У измерения и запутывания в квантовом мире есть «пугающий» нелокальный привкус. Теперь физики используют эту нелокальность для исследования распространения квантовой информации и управления ею.
Измерение — заклятый враг запутанности. Когда запутанность распространяется по сетке квантовых частиц, как показано в этой модели, что если измерить некоторые частицы в разных местах, а некоторые оставить так? Какое явление победит?
В 1935 году Альберт Эйнштейн и Эрвин Шрёдингер, два самых выдающихся физика того времени, вступили в спор о природе реальности.
Эйнштейн провёл математические расчёты и понял, что Вселенная должна быть локальной, то есть никакое событие в одном месте не может мгновенно повлиять на удалённое место. Но Шрёдингер провёл собственные расчёты и понял, что в основе квантовой механики лежит странная связь, которую он назвал «запутанностью» и которая, как оказалось, наносит удар по здравому эйнштейновскому предположению о локальности.
Когда две частицы становятся запутанными (что может произойти, например, при их столкновении), их судьбы оказываются связанными. Измерьте, например, ориентацию спина одной частицы, и вы можете узнать, что её запутанный партнёр (если и когда он будет измерен) указывает в противоположном направлении, независимо от его местонахождения. Таким образом, измерение в Пекине может мгновенно повлиять на эксперимент в Бруклине, что, очевидно, нарушает эйнштейновский закон о том, что никакое воздействие не может распространяться быстрее света.
Эйнштейну не нравилось влияние запутанности (которую он позже назовёт «пугающей»), и он критиковал зарождавшуюся в то время теорию квантовой механики как неизбежно неполную. Шрёдингер, в свою очередь, защищал теорию, в создании которой он принимал участие. Но он с пониманием отнёсся к неприятию Эйнштейном запутанности. Он признал, что то, как она, судя по всему, позволяет одному экспериментатору «рулить» недоступным в других случаях экспериментом, «довольно неприятно».
С тех пор физики в значительной степени избавились от этого дискомфорта. Теперь они понимают то, что упустил из виду Эйнштейн, а возможно, и сам Шрёдингер: запутанность не оказывает никакого дистанционного влияния. Она не способна привести к определённому результату на расстоянии; она может только распространять знание об этом результате. Эксперименты с запутыванием, подобные тем, за которые была присуждена Нобелевская премия в 2022 году, стали уже обыденностью.
За последние несколько лет шквал теоретических и экспериментальных исследований выявил новую странную сторону этого явления — оно проявляется не в парах, а в скоплениях частиц. Запутанность естественным образом распространяется по группе частиц, создавая сложную паутину случайностей. Но если измерять частицы достаточно часто, разрушая при этом запутанность, то можно остановить формирование паутины. В 2018 году три группы теоретиков показали, что эти два состояния — паутина или отсутствие паутины — напоминают привычные состояния материи, такие как жидкость и твёрдое тело. Но вместо того чтобы обозначать переход между различными структурами материи, переход между паутиной и отсутствием паутины указывает на изменение структуры информации.
«Это фазовый переход в информации, — говорит Брайан Скиннер из Университета штата Огайо, один из физиков, впервые выявивших это явление. — В этом случае свойства информации — то, как она передаётся между объектами, — претерпевают очень резкое изменение».
Брайан Скиннер из Университета штата Огайо и его коллеги показали, что запутанность может пережить разрушительное воздействие повторных измерений и распространиться по всей системе.
Совсем недавно отдельная группа исследователей попыталась пронаблюдать этот фазовый переход в действии. Они провели серию метаэкспериментов, чтобы измерить, как сами измерения влияют на поток информации. В этих экспериментах они использовали квантовые компьютеры, чтобы подтвердить, что между конкурирующими эффектами запутанности и измерений можно достичь тонкого баланса. Открытие перехода запустило волну исследований того, что может случиться при столкновении запутанности и измерений.
Запутанность «может обладать множеством различных свойств, выходящих за рамки наших представлений», — говорит Джедедайя Пиксли, теоретик конденсированного состояния вещества из Ратгерского университета, изучавший варианты этого перехода.
Запутанный десерт
Одна из коллабораций, в процессе работы которой был обнаружен запутанный переход, родилась за пудингом с ирисками в одном из ресторанов Оксфорда (Англия). В апреле 2018 года Скиннер был в гостях у своего друга Адама Нахума, физика, работающего сейчас в Высшей нормальной школе в Париже. В ходе продолжительной беседы они обсудили фундаментальный вопрос, касающийся запутанности и информации.
Отмотаем историю немного назад. Чтобы понять, какое отношение запутанность имеет к информации, представим себе пару частиц A и B, у каждой из которых есть спин, который может быть направлен вверх или вниз. Каждая частица находится в квантовой суперпозиции «вверх» и «вниз», что означает, что измерение даёт случайный результат — либо «вверх», либо «вниз». Если частицы не запутаны, то их измерение похоже на подбрасывание двух разных монет: выпадение решки на одной из них ничего не говорит о том, что выпадет на другой.
Но если частицы запутаны, то оба результата будут связаны между собой. Например, если вы обнаружите, что частица B направлена вверх, то при измерении частицы A она будет направлена вниз. Пара обладает «противоположностью», свойством, присущим не одному из членов пары, а обоим сразу, — это тот самый привкус нелокальности, который беспокоил Эйнштейна и Шрёдингера. Одно из следствий этой противоположности состоит в том, что, измеряя одну частицу, можно узнать кое-что о состоянии другой. «Измерение частицы B сначала даёт мне некоторую информацию о частице A, — говорит Скиннер. — Это уменьшает моё незнание о состоянии A».
То, насколько измерение B уменьшает ваше незнание об A, называется энтропией запутывания, и, как любой тип информации, она исчисляется в битах. Энтропия запутывания — это основной способ количественной оценки физиками запутанности между двумя объектами, или, что эквивалентно, того, сколько информации об одном из них нелокально хранится в другом. Отсутствие энтропии запутывания означает отсутствие запутывания; измерение B ничего не сообщает об A. Высокая энтропия запутывания означает большое количество запутывания; измерение B позволяет узнать много нового об A.
На десерт Скиннер и Нахум развили эту мысль на два шага дальше. Сначала они расширили пару частиц до цепочки такой длины, какую только можно себе представить. Они знали, что в соответствии с одноимённым уравнением Шрёдингера, аналогом F = ma в квантовой механике, запутанность будет переходить от одной частицы к другой, как заразная болезнь. Они также знали, что таким же образом можно рассчитать степень запутанности: Пометьте одну половину цепочки A, а другую — B; если энтропия запутывания высока, значит, обе половины сильно запутаны. Измерив половину спинов, можно получить представление о том, что ожидать при измерении другой половины.
Далее они перенесли измерение из конца процесса, когда цепочка частиц уже достигла определённого квантового состояния, в его середину, когда запутанность ещё только распространяется. Это привело к конфликту, поскольку измерение является смертельным врагом запутанности. В нетронутом виде квантовое состояние группы частиц отражает все возможные комбинации «верхних» и «нижних» спинов, которые можно получить при измерении этих частиц. Но измерение разрушает квантовое состояние и уничтожает содержащуюся в нем запутанность. Вы получаете то, что получаете, и все альтернативные возможности исчезают.
Нахум задал Скиннеру следующий вопрос: что если в процессе распространения запутанности измерять некоторые спины то тут, то там? Постоянное измерение всех спинов привело бы к банальному исчезновению запутанности. Но если спорадически измерять лишь несколько спинов, то какое явление окажется победителем? Запутанность или измерение?
Какое явление победит, запутанность или измерение? Слева: измерений нет, запутанность быстро распространяется на всю цепочку частиц; В центре: постоянные измерения, запутанность не работает; Справа: периодические измерения, будучи достаточно спорадическими, не препятствуют росту запутанности.
Скиннер рассудил, что измерение разрушит запутанность. Запутанность распространяется вяло, от соседа к соседу, поэтому за один раз она увеличивается максимум на несколько частиц. Но один раунд измерения может одновременно «поразить» множество частиц по всей длинной цепочке, уничтожив запутанность на множестве участков. Если бы они рассмотрели этот странный сценарий, многие физики, скорее всего, согласились бы с тем, что запутанность проиграет измерению.
«Существует некое общее представление, — говорит Эхуд Альтман, физик по конденсированным средам из Калифорнийского университета в Беркли, — о том, что состояния, которые сильно запутаны, очень хрупки».
Но Нахум, который размышлял над этим вопросом с прошлого года, считал иначе. Он представлял себе цепь, протягивающуюся в будущее, мгновение за мгновением, образуя своего рода «забор» из цепей. Узлы — это частицы, а соединения между ними — звенья, через которые может распространяться запутанность. Измерения обрезали звенья в случайных местах. Достаточно обрезать звенья, и ограда развалится. Запутанность не может распространяться. Но до этого момента, утверждал Нахум, даже несколько потрёпанный «забор» должен позволять запутанности распространяться далеко и широко.
Нахуму удалось превратить проблему об эфемерном квантовом явлении в конкретный вопрос о заборе из цепей. Это была хорошо изученная в определённых кругах проблема — «испорченная резисторная решётка». Скиннер изучал на своих первых занятиях по физике, когда его профессор вскользь упомянул об этой задаче.
«Именно тогда я пришёл в восторг, — говорит Скиннер. — Нет способа сделать физика счастливее, чем показать, что задача, которая кажется трудной, на самом деле эквивалентна задаче, которую вы уже знаете, как решить».
Отслеживание запутанности
Но их десертные рассуждения были простыми рассуждениями. Для тщательной проверки и развития этих идей Скиннер и Нахум объединили усилия с третьим сотрудником, Джонатаном Рухманом из израильского университета Бар-Илан. Команда в цифровом формате смоделировала эффект от перерезания звеньев с разной скоростью в цепных ограждениях. Затем они сравнили эти симуляции классических сетей с более точными, но более сложными симуляциями реальных квантовых частиц, чтобы убедиться, что аналогия имеет место. Медленно, но верно они добивались прогресса.
Затем, летом 2018 г., они узнали, что были не единственной группой, размышлявшей об измерениях и запутанности.
Мэтью Фишер, выдающийся физик конденсированных сред из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, задавался вопросом, может ли запутанность между молекулами в мозге играть роль в том, как мы мыслим. В разработанной им и его сотрудниками модели некоторые молекулы периодически связываются друг с другом таким образом, что это действует как измерение и уничтожает запутанность. Затем связанные молекулы меняют форму, что может привести к возникновению запутанности. Фишеру было необходимо узнать, может ли запутанность развиваться под давлением периодических измерений — тот же вопрос, который рассматривал Нахум.
«Это было ново, — говорит Фишер. — До 2018 года никто не рассматривал этот вопрос».
Мэтью Фишер, физик конденсированных состояний из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, начал изучать взаимодействие измерений и запутывания, поскольку подозревает, что оба явления могут играть определённую роль в человеческом сознании.
Проявляя академическое сотрудничество, обе группы координировали свои научные публикации друг с другом и с третьей группой, изучающей ту же проблему под руководством Грэма Смита (Graeme Smith) из Университета Колорадо в Боулдере.
«Это привело к тому, что все мы стали работать параллельно, чтобы опубликовать свои работы одновременно», — сказал Скиннер.
В августе этого года все три группы представили свои результаты. Команда Смита поначалу расходилась с двумя другими группами, которые поддерживали рассуждения Нахума, вдохновлённые аналогией с забором: сначала запутанность опережала скромные скорости измерения, распространяясь по цепочке частиц, что приводило к высокой энтропии запутанности. Затем, когда исследователи увеличивали скорость измерений до «критической», запутывание прекращалось: энтропия запутывания падала.
Оказалось, что переход существует, но никто не понимал, где интуитивный аргумент — что переползание запутанности от соседа к соседу должно прекращаться из-за быстрых и широкомасштабных измерений — оказался неверным.
В последующие месяцы Альтман и его коллеги из Беркли обнаружили неочевидный изъян в рассуждениях. «Он не учитывает распространение информации», — сказал Альтман.
Группа Альтмана указала на то, что не все измерения являются высокоинформативными и, следовательно, высокоэффективными для разрушения запутанности. Это связано с тем, что случайные взаимодействия между частицами цепочки не просто запутывают их. Они также значительно усложняют состояние цепочки с течением времени, эффективно распространяя в ней информацию «как в облаке», — сказал Альтман. В итоге, каждая частица знает обо всей цепочке, но количество информации, которой она располагает, ничтожно мало. Поэтому, по его словам, «количество запутанности, которое вы можете разрушить [при каждом измерении], смехотворно мало».
В марте 2019 г. группа Альтмана опубликовала препринт, в котором подробно описала, как цепочка эффективно скрывает информацию от измерений и позволяет большей части запутанности цепочки избежать разрушения. Примерно в это же время группа Смита обновила свои выводы, что привело все четыре группы к согласию.
Эхуд Альтман, физик из Калифорнийского университета в Беркли, использовал аргумент, основанный на квантовой теории информации, чтобы прояснить, почему запутанность может пережить измерения.
Ответ на вопрос Нахума был очевиден. Теоретически «фазовый переход, вызванный измерениями», возможен. Но в отличие от материального фазового перехода, такого как превращение воды в лёд, это был переход между информационными фазами: одной, в которой информация остаётся надёжно распределённой между частицами, и другой, в которой она уничтожается в результате повторных измерений.
«Это как раз то, что вы мечтаете сделать в конденсированной материи, — сказал Скиннер, — найти переход между различными состояниями. Теперь остаётся только размышлять, — продолжил он, — как это увидеть?»
В течение следующих четырёх лет три группы экспериментаторов обнаружили признаки отчётливого потока информации.
Три способа увидеть невидимое
Даже простейший эксперимент, в котором можно было бы уловить нематериальный переход, чрезвычайно сложен. «На практическом уровне это кажется невозможным», — говорит Альтман.
Задача состоит в том, чтобы установить определённую скорость измерений (например, редкую, среднюю или частую), позволить этим измерениям в течение некоторого времени бороться с запутанностью и посмотреть, сколько энтропии запутанности в итоге получается в конечном состоянии. Затем провести повторную процедуру с другими частотами измерений и посмотреть, как изменится количество запутанности. Это всё равно, что повышать температуру и наблюдать за тем, как меняется структура кубика льда.
Но в силу неумолимой математики экспоненциально возрастающих возможностей этот эксперимент немыслимо трудно осуществить.
Энтропия запутывания, строго говоря, не является чем-то, что можно наблюдать. Это число, которое вы вычисляете после множества повторений, подобно тому, как вы можете после многих повторов понять, в какую сторону перевешивает несимметричная игральная кость. Если эта кость упала тройкой, это ещё ни о чём не говорит. Но, бросив кубик сотни раз, можно узнать вероятность выпадения каждого числа. Аналогично, если одна частица направлена вверх, а другая — вниз, это не означает, что они запутаны. Чтобы убедиться в этом, необходимо много раз получить противоположный результат.
Вычислить энтропию запутывания для цепочки измеряемых частиц гораздо, гораздо сложнее. Конечное состояние цепочки зависит от её экспериментальной истории — от того, даёт ли каждое промежуточное измерение спин, направленный вверх или вниз. Эти повороты судьбы не зависят от экспериментатора, поэтому, чтобы собрать несколько копий одного и того же состояния, экспериментатор должен повторять эксперимент снова и снова, пока не получит одну и ту же последовательность промежуточных измерений; всё равно что подбрасывать монету несколько раз, пока не выпадет несколько решек подряд. Каждое дополнительное измерение удваивает необходимые усилия. Если, например, при подготовке последовательности частиц провести 10 измерений, то для получения того же конечного состояния во второй раз потребуется провести ещё 210 или 1024 экспериментов (а для определения энтропии запутывания может понадобиться ещё 1000 копий этого состояния). Затем придётся изменить скорость измерения и начать всё сначала.
Чрезвычайная сложность обнаружения фазового перехода заставила некоторых физиков задуматься о том, существует ли он в каком-либо значимом смысле.
«Вы полагаетесь на нечто, что почти нельзя увидеть из-за экспоненциально малой вероятности этого события, — сказала Кристал Ноэль, физик из Университета Дьюка. — Поэтому возникает вопрос, что это означает с физической точки зрения?»
Ноэль почти два года размышляла о фазах, индуцированных измерениями. Она входила в состав группы, работавшей над новым квантовым компьютером с ионной ловушкой в Университете Мэриленда. Процессор содержал кубиты — квантовые объекты, которые действуют подобно частицам. Они могут быть запрограммированы на создание запутанности путём случайных взаимодействий. Кроме того, устройство могло измерять параметры своих кубитов.
Кристал Ноэль из Университета Дьюка была частью первой команды, которая использовала квантовый компьютер для реализации версии информационных фаз.
В 2019 году Ноэль и её коллеги начали сотрудничать с двумя теоретиками, которые придумали более простой способ проведения эксперимента. Они разработали способ выделения одного кубита, который, подобно канарейке в угольной шахте, может служить индикатором состояния всей цепочки.
Для уменьшения числа повторений группа использовала и второй приём — техническую процедуру, которая заключалась в цифровом моделировании эксперимента параллельно с его реальным проведением. Таким образом, они знали, чего ожидать. Это было похоже на то, как если бы им заранее сказали, как будет взвешен подброшенный кубик, и это позволило сократить количество экспериментов, необходимых для отработки невидимой структуры запутывания.
С помощью этих двух приёмов они смогли обнаружить переход запутанности в цепочках длиной 13 кубитов и опубликовали свои результаты летом 2021 года.
«Мы были поражены, — сказал Нахум. — Конечно, я не думал, что это произойдёт так скоро».
Ни Нахум, ни Ноэль не знали, что уже идёт полное выполнение оригинальной, экспоненциально более сложной версии эксперимента: без всяких уловок и недостатков.
Выполнив более 1,5 млн испытаний на квантовых процессорах IBM, Остин Миннич из Калифорнийского технологического института обнаружил признаки передачи информации.
Примерно в то же время компания IBM только что модернизировала свои квантовые компьютеры, что позволило им проводить относительно быстрые и надёжные измерения кубитов на лету. А Джин Минг Кох, в то время студент Калифорнийского технологического института, провёл внутреннюю презентацию для исследователей IBM и убедил их помочь с проектом, который должен был довести новую функцию до предела. Под руководством Остина Минниха (Austin Minnich), прикладного физика из Калифорнийского технологического института, команда приступила к непосредственному обнаружению фазового перехода, что Скиннер называет «героической задачей».
Обратившись за советом к команде Ноэля, группа просто бросила метафорическую игральную кость достаточное количество раз, чтобы определить структуру запутанности при любой возможной истории измерений для цепочек из 14 кубитов. Они обнаружили, что при редких измерениях энтропия запутанности удваивается при удвоении числа кубитов — это явный признак запутанности, заполняющей цепочку. Самые длинные цепочки (с большим количеством измерений) потребовали более 1,5 млн запусков на устройствах IBM, а в целом процессоры компании работали в течение семи месяцев. Это была одна из самых трудоёмких задач, когда-либо решавшихся с помощью квантовых компьютеров.
Группа Минниха опубликовала результаты реализации этих двух фаз в марте 2022 г., развеяв все сомнения в том, что явление можно измерить.
«Они действительно просто сделали это методом грубой силы», — сказала Ноэль, и доказали, что «для систем небольшого размера это осуществимо».
Недавно группа физиков в сотрудничестве с Google пошла ещё дальше, изучив эквивалент цепочки почти вдвое длиннее двух предыдущих. Ведика Хемани из Стэнфордского университета и Маттео Ипполити, работающий сейчас в Техасском университете в Остине, уже использовали квантовый процессор Google в 2021 году для создания временного кристалла, который, как и фазы распространения запутанности, представляет собой экзотическую фазу, существующую в изменяющейся системе.
Работая с большой группой исследователей, эта пара использовала пару трюков, разработанных группой Ноэля, и добавила один новый ингредиент — время. Уравнение Шрёдингера связывает прошлое частицы с её будущим, но измерение разрывает эту связь. Или, как выразился Хемани, «как только вы вводите измерения в систему, эта стрела времени полностью разрушается».
Не имея чёткой стрелы времени, группа смогла переориентировать «забор» из цепочек Нахума так, чтобы получить доступ к разным кубитам в разные моменты времени, что и было использовано в целях изучения явления. Среди прочих результатов был обнаружен фазовый переход в системе, эквивалентной цепочке из примерно 24 кубитов, о котором они рассказали в мартовском препринте.
Измерительная мощность
Спор Скиннера и Наума о пудинге, а также работы Фишера и Смита породили новое направление среди физиков, интересующихся вопросами измерения, информации и запутанности. В основе различных направлений исследований лежит растущее понимание того, что измерения не просто собирают информацию. Они являются физическими событиями, которые могут порождать действительно новые явления.
Ведика Хемани (Vedika Khemani), физик из Стэнфордского университета, вместе с исследователями из Google продемонстрировала информационные фазы в одних из самых больших по размеру кубитовых систем.
«Измерения — это не то, о чём исторически задумывались физики конденсированного состояния, — сказал Фишер. — Мы проводим измерения для сбора информации в конце эксперимента, — продолжил он, — но не для того, чтобы реально манипулировать системой».
В частности, измерения могут приводить к необычным результатам, поскольку они могут иметь тот же самый характер «везде и всегда», который в своё время беспокоил Эйнштейна. В момент измерения альтернативные возможности, содержащиеся в квантовом состоянии, исчезают и никогда не будут реализованы, включая те, которые связаны с далёкими точками Вселенной. Хотя нелокальность квантовой механики не позволяет передавать информацию быстрее света, как того опасался Эйнштейн, она даёт возможность совершать другие удивительные подвиги.
«Люди заинтригованы тем, какие новые коллективные явления могут быть вызваны этими нелокальными эффектами измерений», — сказал Альтман.
Например, долгое время считалось, что для запутывания коллекции из множества частиц требуется как минимум столько же шагов, сколько частиц вы надеетесь запутать. Но прошлой зимой теоретики описали способ, позволяющий сделать это за гораздо меньшее число шагов, используя точные измерения. В начале этого года та же группа реализовала эту идею на практике и создала «ткань» запутывания, в которой оказались знаменитые частицы, помнящие своё прошлое. Другие группы изучают другие возможности использования измерений для усиления запутанных состояний квантовой материи.
Взрыв интереса к этой области стал полной неожиданностью для Скиннера, который недавно отправился в Пекин, чтобы получить награду за свою работу в Большом зале народных собраний на площади Тяньаньмэнь. (Вначале Скиннер считал, что вопрос Нахума был просто упражнением для ума, но сейчас он уже не так уверен в том, к чему всё это приведёт.
«Я думал, что это просто забавная игра, в которую мы играем, — сказал он, — но теперь я не готов поставить деньги на то, что это бесполезно».
Комментарии (54)
maedv
23.09.2023 13:55+3А можно резюме в один абзац? Открытие в том, что спутываются не пары, а цепочки? Что это меняет?
TIEugene
23.09.2023 13:55+3Присоединяюсь активно к вопросу.
Теоретически это меняет постулат "информация не может распространяться быстрее скорости света" на противоположный.
Практически этот простой вопрос и столь же простой ответ превращается в "ну-у-у, вы понима-а-а-ете..." - и дальше километрыпургитекста
Skykharkov
23.09.2023 13:55-8Информация, то как раз-то и может быстрее скорости света распространяться. Берете лазерную указку достаточной мощности. Вжуууух! Проводите ею по Луне. "Зайчик" по Луне движется быстрее скорости света. Если совсем уж и очень примитивно - ограничения касаются физических объектов. Да и то не всех. Только у которых есть масса. Неотрицательная. LOL. "ну-у-у, вы понима-а-а-ете... у нас тут масса как-бы отрицательная..."
omxela
23.09.2023 13:55+7Вжуууух!
Вы включили указку. Зайчик сразу появился? Нет, фотонам нужно доползти до освещаемой точки на поверхности Луны. ОК. Доползли. Сдвиньте указку на какой-то угол. Вы же не двигаете уже долетевшие фотоны по поверхности. Вы посылаете новые. И опять ждёте, пока эти новые фотоны прилетят от вас в новую освещаемую точку. То есть, новая точка появится на своём месте через время, затрачиваемое светом на расстояние до Луны. Если вы мысленно удалите Луну на расстояние, скажем, 1 световой год, то на любое, даже самое малое смещение точки на поверхности, понадобится не менее года. Такой вот Вжуууух!
Nick_Shl
23.09.2023 13:55+6Это для того, что бы зайчик начал двигаться по сфере удалённой в световой год понадобится год. А сам вжух, после того как зайчик начал двигаться по сфере будет быстрее скорости света. Вот только это никак не поможет перенести информацию на этой сфере из точки А(начало движения зайчика) в точку В(окончание).
omxela
23.09.2023 13:55Ваши слова звучат как заклинание. А физика - это то, что можно измерить и посчитать. Что такое скорость? Это перемещение делить на время. Уменьшаем смещение, и в пределе получаем мгновенную скорость. Пусть есть гипотетическая сферическая поверхность на расстоянии R метров. Скорость света привычно обозначим c. Указка светит, на поверхности точка. Для ясности пусть точка будет достаточно малых размеров. Вы сидите рядом с ней с линейкой и часами. Теперь повернём указку на очень малый угол a. Последний фотон прилетит в старое место сферы через время t = R/c. Если указку вращать быстро, то первый фотон на новое место прилетит через то же самое время t. То есть, наблюдатель увидит, как пятно переместилось на новое место просто за время поворота указки. Расстояние будет aR, время поворота указки можно сделать очень малым, а расстояние R - очень большим. И вот поэтому измеренная наблюдателем скорость может быть сколь угодно большой. В том числе, заметно больше c. О чём Вы совершенно справедливо написали.
YMA
23.09.2023 13:55Пятно света - нематериальный объект. Да и объект ли вообще, это же просто место, где прилетевшие фотоны сталкиваются с веществом, переизлучаются и т.д.? Поэтому ему никто не запрещает
двигатьсяизменять положение с любой скоростью, а вот переносить информацию оно не может.Если уж хочется найти сверхсвет - посмотрим в сторону далеких галактик, и увидим (точнее, не увидим) что часть из них удаляется от нас быстрее света. Вот это реально интересно ;)
YMA
23.09.2023 13:55+2А как вообще из запутанности следует сверхсветовая передача информации? Ну хоть одного бита?
Понимаю - котята, дверцы, но вот у нас есть много носков, половину мы отправили в Мельбурн, другую в Лондон. В Мельбурне товарищ надел случайный носок, и оказалось, что он левый. Чем это поможет товарищу в Лондоне? Он не знает, ни какой носок одели в Мельбурне, ни какой он оказался. Да, он может перемерить все присланные носки и узнать, что часть из них правая, часть левая. И?
PS: Да, мы можем посылать носки попарно, 256 штук. Их по прибытию будут надевать, и записывать полученный результат. В итоге в Мельбурне и Лондоне окажутся 128-битные ключи (с точностью до инверсии), которые товарищи могут использовать для шифрования переписки. Но это не моментальная передача данных.
TIEugene
23.09.2023 13:55Отличный вопрос, об который я уже всю голову сломал.
Мой внутренний диванный аналитик рассуждает так:
- Запутанные системы (точнее их части) находятся в суперпозиции
- Измерение их распутывает (определяет, схлопывает)
- Осталось выяснить при измерении - система до измерения было была в суперпозиции или уже схлопнута? Это - информация. 1 бит.
С одной стороны - как ты по биту скажешь - был он до измерения 0 или 1?
С другой - ну оно ж как-то работает, блин! Эта ваша запутанность.----
Пока напрашивается 1 варианта:
- доселе неизвестный переносчик взаимодействия со сверхсветовой скоростью
- мы все живем в симуляции, в которой нам (неписям) не дадено знать всех законовNick_Shl
23.09.2023 13:55Осталось выяснить при измерении - система до измерения было была в суперпозиции или уже схлопнута?
Естественно с суперпозиции. Схлопнутых систем не бывает. Если вы изменили позицию электрона в ядре, это не значит, что дальше электрон закрутился в виде шарика по орбите. Нет, после измерения(а точнее взаимодействия) он продолжает точно так же пребывать в суперпозиции и сказать где он вы уже не можете.
Но! Это не значит, что существует нейкое "чудовищное дальнодействие". Все может быть сложнее - примерно как на банковской карточке с чипом: она не находится в заранее определенном состоянии, но у нее есть алгоритм по которому она на измерение(передачу запроса с входными данными) выдает результат. А если карточки две и на один и тот же запрос они запрограммированы выдавать противоположный результат...
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+1В том и проблема, что невозможно по состоянию частицы определить, а запутана ли она сейчас с чем-нибудь. Можно только измерить и получить 0 или 1. И на другой стороне можно измерить и получить 1 или 0. А какое из этих двух измерений разрушило запутанность — неизвестно (а в релятивистских условиях этот вопрос даже не имеет смысла, так как порядок действий относителен и меняется в зависимости от системы отсчёта). И мало того, по результатам невозможно даже выяснить, а реально ли они были запутаны. Может, у нас была пара несвязанных частиц, и нам просто повезло случайно получить противоположные результаты.
В квантовой механике доказана теорема, что при помощи одних только квантовых взаимодействий невозможно передать информацию. Ни с какой скоростью. Какие бы действия ни производили оба экспериментатора со своими частицами каждый на своей стороне, и как бы эти частицы ни были перепутаны между собой, действия на одной стороне не могут повлиять на результаты измерений другой стороны. Передача информации (как, скажем, квантовая телепортация) возможна только при дополнительном участии классического канала.
TIEugene
23.09.2023 13:55Как говорила одна знакомая девушка в моей молодости - "я всё понимаю, когда вынимают, но когда вынимают - я засыпаю" (c)
Эта вот телега вверху (статья, в смысле) доказывает (вроде бы... но это не точно), что информация о распутывании связанных частиц каким-то образом достигает от одной к другой со скоростью выше световой.
- "Если Вы не можете что-то понять - попытайтесь объясните другому" (c)
- "Неясность слов свидетельствует о неясности мысли" (c)
> Какие бы действия ни производили оба экспериментатора со своими
частицами каждый на своей стороне, и как бы эти частицы ни были
перепутаны между собой, действия на одной стороне
Так, стоп.
"...действия экcпериментатора на одной стороне..." - и далее по тексту.
Так правильно?Теория (== не может быть) - есть.
Переопределения связанных частиц мгновенно (== может быть) - тоже есть.
Можно одним (прописью - одним) предложением объяснить фокус?CaptainFlint
23.09.2023 13:55Если одним предложением: запутанность частиц влияет на их квантовое состояние, которое невозможно измерить напрямую.
Измеряются классические параметры частицы, которые являются лишь крохотным "срезом" более общего квантового состояния, и по такому результату измерения невозможно восстановить, что там было раньше. Предположим, кубит квантового компьютера находится в суперпозиции |0>+|1>. Измерив его, мы получим с вероятностью 50% значение |0>, и с 50% значение |1>. Предположим, какое-то квантовое взаимодействие поменяло этот кубит, и теперь он стал |0>-|1>. Однако если мы попытаемся его измерить, то результаты будут абсолютно такими же: либо |0>, либо |1> с вероятностями по 50%.
Именно поэтому я явным образом отметил, что теорема говорит именно про неразличимость результаты измерений, а не исходных квантовых состояний.
TIEugene
23.09.2023 13:55Невозможно - или пока невозможно?
Я к тому, что нонче физики такие, что наперсточники курят в стороне.
Например: у фотона массы нет, а импульс - есть. Как такое может быть?"Ну, понима-а-аете..."МагияCaptainFlint
23.09.2023 13:55Разумеется, "пока". Но это "пока" — не в том смысле, что вот поднимут энергию столкновений на БАКе в три раза — и ура, сможем различать, а в том смысле, что нужен новый Эйнштейн, который всё перевернёт вверх тормашками, последние оставшиеся очевидными вещи объявит ложными и построит принципиально новую теорию.
TIEugene
23.09.2023 13:55+1И да:
> В квантовой механике доказана теорема
В Ньютоновской механике тоже куча доказанных теорем.
Было.CaptainFlint
23.09.2023 13:55Разумеется, всегда есть возможность, что появится новая, более всеобъемлющая теория, где результаты будут другими. Но беда в том, что доказательство теоремы опирается на самые базовые аксиоматические понятия квантмеха. Чтобы теорема оказалась неверна, недостаточно что-то там где-то чуток подправить. Для этого потребуется совершить революцию, полностью выкорчевав всё, что было, и создав абсолютно новый матаппарат на принципиально ином базисе. Да, примерно так, как это сделал Эйнштейн.
Но на текущий момент пока не видно предпосылок для такой революции. Разве что какая-нибудь теория струн или петлевой квантовой гравитации выстрелит, но даже этого может оказаться недостаточно. Ведь любая новая теория включает в себя старую, просто накладывает на неё дополнительные ограничения. И далеко не любая смена парадигмы автоматически означает отмену всех старых результатов. Может быть, обнаружатся граничные условия, за пределами которых теорему можно обойти. А может, и нет.
TIEugene
23.09.2023 13:55текущая теория говорит - "ничто (ни энергия, ни информация)" не может рапространяться выше скорости света
схлопывание завязанных частиц распространяется бестрее скорости света
Вывод: текущая теория врёт
Внимание - вопрос: что не так в рассуждениях?
CaptainFlint
23.09.2023 13:55Вывод: формулировка теории относительности попросту не учитывала, что может существовать такое явление как неизмеряемое квантовое состояние, которое хоть и можно формально назвать "информацией", но для любых человеков и приборов эта "информация" принципиально недоступна.
Примерно как тахионы: теория не запрещает существование сверхсветовых частиц, которые летают себе сквозь Вселенную и никак не взаимодействуют с остальным веществом. Формально они тоже нарушают это правило. Фактически — нет, так как для передачи полезной информации воспользоваться ими невозможно.
TIEugene
23.09.2023 13:55У Вас минимум 3 (три) утверждения в стиле "шашкабляшкатвоюмать":
- не учитывала
- неизмеряемое
- недоступна
(еще можно добавить "не запрещает", "никак не взаимодействуют", "нарушают", "нет", "невозможно", ну это ладно)
Может это в стиле физиков. Может "тут так принято" - сказал, как отрезал.
Мое сисадминское все перья топорщит от таких бескомпромиссных формулировок.
PS. у вас там понятие UB (Undefined Behevoir) запрещено по религиозным мотивам, штоле?
Нет, ну правда. Интересно же ж.
Например продаванам (манагерам по продажам) запрещают говорить слово "нет". Никогда и ни в каком виде. Но этому есть объяснения в деньгах.А кто заставляет физиков говорить "невозможно" - уму непостижимо
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+2То есть мне каждое слово надо сопровождать юридическими уточнениями?
…невозможно(*) в рамках общепринятой(**) на состояние 2023 года(***) физической теории.
(*) под «невозможно» подразумевается наличие формальных доказательств невозможности в рамках базовой аксиоматики
(**) под «общепринятой» подразумевается «которую считают корректной не менее 75% физиков (ссылка на опрос)»
(***) от Рождества Христова(****) по Григорианскому летоисчислению
(****) точная датировка и историческая истинность события может оспариваться отдельными источниками
Комфортно ли будет читать такие посты?
Есть же такое понятие как контекст. Исходная статья имеет дело исключительно с текущей общепринятой теорией. И если к статье возникают вопросы, то ответы тоже даются в рамках этой же теории (а если нет, то обязательно даётся уточнение). Если теория допускает какие-то результаты, я буду писать «допускает» или «не запрещает». Но уж если есть строго доказанный (да, да, в рамках конкретно этой теории) результат о невозможности, то я так и пишу: «невозможно». Мы же тут не софт-скиллы прорабатываем, чтобы не дай бог не обидеть альтернативно думающих.
Или Вас от теоремы Пифагора тоже коробит? Она ведь тоже никаких отклонений не разрешает, всё жёстко: c2 = a2 + b2, а других прямоугольных треугольников не существует. Несмотря на то, что в неевклидовой геометрии это правило нарушается. Но сформулирована она только для евклидовой, хотя явно в формулировке этого требования практически нигде не указывают.
TIEugene
23.09.2023 13:55Поймите, плиз, @CaptainFlint, когнитивный диссонанс пересiчного громадянина:
- я понимаю, что какая-то теорема что-то доказывает; верю
- я понимаю, что ничего (ни информация, ни энергия) не распространяется со скоростью выше световой; верю
- я понимаю, что состояние одной спутанной частицы мгновенно определяет состояние другой спутанной частицы; независимо от расстояния; верю
- и тут я завис(то есть частицы умеют передавать информацию мгновенно, а исследователи поймать такое не могут; может проблема в исследователях? Или в теореме? Частицам как-то теорема не мешает)
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+4К сожалению, это квантовая физика. Житейская интуиция тут попросту не работает. Многообразие интерпретаций возникло не на пустом месте, гениальнейшие физики всего мира себе больше века уже голову ломают над подобными вопросами. Увы, пока выигрывает подход "заткнись и считай". Вот формулы, они подтверждены результатами экспериментов. А что они неинтуитивны — ну уж извиняйте, природа нас не удосужилась спросить, как ей законы взаимодействия организовывать, чтоб нам считать попроще было…
TIEugene
23.09.2023 13:55То, что результаты экспериментов друг другу противоречат - тоже никому не мешает?
PS. неплохо устроились...CaptainFlint
23.09.2023 13:55+2Какие противоречат — с теми пытаются разобраться, как с аномальным магнитным моментом мюона, например. Но даже эти нерешённые вопросы пока предполагается решать в рамках имеющегося инструментария, дополняя системы частиц и взаимодействий, а не кардинальной ломкой всего матаппарата.
TIEugene
23.09.2023 13:55-1Понятно. Все как всегда (что в физике, что в программизме) - накладывают с важным видом мелкие патчи, а с тотальными противоречиями (начиная с ЭПР-парадокса) - "ой, всё!.."
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+3ЭПР-парадокс, как и множество других "парадоксов" (парадокс близнецов, парадокс карандаша и пенала в СТО), на самом деле называть парадоксами некорректно, так как внутренних противоречий они не содержат. Всё рассчитывается по формулам, всё подтверждается экспериментами, всё согласуется с теорией. Проблема в том, что эти расчёты и результаты для обычной человеческой интуции выглядят слишком непривычно, слишком нестандартно. Человек неявно применяет типичные рамки мышления, которые в новой теории применять нельзя. Естественно, в такой ситуации возникает противоречие. Но это примерно как посчитать дважды два в троичной системе, получить число 11 и возопить: ага, противоречие, мы же знаем, что должно быть 4, а не 11!
TIEugene
23.09.2023 13:55Фантазии.
Совещание в МО <страны>:
- Так. У нас тут нехватка массы. Кто с3.141593дил?
- Ну... это... смурфики.
- Фамилия, имя, отчество, масса!
- Ну... путь будет "Бозон Хиггса", X ТЭв
- Обнаружить, поставить на баланс, списать с зарплаты, доложить; срок - 1 неделя.
TIEugene
23.09.2023 13:55В том и проблема, что невозможно...
В том то и проблема, то у меня, как у <куча регалий>/инженера/сисадмина/погроммиста на слово "невозможно" топорщатся все перья автоматически.
CaptainFlint
23.09.2023 13:55Мысленно дописывайте "невозможно в рамках текущей теории". :-) Я это везде неявно подразумеваю; предполагал, что очевидно…
Anatol_1962
23.09.2023 13:55"мы все живем в симуляции " - скоро обнаружат самую длинную цепочку - историю живого на Земле. А там уж и субъектность создания Вселенной.
grokinn
23.09.2023 13:55Кто понимает расскажите как работает система с числом запутанных частиц больше двух? Если измерить спин частицы А то что мы узнаем о спинах частиц Б и В?
V_Scalar
23.09.2023 13:55Все эти образные примеры про пару носков или про пару перчаток левую и правую не точны. Надо так — вырезаешь из поролона шарик, берёшь 2 напёрстка, приводишь этот шарик в суперпозицию - в двух положениях под напёрстками. Внешний наблюдатель (лох) открывает один напёрсток ломает суперпозицию шарика. Всё, запутывание мозгов наблюдателя прошло успешно,
Физики шутят
NeoCode
23.09.2023 13:55По идее, между запутыванием и измерением не должно быть качественной разницы - только количественная. Измерение это запутывание с огромным числом частиц - измерительным инструментом. И наверное, все квантовые законы, связанные с запутанностью, должны постепенно превращаться в обычные законы макроскопической физики при увеличении количества частиц. Так что исследование очень интересное - ученые пошли по пути плавного увеличения числа запутанных частиц, и наверное вот здесь нужно смотреть, как изменяется поведение системы в зависимости от числа этих частиц.
zurzeropsi
23.09.2023 13:55Меня, как диванного диванолюба, давно интересует вопрос еще с момента, когда я впервые прочитал про квантовую запутанность. И этот момент всколзь упоминается в статье (и особенно актуален для множества частиц).
Цепочка примерно такая: частицы могут быть запутанными -> атомы состоят из частиц -> молекулы состоят из атомов -> наши нервные клетки состоят из молекул (спасибо, кэп!). Учитывая, что частицы, из которых состоят наши мозги "прилетели" фактически аж из БВ, есть ли вероятность, что, условно, взмах крыльев бабочки на планете Хурду (или что там триггерит "измерение" частиц) вызывает у меня дикое желание наконец послать начальника подальше, и я это делаю?
Господа эксперты, не пинайте сильно, лучше объясните что с этой цепочкой не так (или так) :)
YMA
23.09.2023 13:55Пусть ваше желание послать начальника определяется спином одной из запутанных частиц. И пусть бабочка разрушила запутанность и вы при измерении получите результат "послать". Проблема в том, что бабочка могла ровно с той же вероятностью разрушить спутанность так, что вы получили бы результат "работать усерднее", и повлиять на это она никак не могла.
Поэтому не волнуйтесь, бабочка над вами не властна. ;)
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+1Вопрос достаточно запутанный (ага). Идея "коснувшись цветка, потревожишь звезду" зародилась давно, куда раньше, чем возникла квантовая механика. Для "эффекта бабочки" никакой запутанности не нужно, достаточно гравитационных и электромагнитных полей, которые распространяются на бесконечные расстояния (реалистичность получения при этом каких-то значимых эффектов, разумеется, — другой вопрос).
А запутанность частиц — это не взаимосвязи в привычном понимании, не перенос "удара" по частице на всех, кто с ней запутан. Это лишь ситуация, когда несколько частиц не могут быть описаны независимыми волновыми функциями, а формируют единое состояние. Но сами частицы при этом всё равно остаются самостоятельными сущностями. Мы можем провзаимодействовать только с одной из них, и остальные никак этого не узнают (имеется в виду, в обход стандартных каналов типа электромагнитного взаимодействия). Например, если у нас есть два запутанных кубита в состоянии |0>|0>+|1>|1>, мы можем инвертировать первый и получить результат |1>|0>+|0>|1>. Второй кубит остался запутанным с первым, но его состояние не поменялось (насколько вообще можно говорить о состояниях отдельных частиц в такой ситуации).
На самом деле, конечно, можно считать, что всё запутано со всем. Практически любое взаимодействие приводит к запутанности, и дальнейшие взаимодействия распространяются экспоненциально на всё окружение. В физике обычно это исключают из рассмотрения, так как работают по большей части с изолированными системами. И выход запутанности за пределы изучаемой системы расценивается как поломка эксперимента. Называют это декогеренцией. (Измерение, к слову, — это тоже по сути запутывание с окружением, только производимое сознательно и так, как это нужно нам.) Поэтому в подавляющем большинстве случаев когда говорится про запутанные частицы, неявно подразумевается, что они запутаны только друг с другом и больше ни с чем.
zurzeropsi
23.09.2023 13:55Про идею с цветком и звездой, появившуюся раньше квантовой механики, понятно. Просто после открытия запутанности, казалось, мы приблизились к ее научному доказательству/опровержению. В то же время, если я правильно понял, что вы сказали:
связи квантовой запутанности с барионной материей нет (что довольно странно, квантовый же уровне "ниже"), соответственно, "эффект бабочки" через запутанность невозможен принципиально или эта связь пока не выяснена/не доказана
даже если предположить, что эта связь все же есть - все равно эффекты при разрушении спутанности рандомные (или если все же "отследить" запутывания цепочку до БВ - где-то там, может, быть есть "мастер-частица", от которой зависит ВСЕ))) т.е. все остальные)
магнетизм, гравитация, их природа и эффекты - тоже ведь боль для физиков, насколько я понимаю, так что про поля тоже делать выводы рано :D
Могу быть снова где-то не прав. Я не ярый сторонник "эффекта бабочки", просто хочу для себя понять, это невозможно ВПРИНЦИПЕ или, делая скидку на пробелы в знаниях, такое все-таки можно предполагать? В любом случае спасибо за ответы :)
CaptainFlint
23.09.2023 13:55+1У меня впечатление, что вы просто неправильно представляете себе запутанность. Как будто это некие ниточки, дёргая за которые, мы можем ощущать рывок на другом конце. А это совершенно некорректная картинка. Будь оно так, мы бы получили ту самую волшебную возможность передавать данные быстрее света (ведь запутанность работает мгновенно). Я тут выше в другой ветке уже отмечал, что запутанность двух частиц невозможно даже обнаружить, она проявляется лишь в статистических корреляциях результатов измерений (да и то не с гарантией, так как это всё вероятностные процессы и всегда возможны флуктуации).
Любое влияние одной частицы на другую, результат которого мы можем пронаблюдать, никак не может быть осуществлено через запутанность. Необходимо прямое воздействие через физические поля.
Что касается прослеживания цепочки взаимодействий — это скорее к вопросу о детерминизме, демон Лапласа и всё такое. В классической физике такое считалось теоретически возможным (при условии отделения демона от остальной Вселенной). Квантовая механика со своим недетерменизмом поставила на этой идее крест. Ведь даже если условный квантовый демон Лапласа знает полную волновую функцию Вселенной, это никак не позволит нам предсказать, каким окажется результат очередного измерения с вероятностными исходами.
Bombus
Когда создаются два запутанных объекта, то почему нельзя считать, что их свойсва уже определены в этот момент, в противовес утверждения, что определение значения происходит в момент измерения? Т.е. до измерения мы не знаем состояния пока не померим, ну ok, но оно есть по своей природе.
Вот стабильно про квантовые состояния пишут довольно объемные тексты, но такое ощущение, что что-то упускают и картина получается не полной.
Я не оспариваю выводы ученых, а только пытась понять то что физики уверен знают из экспериментов, но после таких статей остаются вопросы.
alhimik45
Это называется теория скрытых параметров. И эксперименты её опровергают (гуглить нарушение неравенств Белла)
rapidstream
Пусть при соударении частицы всегда приобретают (случайный или нет) противоположный спин. Никаких скрытых параметров.
Как отличить такую ситуацию от "запутанности", когда утверждается, что значение спина определяется в момент измерения, а не запутывания?
avost
Это и есть скрытый параметр.
Мы не можем измерить спин точно, мы можем провести измерение в некотором базисе. И измеренный спин "совпадает" (с точностью направления на полусфере) с "реальным" с вероятностью, зависящей от отклонения угла "реального" спина от базисного вектора. Если рассмотреть вырожденный случай, когда спин ортогонален базису, результат измерения (бинарный) будет равновероятен. Но в случае скрытых параметров "соударённых" электронов равновероятен и независим для измерения каждого электрона из пары. А для сцепленных равновероятен только для первого измерения, а второе даст результат зависящий от первого. Понятно, что для невырожденного случая всё сложнее и дизайн эксперимента гораздо хитроумнее, но итог прежний - распределения вероятностей не совпадают. Это и есть неравенство. И оно зафиксировано экспериментально.
Кажется, в реальности там всё ещё сложнее, уважаемые квантовые физики побьют меня тапком за такое объяснение и, надеюсь, поправят, но принцип, вроде, приблизительно такой.
Megakazbek
Потому что измерения можно произвольно выбрать из бесконечного множества (например, выбрать направление, в котором мы измеряем спин частицы), а распределение вероятностей результатов измерения частицы "здесь" зависит от того, что именно решили измерить у частицы "там". Нельзя заранее в частицу загрузить то, какой выбор экспериментатор сделает в другом месте.
kometakot
Звучит так, будто таким образом можно передавать информацию "оттуда" "сюда".
Megakazbek
Только если попробовать таким образом передать какое-то сообщение и учитывая, что измерения у нас дают случайный результат, то прочитать его можно будет только зная результаты измерения сразу с двух сторон. Измерения только одной из частиц не будут отличимы от случайного шума.
Условно получается примерно так, что в месте приёма мы можем получить зашифрованное сообщение, а в месте отправки - ключ, которым оно зашифровалось. Можно ли при этом считать одно без другого "информацией" и что она каким-то образом передалась - это уже скорее философские вопросы.
Nick_Shl
Это не может так работать. Потому что можно условиться, что что бы передать 0 измеряем это, а что бы 1 измеряем то. А уже зная "распределение вероятностей результатов измерения частицы" здесь, можно понять "что именно решили измерить у частицы" там.
Разве запутанность не о том, что если получили результат А измерив одну частицу, то измерив вторую частицу точно получим результат Б? Тогда передачи информации не происходит. Но тогда не понятно, почему нельзя считать что частицы в момент запутанности определились со своими состояниями и мы просто их не знаем до момента измерения? Можете простыми словами пояснить как строится эксперимент подтверждающий нарушение неравенств Белла?
CaptainFlint
Для неравенств Белла спины частиц измеряются не вдоль одной оси (когда они гарантированно противоположные), а под разными углами. В этом случае результаты измерений получаются вероятностными, и вероятность зависит от угла поворота. Если мы предположим, что частицы заранее знают, какой результат им надо выдать, нам придётся допустить, что они это знают для всех возможных углов поворота измерительного прибора, ведь в момент испускания они не в курсе, под каким углом их там дальше будут измерять. Далее, поскольку мы предполагаем, что частицы никак не взаимодействуют, то результаты измерений двух частиц А и Б будут полностью независимые. Исходя из этого выводится некое неравенство вида pa≤pb+pc где pa, pb, pc — вероятности получения определённых результатов измерений для определённых комбинаций углов поворота установок (конкретику опускаю для простоты). Это и есть неравенство Белла.
Далее считаются вероятности для тех же углов, но в предположении, что полной независимости измерений нет, что частицы волшебным образом связаны и измерение одной влияет на другую. И в этом случае для некоторых углов оказывается, что неравенство нарушится. Далее проводят эксперименты с такими углами и обнаруживают, что таки да, для достаточно большого числа экспериментов статистика показывает нарушение неравенства. Значит, исходное предположение о полной независимости частиц было неверным.
Nick_Shl
А теперь можно ликбез что такое спин и как его измеряют? Особенно как его измерить в каком-то направлении не зная изначальной ориентации частицы?
CaptainFlint
Если упрощённо, то спин — это собственный момент импульса. В классике это соответствует вращению тела вокруг собственной оси. Но спин как квантовую характеристику невозможно полностью сопоставить с собственным вращением, слишком много противоречий и нестандартных свойств вылезает. Одно из главных отличий в том, что просто не существует возможности измерить текущее направление оси вращения. Мы знаем только, как быстро "вращается" частица, причём это имманентное свойство частицы. Её невозможно "затормозить" или "раскрутить сильнее". Всё, что мы можем делать, это поворачивать спин. Причём любое измерение неизбежно вызывает такой поворот; спин переориентируется вдоль магнитного поля, использующегося для измерения, и в качестве значения мы получаем проекцию спина на это направление.
Politura
Эйнштейн тоже так считал, именно по этому поводу он сказал «бог не играет в кости», что все параметры определены заранее просто скрыты от нас. Однако значительно позже Белл придумал свои неравенства, которые теоретически позволяли понять, заранее определены параметры, или нет. И уже ближе к нашему времени используя эти неравенства экспериментально смогли подтвердить, что таки свойства появляются в момент измерения и не определены заранее.