Чарующей аурой загадочности окутано понятие квантовой запутанности, а также (каким-то образом) связанное с ним требование квантовой теории о необходимости наличия «многих миров». И, тем не менее, по сути своей это научные идеи с приземлённым смыслом и конкретными применениями. Я хотел бы объяснить понятия запутанности и множества миров настолько просто и ясно, насколько знаю их сам.
I
Запутанность считается явлением, уникальным для квантовой механики – но это не так. На самом деле, для начала будет более понятным (хотя это и необычный подход) рассмотреть простую, не квантовую (классическую) версию запутанности. Это позволит нам отделить тонкости, связанные с самой запутанностью, от других странностей квантовой теории.
Запутанность появляется в ситуациях, в которых у нас есть частичная информация о состоянии двух систем. К примеру, нашими системами могут стать два объекта – назовём их каоны. «К» будет обозначать «классические» объекты. Но если вам очень хочется представлять себе что-то конкретное и приятное – представьте, что это пирожные.
Наши каоны будут иметь две формы, квадратную или круглую, и эти формы будут обозначать их возможные состояния. Тогда четырьмя возможными совместными состояниями двух каонов будут: (квадрат, квадрат), (квадрат, круг), (круг, квадрат), (круг, круг). В таблице указана вероятность нахождения системы в одном из четырёх перечисленных состояний.
Мы будем говорить, что каоны «независимы», если знание о состоянии одного из них не даёт нам информации о состоянии другого. И у этой таблицы есть такое свойство. Если первый каон (пирожное) квадратный, мы всё ещё не знаем форму второго. И наоборот, форма второго ничего не говорит нам о форме первого.
С другой стороны, мы скажем, что два каона запутаны, если информация об одном из них улучшает наши знания о другом. Вторая табличка покажет нам сильную запутанность. В этом случае, если первый каон будет круглым, мы будем знать, что второй тоже круглый. А если первый каон квадратный, то таким же будет и второй. Зная форму одного, мы однозначно определим форму другого.
Квантовая версия запутанности выглядит, по сути, также – это отсутствие независимости. В квантовой теории состояния описываются математическими объектами под названием волновая функция. Правила, объединяющие волновые функции с физическими возможностями, порождают очень интересные сложности, которые мы обсудим позже, но основное понятие о запутанном знании, которое мы продемонстрировали для классического случая, остаётся тем же.
Хотя пирожные нельзя считать квантовыми системами, запутанность квантовых систем возникает естественным путём – например, после столкновений частиц. На практике незапутанные (независимые) состояния можно считать редкими исключениями, поскольку при взаимодействии систем между ними возникают корреляции.
Рассмотрим, к примеру, молекулы. Они состоят из подсистем – конкретно, электронов и ядер. Минимальное энергетическое состояние молекулы, в котором она обычно и находится, представляет собой сильно запутанное состояние электронов и ядра, поскольку расположение этих составляющих частиц никак не будет независимым. При движении ядра электрон движется с ним.
Вернёмся к нашему примеру. Если мы запишем ?¦, ?? как волновые функции, описывающие систему 1 в её квадратных или круглых состояниях и ?¦, ?? для волновых функций, описывающих систему 2 в её квадратных или круглых состояниях, тогда в нашем рабочем примере все состояния можно описать, как:
Независимые: ?¦ ?¦ + ?¦ ?? + ?? ?¦ + ?? ??
Запутанные: ?¦ ?¦ + ?? ??
Независимую версию также можно записать, как:
(?¦ + ??)(?¦ + ??)
Отметим, как в последнем случае скобки чётко разделяют первую и вторую системы на независимые части.
Существует множество способов создания запутанных состояний. Один из них – измерить составную систему, дающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы договорились быть одной формы, не зная при этом, какую именно форму они выбрали. Это понятие станет важным чуть позже.
Более характерные последствия квантовой запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают из-за её взаимодействия ещё с одним свойством квантовой теории под названием «принцип дополнительности». Для обсуждения EPR и GHZ позвольте мне сначала представить вам этот принцип.
До этого момента мы представляли, что каоны бывают двух форм (квадратные и круглые). Теперь представим, что ещё они бывают двух цветов – красного и синего. Рассматривая классические системы, например, пирожные, это дополнительное свойство означало бы, что каон может существовать в одном из четырёх возможных состояний: красный квадрат, красный круг, синий квадрат и синий круг.
Но квантовые пирожные – квантожные… Или квантоны… Ведут себя совсем по-другому. То, что квантон в каких-то ситуациях может обладать разной формой и цветом не обязательно означает, что он одновременно обладает как формой, так и цветом. Фактически, здравый смысл, которого требовал Эйнштейн от физической реальности, не соответствует экспериментальным фактам, что мы скоро увидим.
Мы можем измерить форму квантона, но при этом мы потеряем всю информацию о его цвете. Или мы можем измерить цвет, но потеряем информацию о его форме. Согласно квантовой теории, мы не можем одновременно измерить и форму и цвет. Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем. Это и есть суть принципа дополнительности, такая, как её сформулировал Нильс Бор.
В результате квантовая теория заставляет нас быть осмотрительными в приписывании свойствам физической реальности. Во избежание противоречий приходится признать, что:
Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему
II
Теперь опишем две образцовые, но не классические, иллюстрации странностей квантовой теории. Обе были проверены в строгих экспериментах (в реальных экспериментах люди меряют не формы и цвета пирожных, а угловые моменты электронов).
Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (EPR) описали удивительный эффект, возникающий при запутанности двух квантовых систем. EPR-эффект объединяет особую, экспериментально достижимую форму квантовой запутанности с принципом дополнительности.
EPR-пара состоит из двух квантонов, у каждого из которых можно измерить форму или цвет (но не то и другое сразу). Предположим, что у нас есть множество таких пар, все они одинаковые, и мы можем выбирать, какие измерения мы проводим над их компонентами. Если мы измерим форму одного из членов EPR-пары, мы с одинаковой вероятностью получим квадрат или круг. Если измерим цвет, то с одинаковой вероятностью получим красный или синий.
Интересные эффекты, казавшиеся EPR парадоксальными, возникают, когда мы проводим измерения обоих членов пары. Когда мы меряем цвет обоих членов, или их форму, мы обнаруживаем, что результаты всегда совпадают. То есть, если мы обнаружим, что один из них красный и затем меряем цвет второго, мы также обнаруживаем, что он красный – и т.п. С другой стороны, если мы измеряем форму одного и цвет другого, никакой корреляции не наблюдается. То есть, если первый был квадратом, то второй с одинаковой вероятностью может быть синим или красным.
Согласно квантовой теории, мы получим такие результаты, даже если две системы будет разделять огромное расстояние и измерения будут проведены почти одновременно. Выбор типа измерений в одном месте, судя по всему, влияет на состояние системы в другом месте. Это «пугающее дальнодействие», как называл его Эйнштейн, по-видимому, требует передачу информации – в нашем случае, информации о проведённом измерении – со скоростью, превышающей скорость света.
Но так ли это? Пока я не узнаю, какой результат получили вы, я не знаю, чего ожидать мне. Я получаю полезную информацию, когда я узнаю ваш результат, а не когда вы проводите измерение. И любое сообщение, содержащее полученный вами результат, необходимо передать каким-либо физическим способом, медленнее скорости света.
При дальнейшем изучении парадокс ещё больше разрушается. Давайте рассмотрим состояние второй системы, если измерение первой дало красный цвет. Если мы решим мерить цвет второго квантона, мы получим красный. Но по принципу дополнительности, если мы решим измерить его форму, когда он находится в «красном» состоянии, у нас будут равные шансы на получение квадрата или круга. Поэтому, результат EPR логически предопределён. Это просто пересказ принципа дополнительности.
Нет парадокса и в том, что удалённые события коррелируют. Ведь если мы положим одну из двух перчаток из пары в коробки и отправим их в разные концы планеты, неудивительно, что посмотрев в одну коробку, я могу определить, на какую руку предназначена другая перчатка. Точно так же, во всех случаях корреляция пар EPR должна быть зафиксирована на них, когда они находятся рядом и потому они могут выдержать последующее разделение, будто бы имея память. Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.
III
Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Зейлингер открыли ещё один прекрасный пример квантовой запутанности. ОН включает три наших квантона, находящихся в специально подготовленном запутанном состоянии (GHZ-состоянии). Мы распределяем каждый из них разным удалённым экспериментаторам. Каждый из них выбирает, независимо и случайно, измерять ли цвет или форму и записывает результат. Эксперимент повторяют многократно, но всегда с тремя квантонами в GHZ-состоянии.
Каждый отдельно взятый экспериментатор получает случайные результаты. Измеряя форму квантона, он с равной вероятностью получает квадрат или круг; измеряя цвет квантона, он с равной вероятностью получает красный или синий. Пока всё обыденно.
Но когда экспериментаторы собираются вместе и сравнивают результаты, анализ показывает удивительный результат. Допустим, мы будем называть квадратную форму и красный цвет «добрыми», а круги и синий цвет – «злыми». Экспериментаторы обнаруживают, что если двое из них решили измерить форму, а третий – цвет, тогда либо 0, либо 2 результата измерений получаются «злыми» (т.е. круглыми или синими). Но если все трое решают измерить цвет, то либо 1 либо 3 измерения получаются злыми. Это предсказывает квантовая механика, и именно это и происходит.
Вопрос: количество зла чётное или нечётное? В разных измерениях реализовываются обе возможности. Нам приходится отказаться от этого вопроса. Не имеет смысла рассуждать о количестве зла в системе без связи с тем, как его измеряют. И это приводит к противоречиям.
Эффект GHZ, как описывает его физик Сидни Колман, это «оплеуха от квантовой механики». Он разрушает привычное, полученное из опыта ожидание того, что у физических систем есть предопределённые свойства, независимые от их измерения. Если бы это было так, то баланс доброго и злого не зависел бы от выбора типов измерений. После того, как вы примете существование GHZ-эффекта, вы его не забудете, а ваш кругозор будет расширен.
IV
Пока что мы рассуждаем о том, как запутанность не позволяет назначить уникальные независимые состояния нескольким квантонам. Такие же рассуждения применимы к изменениям одного квантона, происходящим со временем.
Мы говорим об «запутанных историях», когда системе невозможно присвоить определённое состояние в каждый момент времени. Так же, как в традиционной запутанности мы исключаем какие-то возможности, мы можем создать и запутанные истории, проводя измерения, собирающие частичную информацию о прошлых событиях. В простейших запутанных историях у нас есть один квантон, изучаемый нами в два разных момента времени. Мы можем представить ситуацию, когда мы определяем, что форма нашего квантона оба раза была квадратной, или круглой оба раза, но при этом остаются возможными обе ситуации. Это темпоральная квантовая аналогия простейшим вариантам запутанности, описанным ранее.
Используя более сложный протокол, мы можем добавить чуть-чуть дополнительности в эту систему, и описать ситуации, вызывающие «многомировое» свойство квантовой теории. Наш квантон можно подготовить в красном состоянии, а затем измерить и получить голубое. И как в предыдущих примерах, мы не можем на постоянной основе присвоить квантону свойство цвета в промежутке между двумя измерениями; нет у него и определённой формы. Такие истории реализовывают, ограниченным, но полностью контролируемым и точным способом, интуицию, свойственную картинке множественности миров в квантовой механике. Определённое состояние может разделиться на две противоречащие друг другу исторические траектории, которые затем снова соединяются.
Эрвин Шрёдингер, основатель квантовой теории, скептически относившийся к её правильности, подчёркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, измерение которых может дать чрезвычайно разные результаты. Его мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» постулирует, как известно, квантовую неопределённость, выведенную на уровень влияния на смертность кошачьих. До измерения коту невозможно присвоить свойство жизни (или смерти). Оба, или ни одно из них, существуют вместе в потустороннем мире возможностей.
Повседневный язык плохо приспособлен для объяснения квантовой дополнительности, в частности потому, что повседневный опыт её не включает. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, и другими предметами, совершенно по-разному, в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение проходит автоматически, и кот продолжает жить (или не жить). Но истории с запутанностью описывают квантоны, являющиеся котятами Шрёдингера. Их полное описание требует, чтобы мы принимали к рассмотрению две взаимоисключающие траектории свойств.
Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй – вещь деликатная, поскольку требует сбора частичной информации о квантонах. Обычные квантовые измерения обычно собирают всю информацию сразу – к примеру, определяют точную форму или точный цвет – вместо того, чтобы несколько раз получить частичную информацию. Но это можно сделать, хотя и с чрезвычайными техническими трудностями. Этим способом мы можем присвоить определённый математический и экспериментальный смысл распространению концепции «множественности миров» в квантовой теории, и продемонстрировать её реальность.
Комментарии (52)
hdfan2
31.07.2016 14:48+1Всё равно как-то запутано.
geisha
31.07.2016 18:44+2Ага, особенно мило выглядит переход к первой же формуле: идут такие красивые-красивые слова и потом хренясь сумма произведений волновых функций. И ни сумма ни произведение не определяются в тексте.
mrMidas
31.07.2016 19:57Просто автор использовал привычную для него терминологию, вместо того что бы подобрать адекватную понятиям/образам. Говоря иначе он пытался объяснять термины вместо понятий. Только вот каждый термин несёт в себе изрядный бэкграунд, который используется в неявном виде. Без этого бэка нормальное понимание, особенно интуитивное, в принципе невозможно.
denis64
31.07.2016 23:55+1Разве пример с перчаткой в закрытой коробке не является примером системы со скрытым параметром?
kauri_39
31.07.2016 19:55В тексте аналогия с «запутанными» перчатками неверна. Пара запутанных фотонов, разделённых любым расстоянием, постоянно и синхронно меняют свой спин случайным образом — если один из них стал таким <, то другой сразу становится таким > и наоборот. А разделённые перчатки — левая и правая — сохраняют этот свой «спин» неизменным.
Здесь совпадение лишь в том, что экспериментатор до измерения одинаково не знает, какой спин будет у измеряемого фотона, и на какую руку будет перчатка в измеряемом (открываемом) ящике. И после измерения одинаково знает, какой спин у второго запутанного фотона, и на какую руку перчатка во втором ящике.
Такая аналогия маскирует факт мгновенного информационного обмена между запутанными фотонами, благодаря которому они сводят свой общий спин к нулевому. Под воздействиями среды, меньшими по энергии, чем измерение, спины меняются — то у одного, то у другого фотона, и запутанный с ним фотон тут же меняет свой спин на противоположный. Поэтому экспериментатор не может заранее знать, какой спин у первого измеряемого им фотона. И поэтому принимается идея суперпозиции: каждый фотон может иметь одновременно противоположные спины. Но это лишь математическая абстракция, не соответствующая реальности, условность, основанная на неопределённости Гейзенберга.
CaptainFlint
01.08.2016 01:51+1Вы сейчас изложили суть гипотезы скрытых параметров. Эта гипотеза была опровергнута неравенствами Белла.
kauri_39
01.08.2016 07:38Вывод из нарушения неравенств Белла (из Вики):
«Следовательно, неверным оказывается привычное представление о том, что динамические свойства квантовой частицы, наблюдаемые при измерении, реально существуют ещё до измерения, а измерение лишь ликвидирует наше незнание того, какое именно свойство имеет место.»
Я этого не утверждал, а наоборот, возражаю против сравнения ЭПР-пар с перчатками. Перчатки статичны до измерения, а эти пары фотонов — динамичны, на перемену их спинов влияют скрытые параметры, которые не могут быть учтены из-за неопределённости Гейзенберга.
Эйнштейн предложил эксперимент, не веря в существование мгновенной связи. И эксперимент опроверг его веру, такая связь есть, и она проявляется не только в момент измерения первого фотона, но существует и до него.
quverty
01.08.2016 19:18Насколько я понимаю, имеется в виду, что неравенства Белла не могут выполняться для теории
Пара запутанных фотонов, разделённых любым расстоянием, постоянно и синхронно меняют свой спин случайным образом — если один из них стал таким <, то другой сразу становится таким > и наоборот.
так как она представляет собой пример теории со скрытыми параметрами (вот этими самыми изменениями).kauri_39
01.08.2016 22:43Из Википедии:
«Поскольку в квантовой механике не выполняются неравенства Белла, любая теория скрытых параметров, претендующая на описание экспериментальных фактов, должна быть нелокальной (несепарабельной), то есть допускать распространение неких «сигналов» об изменении квантового состояния входящих в систему частиц с бесконечной скоростью.»
О чём я и говорю в своём предложении, цитируемом Вами. Если есть мгновенное информационное взаимодействие запутанных частиц в момент измерения одной из них, то оно есть и до измерения. Причём запутанные частицы лишь выявляют для нас этот канал связи, а пользоваться им могут вообще все частицы.quverty
02.08.2016 15:43Я просто неправильно выразился. Имелось в виду, что для моделей, описанных теоремой Белла некая величина должна быть меньше двух. Из квантовой механики следует более слабое ограничение, то что она меньше корня из восьми (~2.8...). То есть, теория должна объяснять возможность нахождения этой величины в интервале от 2 до 2.8.
Модель же в которой частицы просто случайно и синхронно меняют спины без всякой связи с их измерением удовлетворяет условиям теоремы Белла, поэтому не может выдавать значения больше двух. То есть теория не согласуется с рассуждениями исходящим из неравенств Белла, я это и хотел сказать, а получилось вроде наоборот. Но если начать говорить о каких-то вневременных воздействиях, то тут вообще другая история. Насколько я понимаю, тогда данная величина хоть до значения четыре может доходить.kauri_39
02.08.2016 16:21Да ладно, мы разве находимся на позициях Эйнштейна, чтобы нас разубеждать нарушением неравенств Белла, сформулированных для этого случая? На основе мгновенной связи между запутанными частицами — носителями кубитов — уже создают квантовые компьютеры.
Пора смотреть вперёд и озадачиваться другими вопросами.
1. Откуда у фотонов мгновенная связь?
2. Какова её природа?
3. Декогеренция нарушает запутанность, но не означает ли это, что нарушаются их известные нам мгновенные взаимодействия, а сам канал мгновенной связи сохраняется и проявляется в чём-то другом?
4. Если все частицы материи Вселенной образованны из энергии первичных фотонов, то все они связаны мгновенной связью в единую информационную сеть?
5. Может быть, это и есть Бог Эйнштейна (Слово, Логос), который не играет в кости?
warlock13
01.08.2016 21:30На самом деле главная проблема любой теории скрытых параметров (и тех, что неравенства Белла прикрыли, и тех, которых это не касается) — это собственно скрытые параметры. Любая такая теория либо неверна — и тогда нет смысла о ней говорить, либо предсказывает всё то же самое, что предсказывает обычная квантовая механика без скрытых параметров.
То есть теория оказывается ничем иным как переформулировкой квантовой механики, а параметры — не просто скрытыми, но фиктивными, поскольку их можно устранить простой переформулировкой. При этом обычная квантовая механика «трансформируется» в любую теорию со скрытыми параметрами, если они вам зачем-либо нужны (для упрощения рассуждений на пальцах или может даже для упрощения каких-то расчётов). То есть ни одна теория со скрытыми параметрами не может решить никаких проблем квантовой механики — они априори присутствуют и в этой теории тоже, если только она не протеворечит экспериментам.
Qubc
31.07.2016 19:57А вот с чего бы начать изучать квантовую механику? Есть что-то попроще? Я так понимаю, что как минимум, нужно знать теорию вероятности хоть чуть-чуть, вузовский курс матана (пределы, производные, интегралы, ряды, пределы функций нескольких переменных), школьный курс физики (разделы механика и электродинамика), верно?
quantuz
31.07.2016 21:36Есть неплохие научно-популярные книги. Где все это разжевывается без формул. Например «Чудеса обычных вещей» от Маркуса Чоуна
Sychuan
31.07.2016 22:39+1Неплохая книжка «Теоретический минимум» Сасскинда. На мой взгляд достаточно простая. Но к ней нужна и дополнительная литература, я думаю.
warlock13
01.08.2016 12:58Можете попробовать начать читать Фейнмановские лекции по физике начиная с первого тома по порядку. Третий том (выпуски 8 и 9 в русском переводе) как раз квантовая механика. Это не даст полной картины, но поддержит интерес и даст неплохой базис, достаточный чтобы заняться квантовой механикой чуть более серьёзно. Также крайне рекомендую задать ваш вопрос вот тут: http://dxdy.ru, уверен, что вы получите компетентный ответ.
warlock13
01.08.2016 16:19Кстати, поскольку ФЛФ не являются учебником (не дают всей необходимой информации), то их можно даже читать параллельно с учебником — они очень хорошо дополняют друг друга.
quverty
31.07.2016 23:21Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.
Прочитал, не понял, посмотрел исходник:
Again, the peculiarity of EPR is not correlation as such, but its possible embodiment in complementary forms.
Не сильно полегчало, но, похоже, имелось в виду что-то типа:
Особенность ЭПР — не корреляции как таковые, а возможность их согласованного проявления.
mrMidas
01.08.2016 01:53Не сильно полегчало...
Не удивительно. Перевод вообще по большей части крышесносный, что впрочем не удивительно для данной темы. Я долго ломал голову над "Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем." пока не понял что речь идет о наблюдении за квантовым событием, которое в КФ принято за измерение. В итоге если причесать фразу то получится "Невозможно единичным наблюдением квантового события определить все его аспекты. Для этого необходимо собрать воедино множество взаимоисключающих наблюдений, хотя и не полных, но достоверных.". Так и с «in complementary forms». Это не согласованность, а взаимодополненность до целого. Собственно в EPR эксперименте и производили формирование целостного объекта за счёт спутывания, где все элементы являлись взаимодополняющими. Поэтому зная полное описание системы и имея измерение одного элемента мы всегда сможем предсказать каким будет измерение оставшегося… т.к. его состояние предопределено в момент запутывания.quverty
01.08.2016 14:16Это не согласованность, а взаимодополненность до целого.
Часто просто используют английскую кальку комплементарность, чтобы попытаться отразить суть понятия, которое как инь-ян отражает и противоположность и дополнительность и согласованность.
А вообще тут некая «политика», которую не особо хочется обсуждать, не зря лауреата Нобелевской премии попросили высказаться.
dubakov
01.08.2016 08:37Народ, кто в теме, почему нельзя передавать информацию через запутанные частицы?
Если например условится что Alice измеряет и меняет состояние частицы пока оно не станет нужным внутри промежутка времени, а Bob читает по окончании промежутка времени?
Допустим хотим передать 0010
У Alice есть например 50 минут чтобы изменять измерением состояние, пока оно не станет нужным. Затем у Bob есть, например, 10 минут, чтобы измерить состояние, оно совпадёт с тем последним что было у Alice.
Alice_____|Bob_____
110 stop__| 0
10 stop___| 0
00001 stop| 1
0 stop____| 0
Где ошибка?
ilammy
01.08.2016 09:45Алиса узнаёт состояние частицы после измерения. То есть то, что она сейчас измерила ноль, не значит, что она в следующий раз увидит ноль, а Боб — единицу. Если состояние не измерять, то это тоже ничего не значит.
Aniro
01.08.2016 09:47Если у Алисы и Боба есть действующий канал связи, достаточно xor-а состояния частицы с очередным битом информации.
Если канала нет — то как Алиса передаст Бобу момент времени, когда он должен произвести измерение?
Ну и на сладкое — квантовые системы вроде как не позволяют провести серию измерений без разрушения состояния.
planarik
01.08.2016 18:34Частицы не статические переключатели, они не находятся в статичном состоянии. Получив состояние частицы в тот или иной момент нельзя точно сказать — вызвано это воздействием на связанную частицу или «она сама».
stDistarik
01.08.2016 12:57Опять ничего не понятно. Скажите, как запутывают или спутывают фотоны? Вот у меня есть фотон в левом кармане и фотон в правом, как их спутывают? Спасибо.
mrMidas
01.08.2016 14:23Примерно так же как и при генерации лазерного излучения, только в качестве рабочего тела используются такие вещества, которые обладают свойством 2-х фотонного перехода. Так что при накачке РТ будет создавать поток из парных фотонов с заданными свойствами…
stDistarik
01.08.2016 14:48То есть пуляют из лазера двумя фотонами?
Опишите пожалуйста простым языком, можно в форме аллегории, как ставятся эксперименты по спутыванию/запутыванию фотонов и дальнейшему определению их состояния.mrMidas
01.08.2016 15:01Опишите пожалуйста простым языком
Ох, вряд ли у меня это получится т.к. я далеко не специалист в этой области. Попробуйте прочитать в вики Квантовая запутанность не сильно обращая внимание на математику
quverty
01.08.2016 15:43На Постнауке было интервью с человеком, который как раз ставит такие эксперименты, в частности эксперимент по квантовому стиранию с задержкой по поводу которого некоторое время назад тут (и не только) были активные дискуссии. Правда про пары фотонов совсем мало, где-то в середине, но по крайней мере интересно сравнить как обо всём этом говорит человек общающийся с реальным «железом». Там и список книг есть.
quverty
01.08.2016 15:57PS. Cсылка на интервью не скопировалась, не понял, нельзя или ошибся, вот она https://postnauka.ru/video/52677
Zet_Roy
02.08.2016 12:26-1Если человек не может пояснить тему так чтобы это понял 5 летний ребенок, то этот человек сам не знает о предметной области и является некомпетентным. Сама статья непонятная и еще больше запутанная чем на википедии, автору вообще не удалось раскрыть тему.
kulibyaka
02.08.2016 17:07-2Вся эта «афера» с квантовой запутанностью и с квантовой телепортацией, напоминает мне старую загадку, которуе мне загадали ещё лет 20-25 назад:
«Проснулся Ромео дома, а Джульетта лежит мёртвая в луже воды. Что случилось дома? Можно задавать любые наводящие вопросы, а тот кто загадал загадку — отвечает только ДА или НЕТ.»
По моему опыту, взрослым требуется от 40 минут на разгадку (в среднем 1-2 часа или не получают ответ), детям 2-7 минут, чем выше уровень знаний — тем дольше отгадывать… специфика мышления…
Вот и с запутанностью «намудрили», когда есть более простое объяснение (сугубо имхо), не противоречащее основам квантовой механики/физики (и всей квантовой механике/физике):
При спутывании двух квантовых частиц, они провзаимодействовали друг с другом, т.е. по сути — одна частица измерила состояние другой и соответственно: одна частица получила правый спин, другая — левый, где какой — мы не знаем, мы ж не измеряли.
Разносим две частицы в разные лаборатории удалённые друг от друга, например на 1000 км: измеряем спин одной частицы, например, он левый, не трудно догадаться, что у второй будет — правый и нам, как стороннему наблюдателю кажется, что одна частица мгновенно передала информацию о своём спине другой частице за 1000 км…
С таким же успехом можно взять два одинаковых по форме и весу теннисных мячика, но один синий, другой красный и две коробки; в полной темноте, чтоб не видеть цвет мячиков, перемешать мячики руками, положить один в одну коробку и закрыть, второй — в другую и закрыть; разносим коробки по комнатам (лабораториям), где какого цвета мячик — мы не знаем, но открыв любую из коробок — в точности узнаём цвет мячика в другой коробке или при открытии первой коробки, мячик мгновенно передал информацию о своём цвете другому? Или может я в чём-то ошибаюсь?
P.S.: не плохой такой rngd-генератор для криптографии получается, но можно и подешевле :)warlock13
03.08.2016 12:15+1Вы почти не ошибаетесь, и всё, что вы написали, является хорошей аналогией, но она не совсем точна: есть небольшое отличие в квантовом случае, которое нельзя воспроизвести с носками и мячиками. Результат будет зависеть от проведённого измерения. То есть с тем же фотоном вы можете измерить либо какая у него круговая поляризация (левая или правая), либо какая у него линейная поляризация (вертикальная или горизонтальная). Если представить себе аналогию с "квантовыми носками", то выглядеть это будет так.
Носок может быть либо красным, либо синим, либо их одной из двух линейных комбинаций этих цветов: фиолетовым = 1/sqrt(2) (красный + синий) либо розовым = 1/sqrt(2) (красный — синий). Пара состояний носка ("красный" и "синий") называется базисом, поскольку все состояния (у нас их получается четыре штуки) представимы как линейные комбинации базисных состояний. Надо понимать, что базисов, вообще говоря, много и ни один из них не выделен. Так, в нашем случае, пара цветов фиолетовый — розовый также является базисом, так как красный = 1/sqrt(2) (фиолетовый + розовый), а синий = 1/sqrt(2) (фиолетовый — розовый).
Теперь, для аналогии с квантовыми частицами надо ввести ограничение. Мы не можем, к сожалению, узнать какого цвета на самом деле носок. Мы можем только определить его цвет в каком-то базисе. Если мы берём прибор, измеряющий цвет носков в базисе красный — синий, то для красных и синих носоков он покажет их цвет. Но вот для фиолетовых и розовых он покажет с вероятностью 50 на 50 либо красный либо синий, причём результат оказывается действительно случайным. И главное — измерение влияет на сам объект измерения: если прибор показал, что носок — красный, то после измерения носок действительно станет красным, если показал синий — действительно станет синим. То есть если на входе у вас носки четырёх цветов, то на выходе остются только два. Другой прибор, который измеряет носки в базисе фиолетовый — розовый действует так же, но на выходе будут только фиолетовые и розовые носки.
Теперь если у вас есть источник, который генерирует случайным образом пары носков так, что в каждой паре один красный, а другой синий, и мы просто не знаем в какой лаборатории красный, а в какой синий, то действительно всё просто и скучно. При этом если в лабораториях будут вместо измерения "красноты" измерять "фиолетовость", то корреляция разрушится: в одной лаборатории будут получать, что половина носков — фиолетовые, а половина — розовые, и в другой так же, и результаты их никак не будут соотносится, потому что носки становятся фиолетовыми или розовыми только после измерения, а каждая лаборатория проделывает это независимо над разными никак не свяанными носками.
Но если у вас есть источник, который генерирует запутанные пары носков, то даже при измерении "фиолетовизны" коррелции останутся! И когда в одной лаборатории будут получать фиолетовый носок, в другой будут получать роовый и никогда — фиолетовый и наоборот. И этот эффект показывает, что мы не можем приписать каждому носку определённого цвета, как в случае когда она незапутаны: потому что, если носок красный или синий, то не должно наблюдаться коррелляции когда мы измеряем на "фиолетовизну", а если он фиолетовый или розовый — то корреляция должна пропадать, когда мы измеряем "красноту". Поэтому запустанность имеет много сходства с описанным вами случаем, но она более сложна и более удивительна.
kulibyaka
03.08.2016 22:18Т.е. имеем: две удалённые лаборатории, два связанных фотона, четыре единицы измерения (условно: «правая», «левая», «горизонтальная», «вертикальная»)
опыт 1: тут всё понятно, если в одной лаборатории меряем круговую и обнаруживаем «правую», то в другой лаборатории при измерении круговой — обнаружим только «левую» (и соответственно наоборот)
опыт 2: вот здесь я не понял… если в одной лаборатории меряем круговую и обнаруживаем «правую», то в другой лаборатории при измерении не круговой мы можем обнаружить, или «вертикальную», или «горизонтальную»? Или только всегда какую-то одну, например, «вертикальную»?
P.S.: если есть ссылки на результаты опытов 1 и 2 на русском — выложите, пожалуйста (кроме Вики — там опыта 2 нет).warlock13
03.08.2016 23:41+1Нет, если мы в одной лаборатории меряем круговую поляризацию, а в другой линейную, то мы в обоих лабораториях получаем случайные результаты, так что это не очень интересный опыт.
опыт 2: в одной лаборатории меряем линейную поляризацию и в другой тоже линейную. если в одной обнаружиаем вертикальную, то в другой — горизонтальную.
Каждый из двух опытов можно объяснить классически. В первом опыте считаем, что вылетают фотоны, поляризованные по кругу и вполне понятно почему они имеют противоположную поляризацию. Во втором считаем, что вылетают линейно поляризованные фотоны и тоже всё ясно. Но когда оба опыта проводятся с одним и тем же источником фотоном, то либо нам надо допустить, что источник меняет тип излучаемых фотонов как только мы пожелаем измерять их другим прибором, либо что до измерения фотоны находятся в запутанном состоянии, т. е. таком состоянии когда у каждого отдельного фотона нет определённого состояния, определённой поляризации.
Описывается такое состояние на самом деле очень просто. Мы имеем обычные состояния для отдельных фотонов (|фотон один левый>, |фотон два правый>) и перемножая их получаем состояние системы:
|фотон один правый> |фотон два левый>
В таком состоянии фотонной пары определены и состояния отдельных фотонов. Запутанная же пара выглядит так:
1/sqrt(2) (|фотон один правый> |фотон два левый> + |фотон один левый> |фотон два правый>)
и такое состояние пары нельзя свести к произведению какого бы то ни было состояния первого фотона на состояние второго фотона. Даже при переходе к другому базису запись состояния не меняет структуры.
Когда производится измерение, то состояние меняется: из суммы остаётся только одно слагаемое, то есть мы получаем обычное, незапутанное состояние с двумя фотонами противоположной поляризации, но поразительно, что мы можем при этом произвольно выбрать базис (линейный или круговой) и таким образом повлиять на оба фотона, хотя второй при этом может находиться в другой части Вселенной.
warlock13
04.08.2016 00:01+1Что касается экспериментов, то я не знаю, проводились ли эксперименты именно в такой постановке. Было много других экспериментов, в частности серия экспериментов Штерна и Герлаха с электронами. Кроме того, дело в том, что есть ещё одно объяснение: каждый фотон даже будучи круговым «знает» станет ли он поляризован вертикально или горизонтально если его измерить в линейном базисе. То есть это то, что называется теорией скрытых параметров: хоят нам кажется что все левые фотоны одинаковы, в действительности половина из них имеет скрытую склонность становится вертикально поляризованными, а другая половина — горизонтально. И вот такое объяснение опровергнуть уже гораздо сложнее. Для этого надо ставить эксперимент, делая измерения в трёх базисах, причём базисы должны быть неортогональны (т. е. используют не круговую поляризацию, а три линейных, повёрнутых на разные углы) и вычисляя корреляции. Оказывается, что есть неравенства (те самые неравенства Белла), которые не может нарушить никакая теория скрытых параметров, если только она не предполагает сверхсветового взаимодействия. Так вот такой усложнённый вариант опыта, позволяющий также проверить нарушение неравенств Белла, ставился неоднократно.
kulibyaka
03.08.2016 22:20И спасибо за пояснения с носками. К сожалению, плюсануть Вам не могу… карма не позволяет или как здесь ещё называется…
Mugik
На самом деле, у меня такое ощущение, что во всей этой квантовой запутанности и квантово-волновом дуализме и вообще вся эта магия квантовых законов это на самом деле никакая не магия, а мы просто не понимаем ключевых концепций.
Это можно сравнить с тем, что мы привезем лапочку дикарям в джунгли — для них это магия, они не могут ни объяснить, ни описать, ни даже осмыслить как она загорается. Поэтому скорее всего дикари начнут городить про взаимодействия на расстоянии и прочую муть.
Просто нужно красивое и лаконичное объяснение, простые формулы, которые всё объяснят и опишут и вся магия испариться и над статьями и учёными начнут смеяться с их квантовой запутанностью, как над теми, кто в наше время считает землю плоской.
A-Stahl
>привезем лапочку дикарям
Нет уж, не отдадим лапочку дикарям. Она милая. Иначе кто бы стал называть её лапочкой?
sumanai
Нарушение неравенств Белла уже доказали.
mwizard
Вот только супердетерминистические теории все еще возможны и не отсекаются неравенствами Белла.
sumanai
Один из них ведёт на эту статью. Гугл от меня что-то скрывает?
mwizard
По запросу "superdeterminism" и "супердетерминизм" уже немного больше результатов. Возможно, что просто термин переводится не так — как-то типа «супердетерминированные» (хотя тут гугл выдает сорта томатов). Возможно, просто нет материалов в русскоязычной среде?
Честно говоря, я знаю только одну супердетерминистичную теорию — qst. У меня есть книга по этой теории, которую я попробую перевести — чтобы люди, которые умнее меня в данной области, могли как-то это прокомментировать. Но там 585 страниц, так что врядли стоит ожидать всего и сразу в скором времени.
HerrDirektor
Дикари пойдут по самому простому пути — добрые(злые, в зависимости от применения лампочки) боги зажигают волшебный огонь и все тут, никаких других объяснений не нужно.
old_bear
>Просто нужно красивое и лаконичное объяснение, простые формулы, которые всё объяснят и опишут и вся магия испариться
Весьма вероятно, что запутанность и прочие интересные штуки имеют лаконичное и красивое объяснение, но вовсе не обязательно, что человеческий мозг способен их воспринять.
Farxial
Мозг-то может быть и способен, а вот устоявшиеся положения и образ мышления…
AlexBaklanov
Согласен с old_bear
Возможно реальность такова, что наш мозг не способен воспринять ее просто и лаконично.
batja84
«испарится» в данном конктексте без мягкого знака
xPomaHx
Так так и есть, КМ это всего лишь инструмент с помощью которого мы познаем наш мир, точно такой же инструмент как математика, грубо говоря какой то уровень абстракции который описывает мир на текущем уровне наших способностей к прямым непосредственным измерениям. В будущем придумаем еще какой ни будь инструмент более универсальный и КМ и Математика отпадет мб.