Що таке квантова заплутаність? Все про цю «жахливу» примху фізики

 Квантова заплутаність, схоже, порушує фундаментальні правила фізики, але також лежить в основі багатьох важливих технологій.

Якщо ви щось знаєте про квантову механіку, є велика ймовірність, що ви чули про квантову заплутаність. Ця особливість квантової механіки є одним з найбільш надзвичайних відкриттів 20-го століття і є одним з найперспективніших напрямків досліджень передових технологій у сфері комунікацій, обчислень тощо, пише Interesting Engineering.

Але що таке квантова заплутаність і чому це так важливо? Чому це злякало Альберта Ейнштейна ? І чому це, здається, порушує один з найважливіших законів фізики?

• Установка термоядерного синтезу встановлює новий світовий енергетичний рекорд

Що таке квантова заплутаність простими словами?

Кожного разу, коли ви обговорюєте квантову механіку, все буде ускладнюватися, і квантова заплутаність нічим не відрізняється. 

Перше, що потрібно зрозуміти, це те, що частинки існують у стані «суперпозиції», поки їх не спостерігають. У дуже поширеній демонстрації квантові частинки, які використовуються як кубіти в квантовому комп’ютері, мають одночасно 0 і 1, поки їх не спостерігають, завдяки чому вони випадковим чином стають 0 або 1. 

Простіше кажучи, квантова заплутаність — це коли дві частинки утворюються або взаємодіють таким чином, що ключові властивості цих частинок не можуть бути описані незалежно один від одного.

Наприклад, якщо два фотони генеруються і заплутуються, одна частинка може мати оберт за годинниковою стрілкою на одній осі, так що інша обов’язково матиме оберт проти годинникової стрілки на цій же осі.

Само по собі це не так вже й радикально. Але оскільки частинки в квантовій механіці також можна описати як хвильові функції, кажуть, що акт вимірювання спіну частинки «згортає» її хвильову функцію, щоб отримати цю вимірну властивість (наприклад, перехід від 0 і 1 до лише 0 або тільки 1).

Однак коли ви робите це із заплутаними частинками, ми потрапляємо до дійсно неймовірної частини квантової заплутаності. Коли ви вимірюєте заплутану частинку, щоб визначити її спін вздовж певної осі, і згортаєте її хвильову функцію, інша частинка також руйнується, щоб отримати вимірну властивість спіну, навіть якщо ви не спостерігали іншу частинку.

Якщо пара заплутаних частинок є як 0, так і 1, і ви виміряєте одну частинку як 0, інша заплутана частинка автоматично згортається, утворюючи 1, повністю сама по собі і без будь-якої взаємодії з боку спостерігача.

Здається, це відбувається  миттєво  і незалежно від їхньої відстані один від одного, що спочатку привело до парадоксального висновку, що інформація про спін виміряної частинки якимось чином передається її заплутаному партнеру швидше, ніж навіть швидкість світла.

Чи реальна квантова заплутаність?

Квантова заплутаність не тільки реальна, але й є важливою складовою нових технологій, таких як квантові обчислення та квантові комунікації.

У квантових обчисленнях, як можна оперувати кубітами в квантовому процесорі, не спостерігаючи їх і, отже, згортаючи їх у прості старі цифрові біти? Як виявити помилки, не дивлячись на кубіти і не руйнуючи весь механізм, який робить квантові обчислення такими потужними?

Квантова заплутаність кількох частинок поспіль є життєво важливою для встановлення достатньої відстані між кубітами та зовнішнім світом, щоб утримувати життєво важливі кубіти в суперпозиції достатньо довго, щоб вони могли виконувати обчислення.

Квантові комунікації – це ще одна область досліджень, яка сподівається використати переваги квантової заплутаності для полегшення спілкування, хоча це не означає, що на горизонті з’являється зв’язок швидше, ніж світло (насправді, така технологія, ймовірно, неможлива ).

Чи всі частинки заплуталися?

Певною мірою, так.

Коли більшість людей обговорюють квантову заплутаність, вони використовують приклад двох заплутаних частинок, які поводяться певним чином, щоб продемонструвати це явище, але це в значній мірі спрощення неймовірно складної квантової системи.

Реальність така, що дана частинка може бути заплутана з багатьма різними частинками різного ступеня, а не тільки в стані «максимально заплутаного», коли дві частинки одна до одної корелюють одна з одною і тільки одна з одною.

Ось чому вимірювання однієї частини заплутаної пари не гарантує автоматично, що ви дізнаєтеся про стан іншої частинки в реальних програмах, оскільки ця інша частинка також має інші заплутаності, які вона підтримує. Однак це дає вам кращий, ніж випадковий шанс дізнатися стан іншої частинки. 

Хто відкрив квантову заплутаність?

Квантова заплутаність або, принаймні, принципи, що описують це явище , були вперше запропоновані Ейнштейном та його колегами Борисом Подольським і Натаном Розеном у статті 1935 року в журналі Physical Review  під назвою «Чи можна вважати квантово-механічний опис фізичної реальності повним». У ньому Ейнштейн, Подольський і Розен обговорювали, що особливо сильна кореляція квантових станів між частинками може призвести до того, що вони мають єдиний уніфікований квантовий стан.

Вони також визначили, що цей уніфікований стан може призвести до вимірювання однієї сильно корельованої частинки, що має прямий вплив на іншу сильно корельовану частинку без урахування відстані між двома частинками.

Мета роботи Ейнштейна-Подольського-Розена не полягала в тому, щоб оголосити про «відкриття» квантової заплутаності як такої, а в тому, щоб описати це явище, яке спостерігалося та обговорювалося, і стверджувати, що в квантовій механіці має бути відсутній компонент. що ще не виявлено.

Оскільки описане ними явище сильної кореляції порушувало закони, закладені в теорії відносності Ейнштейна,  і здавалося парадоксальним, у статті стверджується, що фізикам не вистачає ще чогось, що належним чином помістило б квантову сферу під парасольку відносності. Того «щось інше» так і не знайшли майже через століття.

Перше використання слова «заплутаність» для опису цього явища належить Ервіну Шредінгеру, який визнав його однією з найбільш фундаментальних рис квантової механіки і стверджував, що це не таємниця, яка незабаром буде розкрита в теорії відносності, а скоріше повний відрив від класичної фізики.

Що сказав Ейнштейн про квантову заплутаність?

Відомо, що Ейнштейн описав квантову заплутаність як «жахливу дію на відстані», але насправді він описав її як більше, ніж просто дивну примху примарних частинок, які миттєво знають один одного.

Ейнштейн насправді вважав квантову заплутаність математичним парадоксом, невід’ємним протиріччям математичної логіки, яке показує, що щось у наведених аргументах має бути неправильним.

У випадку з парадоксом Ейнштейна-Подольського-Розена, як його почали називати, аргументи полягають у тому, що фундаментальні правила квантової механіки повністю відомі і що загальна теорія відносності справедлива. Якщо загальна теорія відносності справедлива, то ніщо у Всесвіті не може рухатися швидше, ніж швидкість світла , яке рухається зі швидкістю 186 000 миль на секунду.

Якщо квантова механіка була повністю зрозуміла, то правила, що регулюють сильну кореляцію між частинками, є повними, і наші спостереження говорять нам все, що нам потрібно знати.

Оскільки квантові частинки належать до «всесвіту», вони, як і все інше, повинні керуватися швидкістю світла, але квантова заплутаність не тільки миттєво обмінюється інформацією між частинками, які теоретично можуть бути на протилежних кінцях Всесвіту. Що ще дивніше, ця інформація може навіть подорожувати вперед і назад у часі .

Квантова заплутаність у часі матиме всілякі наслідки для природи причинно-наслідкового зв’язку, яка є настільки ж фундаментальним законом фізики, якою вона є. Це не працює навпаки, ефекти не можуть передувати своїй причині, але деякі вчені вважають, що ці правила можуть не застосовуватися до квантової сфери так само, як швидкість світла.

Цей останній пункт все ще є переважно спекулятивним, але він має певну експериментальну основу, і це лише ще більше ускладнює парадокс, який запропонували Ейнштейн, Подольський і Розен у своїй роботі 1935 року.

Чому квантова заплутаність важлива?

Квантова заплутаність важлива з двох основних причин.

По-перше, квантова заплутаність є таким фундаментальним механізмом квантового світу, а також тим, що ми можемо безпосередньо взаємодіяти та впливати. Це може стати ключовим способом використання деяких з найбільш фундаментальних властивостей Всесвіту для просування нашої технології до нових висот.

Ми знаємо, як заплутувати частинки, і робимо це регулярно як в лабораторіях, так і в реальних програмах, таких як квантові комп’ютери. Квантові комп’ютери, зокрема, демонструють потенціал квантової механіки в сучасних технологіях, а квантова заплутаність є найкращим інструментом, який ми маємо для фактичного використання квантової механіки таким чином.

Іншою важливою причиною важливості квантової заплутаності є те, що вона є дороговказом, який вказує на щось дійсно фундаментальне в нашому Всесвіті. Це настільки очевидна демонстрація, наскільки ви можете отримати, що квантовий світ — це майже чистіша форма Всесвіту, ніж та, яку ми бачимо, і яка підкоряється законам, які ми можемо пояснити.

Якщо весь Всесвіт — це сцена, а матерія — це актори, то квантова заплутаність — і ширше квантова механіка — може бути кріпленням, яке піднімає штори, перемикачами, які вмикають і вимикають світло, або навіть костюмами, які створюють актори. носити.

Якщо ми дивимося виставу, є два способи оцінити її. Ви можете побачити повз театр і сцени, щоб оцінити історію, яку передає п’єса, або ви можете оцінити якість вистави, постановки та виконання.

Ви можете побачити дві дуже різні речі, дивлячись на однакову продуктивність, і квантова механіка, здається, дає нам інший спосіб бачити той самий Всесвіт, який ми завжди бачили, а квантова заплутаність може бути ключем, який виводить нас за лаштунки.