Причинно-следственную связь сделали одновременно прямой и обратной

      Комментарии к записи Причинно-следственную связь сделали одновременно прямой и обратной отключены

Причинно-следственную связь сделали одновременно прямой и обратной

Физики из Австрийской академии и Университета Вены наук продемонстрировали, что в квантовой механике существует обстановка, в которой нельзя определить правильную причинно-следственную связь между событиями в опыте. Это первый опыт для того чтобы рода, в котором неопределенность причинности измеряется напрямую.

В его основе лежит установка, в которой реализуется суперпозиция порядка исполнения операций: над фотоном в один момент делают операцию A, позже B и операцию B, позже A. Подобные процессы смогут применяеться в разработке методов для квантовых компьютеров. Изучение размещено в издании Science Advances.

Делитель луча света (beamsplitter). Peeter Piksarv

В зависимости от состояния управляющего параметра (сверху) или Алиса делает операцию прежде Боба, или Боб прежде Алисы. В случае если параметр выясняется квантовым, то он может пребывать в суперпозиции значений — тогда появляется суперпозиция порядков операций. Одновременно и Алиса приобретает фотон раньше Боба и Боб раньше Алисы. Giulia Rubino et al. / Science Advances, 2017

Принцип причинности (наличие причинно-следственной связи) — одно из основных других наук и свойств физики, разрешающее разделять один процесс на последовательность шагов, любой из которых делается обстоятельством последующего. К примеру, лампочка загорается по окончании того, как мы замыкаем электрическую цепь выключателем, гром появляется из-за удара молнии, но не наоборот. Принцип причинности лежит в базе особой теории относительности, запрещая чему-либо перемещаться стремительнее скорости света. 

В квантовой механике подобные особенности довольно часто выясняются устроенными более сложно. К примеру, запутанные состояния особым образом нарушают ее локальность: в случае если забрать две запутанные частицы и совершить измерение над одной из них, это мгновенно (другими словами стремительнее скорости света) скажется на другой, как бы на большом растоянии она не пребывала. Наряду с этим не нарушаются причинно-следственные связи — моментальной передачи нужной информации не происходит. 

Чтобы доказать квантовую природу запутанности состояний были созданы неравенства Белла. Это выражение, которое ограничивает частоту совпадений результатов двух случайных измерений двух запутанных частиц. Подробнее о них возможно прочесть в описании недавнего опыта с участием космических генераторов случайных чисел.

Помимо этого, имеется особый математический аппарат, что разрешает выяснить, являются ли два состояния разделимыми либо не разделимыми (запутанными) — «свидетель запутанности». Это некая функция (след особой матрицы), которая оказывается больше либо равна нулю для разделимых состояний и меньше нуля — для неразделимых.

Выясняется, в квантовой механике возможно поставить опыт, в котором появляется неопределенность причинно-следственных связей. Посредством похожего математического аппарата («свидетеля причинности») возможно продемонстрировать, что процесс, лежащий в базе опыта, не поделим на последовательности элементарных операций.

Базу опыта возможно пояснить на таком примере. Пускай у нас имеется число (к примеру, единица), над которым мы желаем совершить две операции: умножить его на два и возвести в квадрат. В хорошей ситуации, в зависимости от порядка операций, мы возьмём два различных результата. Пускай порядок операций будет зависеть от того, выпадет орел либо решка при броске монеты. Тогда мы будем приобретать с возможностью 50 процентов «четыре» и с возможностью 50 процентов «два».

Разумеется, что зная итог вычисления мы можем вернуть порядок операций и представить все результаты опыта как сумму двух дорог вычисления. 

В квантовой версии опыта порядок операций связан с состоянием «Кота Шредингера» — суперпозицией двух состояний. Роль числа в опыте будет делать состояние фотона (поляризация), а вместо возведения и умножения в степень будут происходить трансформации поляризации. Аналогами математических операций являются «отзеркаливание» плоскости поляризации и превращение линейной поляризации в круговую либо эллиптическую.

От порядка этих операций зависит конечное состояние фотона. Дабы обеспечить два варианта порядка операций для фотона нужно создать две вероятных траектории: в одной он будет проходить сперва через прибор A, позже B, в второй — напротив. Суперпозиция двух траекторий может появиться, к примеру, в случае если направить одиночный фотон на светоделитель, полупрозрачное зеркало. 

Такие опыты уже проводились. Но доказать, что две траектории находятся в суперпозиции получалось только весьма косвенно. К примеру, сравнительно не так давно физики выстроили вычислительный метод, в базе которого лежит суперпозиция порядка квантовых операций.

Он разрешал выяснить, имеется ли отличие в последовательности исполнения двух малоизвестных операций либо нет, причем делал это действеннее, чем методы с хорошим порядком операций. Только по уменьшению сложности вычислений в опыте авторы подтвердили, что в установке реализуется неизвестный порядок операций. 

Авторы новой работы поставили опыт, в котором суперпозицию последовательностей квантовых операций возможно изучить напрямую. Основная сложность пребывала в том, что квантовое состояние разрушается при измерении, а для прямого определения суперпозиции нужно было внедрить измерение в траекторию фотона. Дабы избежать разрушения состояния авторы добились в опыте уничтожения информации о том какой конкретно путь был выбран до попадания фотона в детектор. 

Схема экспериментальной установки. Giulia Rubino et al. / Science Advances, 2017

Установка для изучения суперпозиции порядка квантовых операций устроена следующем образом. На начальной стадии оптоволокно, по которому путешествуют одиночные фотоны, направляет свет на светоделитель. Отраженный свет попадает сперва на модуль B (Боб), где происходит поворот плоскости поляризации фотона, после этого направляется в модуль A (Алиса), где происходит еще одна серия поворотов плоскости поляризации.

После этого, в том же модуле A, свет попадает на поляризующий светоделитель — фотоны с вертикальной поляризацией отправляются на одну несколько детекторов, с горизонтальной — пройдя через еще одну серию поворотов плоскости поляризации — на другую несколько детекторов. Перед детекторами находится светоделитель, стирающий данные о том, по какому пути пришел фотон. Преломленный луч попадает сперва в модуль А, после этого в B и в детектор.

Так, в опыте появляются сходу два «типа» суперпозиций. Первый — суперпозиция поляризаций одиночного фотона, второй — суперпозиция дорог, по которым путешествовал фотон. Физики измеряют только поляризацию фотона по окончании того, как он пролетел через установку и составляют «томограмму» — зависимость конечного состояния фотона от начального.

Математическое описание, как и при со «свидетелем запутанности» разрешает ученым выстроить функцию, отличающую разделимые траектории от не разделимых (суперпозиции). Собрав статистику физики продемонстрировали, что в установки вправду реализуется суперпозиция порядков операций над фотоном — статистическая значимость результата достигает семи сигма (стандартных отклонений).

Примечательно, что опыт решает достаточно несложную задачу — как и в более ранних работах, он разрешает выяснить, имеется ли отличие между последовательностями операций A, после этого B и B, после этого A. Причем, любой хороший метод "настойчиво попросил" бы двух обращений к каждой из операций (A и B). Метод, предложенный авторами, требует только одного обращения к каждой операции. По словам ученых, в ситуации в то время, когда операций больше, чем две, подобные суперпозиции порядков вычислений дадут еще больший прирост в скорости ответа задачи.

Результат возможно сравнить с тем, как квантовые компьютеры были действеннее хороших в некоторых задачах. Квантовые методы, к примеру, метод Шора разложения чисел на простые множители, применяют то, что квантовые биты будут в суперпозиции единицы «и» состояний «нуля». Тут же появляется новая, дополнительная суперпозиция — порядка элементарных операций в методе.

Создатель: Владимир Королёв

Веревочка из трех и больше трубочек. Прямая и обратная.


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: