаних фотонів породжувалися в Женеві, потім фотони посилалися вздовж оптоволоконних кабелів однакової довжини (позначені червоним кольором) у два приймачі (позначені літерами APD), віддаленими один від одного на 18 км. Зображення з статті, що обговорюється в Nature

Ідея експерименту полягає в наступному: створимо два заплутані фотони і відправимо їх у два детектори, віддалених якнайдалі один від одного (в описуваному експерименті відстань між двома детекторами було 18 км). При цьому шляхи фотонів до детекторів зробимо по можливості однаковими, щоб моменти їх детектування були максимально близькими. У роботі моменти детектування збігалися з точністю приблизно 0,3 наносекунди. Квантові кореляції в цих умовах, як і раніше, спостерігалися. Значить, якщо припустити, що вони «працюють» за рахунок описаної вище взаємодії, його швидкість повинна перевищувати швидкість світла в сотню тисяч разів.
Такий експеримент насправді проводився цією ж групою і раніше. Новизна цієї роботи лише тому, що експеримент тривав довго. Квантові кореляції спостерігалися безперервно і зникали жодного часу доби.
Чому це важливо? Якщо гіпотетичну взаємодію переноситься деяким середовищем, то в цьому середовищі буде виділена система відліку. Через обертання Землі лабораторна система відліку рухається щодо цієї системи з різною швидкістю. Це означає, що проміжок часу між двома подіями детектування двох фотонів буде для цього середовища постійно різним, залежно від часу доби. Зокрема, буде і такий момент, коли ці дві події для цього середовища здаватимуться одночасними. (Тут, до речі, використовується той факт з теорії відносності, що дві одночасні події будуть одночасними у всіх інерційних системах відліку, що рухаються перпендикулярно до їхньої лінії).

Якщо квантові кореляції здійснюються за рахунок описаної вище гіпотетичної взаємодії і якщо швидкість цієї взаємодії кінцева (нехай і скільки завгодно велика), то в цей момент кореляції зникли б. Тому безперервне спостереження кореляцій протягом доби повністю закрило цю можливість. А повторення такого експерименту в різні пори року закрило б цю гіпотезу навіть із нескінченно швидкою взаємодією у своїй виділеній системі відліку.

На жаль, цього досягти не вдалося через неідеальність експерименту. У цьому експерименті для того, щоб сказати, що кореляції дійсно спостерігаються, потрібно накопичувати сигнал протягом декількох хвилин. Зникнення кореляцій, наприклад, на 1 секунду, цей експеримент не зміг би помітити. Саме тому автори не змогли повністю закрити гіпотетичну взаємодію, а лише отримали обмеження на швидкість її поширення у своїй виділеній системі відліку, що, звісно, ​​сильно знижує цінність отриманого результату.

А може бути...?

Читач може запитати: а якщо все ж таки описана вище гіпотетична можливість реалізується, але просто експеримент через свою неідеальність її переглянув, то чи означає це, що теорія відносності неправильна? Чи можна використовувати цей ефект для надсвітлової передачі або навіть для переміщення в просторі?

Ні. Описана вище гіпотетична взаємодія щодо побудови є єдиною метою - це ті «шестерні», які змушують «працювати» квантові кореляції. Але вже доведено, що за допомогою квантових кореляцій неможливо передати інформацію швидше за швидкість світла. Тому хоч би яким був механізм квантових кореляцій, порушити теорію відносності не може.
© Ігор Іванов

Див. Торсіонні поля.
Основи Тонкого Світу - фізичний вакуум та торсіонні поля. 4.

Квантова заплутаність.




Copyright © 2015 Любов безумовна

Що таке квантова заплутаність простими словами? Телепортація – чи це можливо? Чи експериментально доведено можливість телепортації? Що таке кошмар Енштейна? У цій статті Ви отримаєте відповіді на ці запитання.

Ми у фантастичних фільмах та книгах часто зустрічаємося з телепортацією. Ви замислювалися, чому те, що вигадали письменники, згодом стає нашою реальністю? Як їм вдається пророкувати майбутнє? Думаю, це не випадковість. Часто письменники-фантасти мають великі знання з фізики та інших наук, що в поєднанні з їх інтуїцією і неабиякою фантазією допомагає їм побудувати ретроспективний аналіз минулого і змоделювати події майбутнього.

Зі статті Ви дізнаєтесь:

  • Що таке квантова заплутаність?

Концепція «Квантова заплутаність»виникло з теоретичного припущення, що з рівнянь квантової механіки. Воно означає ось що: якщо дві квантові частинки (ними можуть бути електрони, фотони) виявляються взаємозалежними (заплутаними), то зв'язок зберігається, навіть якщо їх рознести в різні частини Всесвіту

Відкриття квантової заплутаності певною мірою пояснює теоретичну можливість телепортації.

Якщо коротко, то спиномквантової частки (електрона, фотона) називається її власний кутовий момент. Спин можна подати у вигляді вектора, а саму квантову частинку – у вигляді мікроскопічного магнітика.

Важливо зрозуміти, що коли за квантом, наприклад, електроном ніхто не спостерігає, він має всі значення спина одночасно. Це фундаментальне поняття квантової механіки називається "суперпозицією".

Уявіть, що Ваш електрон обертається одночасно за годинниковою стрілкою та проти годинникової стрілки. Тобто він одразу в обох станах спина (вектор спина вгору/вектор спина вниз). Уявили? ОК. Але як тільки з'являється спостерігач та вимірює його стан, електрон сам визначає, який вектор спина йому прийняти – вгору чи вниз.

Бажаєте дізнатися, як вимірюють спин електрона?Його поміщають у магнітне поле: електрони зі спином проти напрямку поля, і зі спином у напрямку поля відхилиться у різні боки. Спини фотонів вимірюють, направляючи поляризаційний фільтр. Якщо спин (або поляризація) фотона "-1", то він не проходить через фільтр, а якщо "+1", то проходить.

РезюмеЯк тільки Ви виміряли стан одного електрона та визначили, що його спин «+1», то пов'язаний або «заплутаний» з ним електрон набуває значення спина «-1». Причому миттєво, навіть якщо він на Марсі. Хоча до вимірювання стану 2-го електрона, він мав обидва значення спина одночасно (+1 і -1).

Цей феномен, доведений математично, дуже не подобався Енштейну. Тому що він суперечив його відкриттю, що немає швидкості більше, ніж швидкість світла. Але поняття заплутаних частинок доводило: якщо одна із заплутаних частинок перебуватиме на Землі, а 2-а – на Марсі, то 1-а частка в момент виміру її стану миттєво (швидше за швидкість світла) передає 2-й частинці інформацію, яке значення спина їй прийняти. А саме: протилежне значення.

Суперечка Енштейна з Бором. Хто правий?

Енштейн називав «квантову заплутаність» SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (нім.) або лякаючою, примарною, надприродною дією на відстані.

Енштейн не погоджувався з інтерпретацією Бора про квантову заплутаність частинок. Бо це суперечило його теорії, що інформація не може передаватися зі швидкістю більшою за швидкість світла.У 1935 році він опублікував статтю з описом уявного експерименту. Цей експеримент назвали «Парадоксом Ейнштейна – Подільського – Розена».

Енштейн погоджувався, що пов'язані частки можуть існувати, але придумав інше пояснення миттєвої передачі між ними. Він сказав, що «заплутані частинки» швидше нагадують пару рукавичок.Уявіть, що у Вас є пара рукавичок. Ліву Ви поклали в одну валізу, а праву – в другу. 1-ю валізу Ви відправили другу, а 2-у – на Місяць. Коли друг отримає валізу, він знатиме, що у валізі або ліва, або права рукавичка. Коли ж він відкриє чемодан і побачить, що в ньому ліва рукавичка, то він миттєво дізнається, що на Місяці – права. І це не означає, що друг вплинув на те, що у валізі ліва рукавичка і не означає, що ліва рукавичка миттєво передала інформацію правою. Це тільки означає те, що властивості рукавичок були спочатку такими, як їх розділили. Тобто. у заплутані квантові частки спочатку закладено інформацію про їх стани.

То хто ж мав рацію Бор, який вважав, що пов'язані частки передають один одному інформацію миттєво, навіть якщо вони рознесені на величезні відстані? Або Енштейн, який вважав, що ніякого надприродного зв'язку немає, і все зумовлено задовго до виміру.

Ця суперечка на 30 років перемістилася в область філософії. Чи вирішилася суперечка з тих часів?

Теорема Белла. Суперечка вирішена?

Джон Клаузер, ще аспірантом Колумбійського університету, в 1967 відшукав забуту роботу ірландського фізика Джона Белла. Це була сенсація: виявляється Беллу вдалося вивести з глухого кута суперечку Бора і Енштейна. Він запропонував експериментально перевірити обидві гіпотези. Для цього він запропонував побудувати машину, яка б створювала та порівнювала багато пар заплутаних частинок. Джон Клаузер почав розробляти таку машину. Його машина могла створювати тисячі пар заплутаних частинок та порівнювати їх за різними параметрами. Результати експериментів доводили правоту Бора.

А невдовзі французький фізик Ален Аспе провів досліди, один із яких стосувався самої суті суперечки між Енштейном та Бором. У цьому досвіді вимірювання однієї частинки могло прямо вплинути на іншу тільки у випадку, якщо сигнал від 1 до 2 пройшов би зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Але сам Енштейн довів, що це неможливо. Залишалося лише одне пояснення – незрозумілий, надприродний зв'язок між частинками.

Результати дослідів довели, що теоретичне припущення квантової механіки є вірним.Квантова заплутаність - це реальність ( Квантова заплутаність Вікіпедія). Квантові частинки можуть бути пов'язані незважаючи на величезні відстані.Вимірювання стану однієї частинки впливає стан далеко розташованої від неї 2-ї частинки так, як би відстані між ними не існувало. Надприродний зв'язок на відстані відбувається насправді.

Залишається питання, чи телепортація можлива?

Чи підтверджено телепортацію експериментально?

Японські вчені ще 2011 року вперше у світі телепортували фотони! Миттєво перемістили з пункту А пункт Б пучок світла.

Хочете, щоб за 5 хвилин все, що Ви прочитали про квантову заплутаність, розклалося по поличках – перегляньте це відео чудове відео.

До зустрічі!

Бажаю всім цікавих проектів, що надихають!

P.S. Якщо стаття була Вам корисною і зрозумілою, не забудьте поділіться нею.

P.S. Пишіть Ваші думки, запитання у коментарях. Які ще питання щодо квантової фізики Вам цікаві?

P.S. Підписуйтесь на блог – форма для підписки під статтею.

Коли Альберт Ейнштейн уражався «жахливим» далекодійним зв'язком між частинками, він не думав про свою загальну теорію відносності. Вікова теорія Ейнштейна описує, як виникає гравітація, коли масивні об'єкти деформують тканину.

Коли Альберт Ейнштейн уражався «жахливим» далекодійним зв'язком між частинками, він не думав про свою загальну теорію відносності. Вікова теорія Ейнштейна описує, як виникає гравітація, коли масивні об'єкти деформують тканину простору та часу. Квантова заплутаність, те страшне джерело ейнштейнівського переляку, як правило, зачіпає крихітні частинки, які незначно діють на гравітацію. Пилинка деформує матрац так само, як субатомна частка викривляє простір.

Проте фізик-теоретик Марк Ван Раамсдонк підозрює, що заплутаність і простір-час насправді пов'язані між собою. У 2009 році він розрахував, що простір без заплутаності не зміг би утримати себе. Він написав роботу, з якої випливало, що квантова заплутаність є голкою, яка зшиває воєдино гобелен космічного простору-часу.

Багато журналів відмовилися публікувати його роботу. Але через роки початкового скептицизму вивчення ідеї того, що заплутаність формує простір-час, стало однією з найгарячіших тенденцій у галузі фізики.

"Виходячи з глибоких основ фізики, все вказує на те, що простір має бути пов'язаний із заплутаністю", - говорить Джон Прескілл, фізик-теоретик з Калтеха.

У 2012 році з'явилася ще одна провокаційна робота, яка представляє парадокс заплутаних частинок усередині та зовні чорної дірки. Менш ніж через рік два експерти в цій галузі запропонували радикальне рішення: заплутані частинки з'єднуються червоточинами - тунелями простору-часу, представленими ще Ейнштейном, які нині однаково часто з'являються на сторінках журналів з фізики та наукової фантастики. Якщо це припущення вірно, заплутаність не є моторошним далекодіючим з'єднанням, про яке думав Ейнштейн - а цілком реальним мостом, що зв'язує віддалені точки в просторі.


Багато вчених знаходять ці ідеї вартими уваги. Останніми роками фізики, начебто, незв'язаних спеціальностей зійшлися цьому полі заплутаності, простору і червоточин. Вчені, які колись були зосереджені на створенні безпомилкових квантових комп'ютерів, сьогодні розмірковують, чи не є сам Всесвіт квантовим комп'ютером, який тихо програмує простір-час у складній мережі заплутаностей. "Все прогресує неймовірним чином", - говорить Ван Раамсдонк з Університету Британської Колумбії у Ванкувері.

Фізики покладають великі надії те що, куди їх заведе це з'єднання простору-часу з заплутаністю. ТО блискуче описує, як працює простір-час; нові дослідження можуть відкрити завісу над тим, звідки береться простір-час і на що він схожий на найдрібніші масштаби, що лежать у владі квантової механіки. Заплутаність може бути секретним інгредієнтом, який об'єднає ці поки що несумісні області в теорію квантової гравітації, дозволивши вченим зрозуміти умови усередині чорної діри та стан Всесвіту у перші моменти після Великого Вибуху.

Голограми та банки з супом

Прозріння Ван Раамсдонка у 2009 році не матеріалізувалося з повітря. Воно сягає корінням у голографічний принцип, ідею того, що кордон, що обмежує обсяг простору, може містити всю інформацію, в ній укладену. Якщо застосувати голографічний принцип до повсякденного життя, то цікавий співробітник може ідеально реконструювати все, що знаходиться в офісі - стоси паперів, сімейні фотографії, іграшки в кутку і навіть файли на жорсткому диску комп'ютера - просто дивлячись на зовнішні стіни квадратного офісу.

Ця ідея суперечлива, враховуючи те, що стіни мають два виміри, а інтер'єр офісу три. Але в 1997 році Хуан Малдасена, струнний теоретик тоді з Гарварду, навів приклад того, що голографічний принцип міг би розкрити про Всесвіт.

Він почав з анти-де-сітерівського простору, який нагадує простір-час, у якому переважає гравітації, але має низку дивних атрибутів. Воно зігнуте таким чином, що спалах світла, випромінюваного в певному місці, зрештою повернеться звідти, де з'явився. І хоча Всесвіт розширюється, анти-де-сітерівський простір не розтягується і не стискається. Через такі особливості шматок анти-де-сітерівського простору з чотирма вимірами (трьома просторовими та одним тимчасовим) може бути оточений тривимірним кордоном.

Малдасена звертався до циліндра анти-де-сітерівського простору-часу. Кожен горизонтальний зріз циліндра є станом його простору в даний момент, тоді як вертикальний вимір циліндра представляє час. Малдасена оточив свій циліндр кордоном для голограми; якби анти-де-сітерівський простір був банкою супу, то кордон був би етикеткою.

На перший погляд здається, що ця межа (етикетка) не має нічого спільного із наповненням циліндра. Прикордонна «етикетка», наприклад, дотримується правил квантової механіки, а не гравітації. І все-таки гравітація описує простір усередині вмісту «супу». Малдасена показав, що етикетка та суп були одним і тим же; квантові взаємодії на кордоні добре описують анти-де-сітерівський простір, який закриває цей кордон.

«Дві ці теорії здаються абсолютно різними, але точно описують те саме», - каже Прескілл.


Малдасена додав заплутаність у голографічне рівняння у 2001 році. Він представив простір у двох банках із супом, кожна з яких містить чорну дірку. Потім створив еквівалент саморобного телефону зі стаканчиків, що з'єднує чорні дірки за допомогою червоточини - тунелю через простір-час, вперше запропонованого Ейнштейном та Натаном Розеном у 1935 році. Малдасена шукав спосіб створити еквівалент такого зв'язку простору-часу на етикетках банок. Хитрість, як він зрозумів, була заплутаною.

Як і червоточина, квантова заплутаність пов'язує об'єкти, які мають очевидних відносин. Квантовий світ - розпливчасте місце: електрон може обертатися в обидві сторони одночасно, будучи в стані суперпозиції, поки виміри не нададуть точної відповіді. Але якщо два електрони заплутані, вимірювання одного спину дозволяє експериментатору дізнатися спин іншого електрона - навіть якщо партнерський електрон знаходиться в стані суперпозиції. Цей квантовий зв'язок залишається навіть якщо електрони розділятимуть метри, кілометри або світлові роки.

Малдасена показав, що за допомогою заплутування частинок на одній етикетці з частинками на іншій можна ідеально квантово-механічно описати з'єднання червоточиних банок. У контексті голографічного принципу, заплутаність еквівалентна фізичному зв'язуванню шматків простору-часу разом.

Натхненний цим зв'язком заплутаності з простором-часом, Ван Раамсдонк поставив питання, наскільки велику роль заплутаність може грати у формуванні простору-часу. Він представив найчистішу етикетку на банку з квантовим супом: білу, що відповідає порожньому диску анти-де-сітерівського простору. Але він знав, що, згідно з основами квантової механіки, порожній простір ніколи не буде повністю порожнім. Воно заповнене парами частинок, що спливають та зникають. І цим швидкоплинні частки заплутані.

Тому Ван Раамсдонк намалював уявну бісектрису на голографічній етикетці і потім математично розірвав квантову заплутаність між частинками на одній половині етикетки та частинками на іншій. Він виявив, що відповідний диск анти-де-сітерівського простору почав ділитися навпіл. Начебто заплутані частинки були гачками, які утримують полотно простору та часу на місці; без них простір-час розлітається на частини. У міру того, як Ван Раамсдонк знижував ступінь заплутаності, частина підключеного до розділених регіонів простору ставала тоншою, подібно до гумової нитки, що тягнеться від жуйки.

«Це навело мене на думку, що присутність простору починається з присутності заплутаності».

Це була смілива заява, і потрібен час, щоб робота Ван Раамсдонка, опублікована в General Relativity and Gravitation у 2010 році, привернула серйозну увагу. Вогонь інтересу спалахнув уже у 2012 році, коли четверо фізиків із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі написали роботу, яка кидає виклик загальноприйнятим переконанням про обрій подій, точки неповернення чорної діри.

Істина, прихована файрволом

У 1970-х роках фізик-теоретик Стівен Хокінг показав, що пари заплутаних частинок - тих же видів, що Ван Раамсдонк пізніше аналізував у своєму квантовому кордоні - можуть розпадатися на горизонті подій. Одна падає в чорну дірку, а інша тікає разом із так званим випромінюванням Хокінга. Цей процес поступово підточує масу чорної дірки, зрештою призводячи до її загибелі. Але якщо чорні дірки зникають, разом із нею має зникати і запис всього, що падало всередину. Квантова теорія стверджує, що інформація не може бути знищена.

До 90-х років кілька фізиків-теоретиків, включаючи Леонарда Саскінда зі Стенфорда, запропонували вирішення цієї проблеми. Так, сказали вони, матерія та енергія падає у чорну дірку. Але з погляду зовнішнього спостерігача, цей матеріал ніколи не долає обрій подій; він ніби балансує з його межі. В результаті обрій подій стає голографічним кордоном, що містить всю інформацію про простір усередині чорної дірки. Зрештою, коли чорна діра випаровується, ця інформація витікає у вигляді випромінювання Хокінга. У принципі, спостерігач може зібрати це випромінювання та відновити всю інформацію про надра чорної діри.

У своїй роботі 2012 року фізики Ахмед Альмхейрі, Дональд Марольф, Джеймс Саллі та Джозеф Полчинський заявили, що у цій картині щось не так. Для спостерігача, який намагається зібрати головоломку того, що знаходиться всередині чорної дірки, зазначили одні, всі окремі частини головоломки – частки випромінювання Хокінга – мають бути заплутані між собою. Також кожна хокінгова частка має бути заплутана зі своїм оригінальним партнером, який упав у чорну дірку.

На жаль, однієї заплутаності недостатньо. Квантова теорія стверджує, що для того, щоб заплутаність була присутня між усіма частинками зовні чорної дірки, повинна бути виключена заплутаність цих частинок з частинками всередині чорної дірки. Крім того, фізики виявили, що розрив однієї із заплутаностей породив би непроникний енергетичний мур, так званий файрвол, на горизонті подій.

Багато фізиків засумнівалися в тому, що чорні дірки насправді випаровують усе, що намагається проникнути всередину. Але сама можливість існування Файрвол наводить на тривожні думки. Раніше фізики вже замислювалися над тим, як виглядає простір усередині чорної дірки. Тепер вони не впевнені в тому, чи у чорних дірок це «всередині» взагалі. Усі начебто змирилися, зазначає Прескілл.

Але Саскінд не змирився. Він витратив роки, намагаючись довести, що інформація не зникає усередині чорної дірки; сьогодні він також переконаний, що ідея файрвола помилкова, але довести цього поки що не зміг. Якось він отримав загадковий лист від Малдасени: «У ньому було небагато, – каже Саскінд. - Тільки ЕР = ЕПР». Малдасена, який зараз працює в Інституті розвинених досліджень у Прінстоні, задумався про свою роботу з банками супу 2001 року і зацікавився, чи можуть червоточини дозволити змішання заплутаності, породжену проблемою файрвола. Саскінд швидко підхопив цю ідею.

У статті, опублікованій у німецькому журналі Fortschritte der Physik у 2013 році, Малдасена та Саскінд заявили, що червоточина - технічно міст Ейнштейна-Розена, або ЕР - є просторово-часовим еквівалентом квантової заплутаності. (Під ЕПР розуміють експеримент Ейнштейна-Подільського-Розена, який мав розвіяти міфологічну квантову заплутаність). Це означає, що кожна частка випромінювання Хокінга, незалежно від того, наскільки далеко вона знаходиться від початку, безпосередньо пов'язана з надрами чорної діри за допомогою короткого шляху через простір-час.

"Якщо рухати через червоточину, далекі речі виявляються не такими вже й далекими", - каже Саскінд.

Саскінд і Малдасена запропонували зібрати всі частинки Хокінга і зіштовхнути їх разом, поки вони не колапсують у чорну дірку. Ця чорна діра була б заплутана, а значить з'єднана червоточиною з оригінальною чорною діркою. Цей трюк перетворив заплутану мішанину хокінгових частинок - парадоксально заплутаних з чорною діркою і між собою - на дві чорні діри, з'єднані червоточиною. Перевантаження заплутаності вирішилося, і проблема файрвола було вичерпано.

Не всі вчені стрибнули на підніжку трамваю ЕР = ЕПР. Саскінд і Малдасена визнають, що їм доведеться зробити ще багато роботи, щоб довести еквівалентність червоточин і заплутаності. Але після обмірковування наслідків парадоксу файрвола, багато фізиків погоджуються, що простір-час усередині чорної діри має своє існування заплутаності з випромінюванням зовні. Це важливе прозріння, зазначає Прескілл, оскільки воно також означає, що вся тканина простору-часу Всесвіту, включаючи той клаптик, який ми займаємо, є продуктом квантової моторошної дії.

Космічний комп'ютер

Одна справа сказати, що всесвіт конструює простір-час за допомогою заплутаності; зовсім інше – показати, як всесвіт це робить. Цим складним завданням зайнялися Прескілл та колеги, які вирішили розглянути космос як колосальний квантовий комп'ютер. Майже двадцять років вчені працювали над будівництвом квантових комп'ютерів, які використовують інформацію, зашифровану в заплутаних елементах, на кшталт фотонів чи крихітних мікросхем, щоб вирішувати проблеми, з якими традиційні комп'ютери не можуть впоратися. Команда Прескілла використовує знання, отримані в результаті цих спроб, щоб передбачити, як окремі деталі всередині банки з супом могли б позначитися на заповненій заплутаністю етикетці.

Квантові комп'ютери працюють, експлуатуючи компоненти, які перебувають у суперпозиції станів, як носії даних - можуть бути нулями і одиницями одночасно. Але стан суперпозиції дуже тендітний. Надлишок тепла, наприклад, може зруйнувати стан та всю укладену в ньому квантову інформацію. Ці втрати інформації, які Прескілл порівнює із рваними сторінками у книзі, здаються неминучими.

Але фізики відповіли на це, створивши протокол квантової корекції помилок. Замість покладатися на одну частинку для зберігання квантового біта, вчені поділяють дані між кількома заплутаними частинками. Книга, написана мовою квантової корекції помилок, буде сповнена марення, каже Прескілл, але весь її вміст можна буде відновити, навіть якщо половина сторінок пропаде безвісти.

Квантова корекція помилок привернула багато уваги останніми роками, але тепер Прескілл та його колеги підозрюють, що природа вигадала цю систему вже давно. У червні, в журналі Journal of High Energy Physics, Прескілл та його команда показали, як заплутування безлічі частинок на голографічному кордоні ідеально описує одну частинку, що притягується гравітацією всередині шматка анти-де-сітерського простору. Малдасена каже, що ця знахідка може привести до кращого розуміння того, як голограма кодує всі деталі простору-часу, що оточує.

Фізики визнають, що їхні міркування мають пройти довгий шлях, щоб відповідати реальності. У той час як анти-де-сітерівський простір пропонує фізикам перевагу роботи з добре визначеним кордоном, Всесвіт не має такої чіткої етикетки на банку з супом. Тканина простору-часу космосу розширюється з моменту Великого Вибуху та продовжує робити це у наростаючому темпі. Якщо ви відправите промінь світла в космос, він не розгорнеться та не повернеться; він летітиме. «Незрозуміло, як визначити голографічну теорію нашого Всесвіту, – писав Малдасена у 2005 році. – Просто немає зручного місця для розміщення голограми».

Проте, хоч би як дивно звучали всі ці голограми, банки з супом і червоточини, вони можуть стати перспективними доріжками, які призведуть до злиття квантових моторошних дій з геометрією простору-часу. У роботі над червоточинами Ейнштейн і Розен обговорили можливі квантові наслідки, але з провели з'єднання зі своїми ранніми роботами по заплутаності. Сьогодні цей зв'язок може допомогти об'єднати квантову механіку ВТО в теорію квантової гравітації. Озброївшись такою теорією, фізики могли б розібрати загадки стану юного Всесвіту, коли матерія та енергія містилися в нескінченно малій точці простору.опубліковано

 

 
Це цікаво: