Страсть нарасстоянии: боб, алиса иквантовый ретранслятор

      Комментарии к записи Страсть нарасстоянии: боб, алиса иквантовый ретранслятор отключены

Страсть нарасстоянии: боб, алиса иквантовый ретранслятор

Начавшись с публикаций Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера в 1925—1926 годах, всего через десятилетие квантовая механика превратилась в общепризнанную базу понимания явлений микро- и макромира в весьма широком спектре областей — от ядерной физики до теории кристаллов. Теория столь с уверенностью двигалась от успеха к успеху, что фактически все физики стали принимать ее как истину в последней инстанции.

Но имелись и несогласные. Альберту Эйнштейну не нравились в квантовой механике принципиально вероятностный темперамент, соотношение неопределенностей и вытекающая из него невозможность скоростей частиц и одновременного определения координат, отсутствие ясности в ответе неприятности квантовомеханических измерений.

Больше всего Эйнштейна злила несовместимость его собственных представлений о физической действительности с «копенгагенской» интерпретацией квантовой механики, предложенной Нильсом Бором. В соответствии с Бору, состояние любой квантовой совокупности запрещено расматривать безотносительно к аппаратуре, благодаря которой взята информация о ее поведении.

Теория способна угадать возможности тех либо иных финалов измерений квантовомеханических объектов, но ровно ничего не имеет возможности сообщить о том, каковы же значения измеряемых размеров «в действительности». Состояние «неизмеренной» совокупности не просто неизвестно — оно по большому счету не выяснено, а посему и рассуждать о нем не имеет смысла.

Эйнштейна не устраивала подобная логика, он пробовал ее опровергнуть и изобретал мнимые испытания, каковые Бор удачно трактовал в собственную пользу. Но Эйнштейн не отступал. В 1935 году он опубликовал описание очередного мысленного опыта, что, по его расчетам, неопровержимо обосновывал ущербность квантовой теории. Эта модель послужила предметом продолжительных дискуссий Эйнштейна со своим помощником Натаном Розеном и сотрудником Борисом Подольским.

Статья, практически написанная Подольским, показалась в издании Physical Review за автографами всех троих. Эта работа, которую цитируют как ЭПР, и проложила путь к концепции квантового спутывания. Сейчас ее относят к числу самых глубоких изучений теоретической физики XX века.

Тайная ЭПР

Авторы (ЭПР) исходили из двух самоочевидныx предпосылок. Во-первых, любой атрибут физической совокупности, что возможно угадать с возможностью 100%, не раздражая эту совокупность в ходе измерений, есть, по определению, элементом физической действительности. Во-вторых, полное описание совокупности должно включать в себя сведения обо всех таких элементах (ассоциированных как раз с данной конкретной совокупностью).

Предположим, что мы изготовили несколько однообразных частиц А и В, каковые начинают перемещение в строго противоположных направлениях с равными импульсами и, следовательно, скоростями. Принцип неопределенности не разрешает в один момент совершенно верно измерить импульс и положение каждой частицы, но это и не нужно. Разрешим квантовым «близняшкам» уйти друг от друга, а после этого определим координаты частицы А, что в совершенстве возможно сделать с нулевой погрешностью.

Мы срочно приобретаем точную данные, где пребывала в тот же частица и момент В. Отечественная аппаратура взаимодействовала только с А, а состояние ее сестрицы оставалось невозмущенным. Следовательно, положение частицы В направляться счесть элементом физической действительности.

Вместо того, дабы выяснять координаты частицы А, мы можем измерить ее импульс, причем опять-таки идеально совершенно верно. Потому, что суммарный импульс пары равен нулю, мы машинально определим и величину импульса частицы В, ни в коей мере ее не трогая. Следовательно, и эта величина — элемент физической действительности. Но уравнения квантовой механики разрешают вычислить импульс и положение частицы только приближенно.

А вдруг это так, делают вывод ЭПР, то квантовомеханическое описание действительности не есть полным. Что и требовалось доказать.

Версия Бома

В первой половине пятидесятых годов американский физик Давид Бом сформулировал новую версию ЭПР-опыта, которая упрощала матанализ. Он разглядел несколько однообразных квантовых частиц с половинным поясницей, изготовленную так, дабы их полный спин равнялся нулю (допустим, электроны). По окончании распада они начнут удаляться в разных направлениях.

Поставим на их пути магнитные детекторы, измеряющие спин.

В совершенной модели электроны движутся через щель, пронизанную параллельными силовыми линиями постоянного, но неоднородного магнитного поля (на деле все пара сложнее). Из-за собственной квантовой природы до измерения спин по большому счету не имеет определенной ориентации, а по окончании него он ориентируется или в направлении поля, или против него.

Пускай один детектор сказал, что спин «его» электрона направлен вверх. Возможно утверждать, что спин второго электрона смотрит вниз. И опыт это подтверждает. Пускай второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля.

Прибор с некоей задержкой отметит, что спин направлен вниз, как и ожидалось. Так, мы точно предсказали спин второй частицы, никак на нее не влияя. В соответствии с логике ЭПР, направление ее поясницы считается элементом физической действительности.

В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы в противном случае, скажем, слева направо. В случае если спин одного электрона наблюдает вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево.

Но необычный это элемент физической действительности, в случае если его возможно изменять по собственному усмотрению!

Но это еще полбеды. Установим сейчас ближний детектор вертикально, а дальний — горизонтально. В случае если наблюдатель у первого детектора заметит, что спин наблюдает вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Но второй прибор регистрирует горизонтальное значение поясницы. При повторении опыта спин второго электрона в половине случаев будет наблюдать вправо, а в половине — влево.

Второй наблюдатель будет вправе заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево либо вправо. В итоге выводы наблюдателей окажутся несовместимыми. Что же делать с физической действительностью?

С позиций Бора, парадокса тут нет. В случае если ориентация поясницы появляется только на протяжении измерения, то не приходится сказать о ней вне опыта. Отыщем в памяти, что мы вольны в выборе детекторов.

Откуда пояснице заблаговременно знать, в каком направлении его измерят? Похоже, что первый электрон мгновенно информирует собственному близнецу, что он проскочил через детектор. Но так как физического сотрудничества между ними нет, поскольку же они ухитряются общаться?

Из этого тупика возможно выбраться посредством предположения Шредингера: квантовые корреляции посильнее хороших. Тогда все поднимается на собственные места. Мы изготовили несколько электронов в спутанном состоянии, из этого и вся необычность их поведения в ЭПР-опыте. Но Шредингер сформулировал собственную догадку словесно, для физики этого мало.

Возможно ли перевести ее на язык чисел, дабы проверить посредством измерений?

Пришествие Белла

В первый раз это сделал одаренный ирландский физик, имя которого не через чур известно широкой публике. Cотрудник ЦЕРНа Джон Стюарт Белл в 1960-х годах заинтересовался парадоксом ЭПР. Результатом стало подтверждение фундаментальной теоремы, подтверждающей возможность надежной экспериментальной проверки догадки существования спутанных состояний.

Со временем в теоретической физике появилось целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла.

Белл продемонстрировал, как возможно подтвердить либо же опровергнуть действительность спутанных состояний на базе бомовской версии мысленного опыта ЭПР. Во-первых, необходимо применять не два детектора поясницы, а не меньше трех, а значительно лучше — четыре. Во-вторых, детекторы направляться располагать не параллельно либо ортогонально, а под произвольными углами.

Вот совершенная схема опыта. Имеется источник электронных пар с нулевым суммарным поясницей, отправляющий частицы в противоположных направлениях. Поставим в том месте по паре спиновых детекторов, развернув их по отношению друг к другу произвольно.

По окончании каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие конкретно как раз — заблаговременно неизвестно.

А дальше — самое основное. Закодируем результаты каждого измерения по определенному правилу числами от -1 до + 1, подставим их в алгебраическую формулу и усредним результаты по всем измерениям. В итоге возьмём величину S, зависящую от угла, под которым установлены детекторы (речь заходит о математическом ожидании). Теорема Белла говорит, что для неспутанных частиц значения функции S при любом размещении детекторов постоянно лежат в промежутке от -2 до +2 (неравенство Белла).

Таковой вывод направляться только из предположения, что любой член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет собственный собственное состояние, не подвергаясь действию далекого близнеца. В случае если же электроны-партнеры далеко от источника связаны между собой, то исполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений направляться, что при каких-то ориентациях детекторов S возможно как больше +2, так и меньше -2.

Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла открывает путь к решению проблемы.

Проверка опытом

регистрация и Изготовление спутанных состояний — сложная задача. Первые испытания по верификации теоремы Белла проводили с поляризованными фотонами. Вместо пар спутанных электронов применяли пары световых квантов с другими модами поляризации (к примеру, вертикальной и горизонтальной), а вместо магнитных детекторов — поляризационные фильтры. Подобные опыты начали ставить в 1970-е годы, но однозначных результатов они не дали.

Только в первой половине 80-ых годов XX века аспирант Парижского университета Алан Нюанс совершил серию прецизионных опытов со спутанными фотонами, признанных убедительными. Он доказал, что S вправду может очень сильно зашкалить и за +2, и за -2. Соответственно, спутанные частицы чувствуют присутствие друг друга на любом расстоянии.

В конце 1980-х американцы Дэниел Гринбергер и Майкл Хорн вместе с австрийским физиком Антоном Зайлингером теоретически доказали, что испытания с тройками спутанных частиц демонстрируют изюминке этого явления лучше, чем «парные» опыты. Во второй половине 90-ых годов двадцатого века в лаборатории Зайлингера в Венском университете в первый раз создали спутанные фотонные триады. С того времени число спутанных в опыте частиц стало расти.

До тех пор пока рекорд держат физики из американского Национального инстиута технологии и стандартов, каковые в конце прошлого года изготовили шестерку спутанных ионов бериллия. А в январе германские физики сказали, что им в первый раз удалось «спутать» атом с фотоном.

Кому это необходимо?

Изучение феномена квантового спутывания имеет множество практических применений. Совокупность спутанных частиц, как бы очень сильно она ни была размазана по пространству, это неизменно единое целое. Исходя из этого такие совокупности — золотое дно для IT.

Не смотря на то, что они не разрешают передавать сигналы со сверхсветовой скоростью (данный запрет СТО остается нерушимым), с их помощью возможно копировать состояние квантовых объектов на любом расстоянии (это именуется квантовой телепортацией) и осуществлять передачу сообщений, всецело защищенных от перехвата (квантовая криптография). Феномен спутанности открывает путь и к созданию квантовых компьютеров. «Любая элементарная ячейка хорошего компьютера существует сама по себе в одном из двух логических состояний, каковые кодируют нуль и единицу.

А в квантовом компьютере состояние ячейки есть суперпозицией, смесью двух базовых состояний, единицы и нуля. Таковой ячейкой — кубитом — возможно каждая квантовая совокупность с двумя вероятными состояниями, скажем, электрон с его двумя спиновыми ориентациями, — поведал «Популярной механике» доктор физических наук Мичиганского университета Марк Дыкман. — Кубиты возможно по-различному связать между собой, создав тем самым множество спутанных состояний.

Для связанной совокупности двух кубитов имеются уже четыре вероятных состояния, трех — восемь, четырех — шестнадцать и без того потом. Так что с ростом числа кубитов число состояний компьютера возрастает по экспоненте. Исходя из этого квантовый компьютер в принципе разрешит решать задачи, каковые ни при каких обстоятельствах не будут дешёвы его хорошим предшественникам. Спутанные состояния очень щекотливы, физики-экспериментаторы столкнулись с этим в далеком прошлом.

Для работы квантового компьютера необходимо сперва создать спутанное состояние многих кубитов и после этого изменять его на протяжении процесса вычисления. Исходя из этого для практического изготовления квантового компьютера нужно, дабы спутанные, когерентные кубиты жили достаточно продолжительно и дабы их возможно было надежно осуществлять контроль. В этом и содержится одна из основных физических и технических неприятностей создания квантовых компьютеров.

Это весьма сложно и очень весьма интересно».

Премьера

Реакция столпов физического сообщества на работу ЭПР была твёрдой. Вольфганг Паули написал Гейзенбергу, что Эйнштейн поставил себя в дурное положение. Бор начал придумывать опровержение. Через три месяца на страницах того же издания он провозгласил, что мысленный опыт ЭПР не отменяет соотношения неопределенностей и не формирует никаках препятствий для применения квантовой механики.

Бор выделил, что Эйнштейн вправе полагать квантовую теорию неполной, но ее практическая эффективность от этого не значительно уменьшается. С Бором дали согласие практически все теоретики, не считая Эрвина Шредингера. Он заключил : «В случае если две совокупности, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое сотрудничество, а после этого разделяются снова, то их уже нельзя описывать прошлым образом, другими словами утверждать, что любая совокупность пребывает в своем состоянии.

Я считаю это событие самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и хорошую науку. Благодаря временному сотрудничеству ранее свободные совокупности становятся спутанными». Так смотрелось первое появление на публике этого самого «спутывания».

Шредингер понял, что логический анализ парадокса ЭПР ведет к серьёзному выводу: квантовая механика допускает такие состояния физических совокупностей, при которых корреляции между их элементами оказываются посильнее любых корреляций, допускаемых хорошей физикой! Эти состояния он и назвал спутанными.

Телеклонирование

Новейшей демонстрацией неповторимых изюминок спутанности стало квантовое телеклонирование, перенос состояния квантового объекта на два либо пара пространственно удаленных объектов той же природы, либо телепортация по нескольким адресам. В теории эта процедура была предложена еще во второй половине 90-ых годов двадцатого века.

Выполненный в феврале 2006 года в Токийском университете опыт начался с изготовления спутанных световых лучей A, B и C. Луч A был смешан с подлежащим клонированию лучом X, а B и C отправлены в других направлениях. Устройства измеряли смешанное световое поле и отправляли эти сведенья модуляторам амплитуды и фазы на дорогах B и C. Любой из них по окончании для того чтобы действия превратился в клон луча X. Квантовую телепортацию возможно выполнить идеально совершенно верно, а телеклонирование из-за принципа неопределенности — лишь приближенно.

Амплитудные и фазовые характеристики луча X возможно было перенести на B и C максимум на две трети. Токийские физики не дотянули до этого предела, им удалось воспроизвести луч X только на 58%. Но если бы они изготавливали клоны без применения спутывания, точность не превысила бы 50%: квантовые корреляции посильнее хороших.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№42, апрель 2006).

Part 7 — Dracula Audiobook by Bram Stoker (Chs 24-27)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: