Capitole de articole

Cuplarea cuantică, despre asta este vorba?

Aplicațiile sau cuplarea cuantică ca un lucru util

Cuplarea cuantică este un concept fizic tehnic pe care publicul larg a început să îl adopte în ultimii ani. Jucând un rol cheie în computerele cuantice, frecvența apariției sale va crește. Definiția strictă a dicționarului nu este foarte clară și nu ne va permite să apreciem despre ce este vorba. Pentru a înțelege mai bine cum funcționează cuplarea cuantică și ce rol joacă, trebuie să ne întoarcem la începutul secolului al XX-lea, una dintre cele mai progresive perioade din fizică.

Cuplarea cuantică, despre asta este vorba?

Profesorul Stephen Hawking, unul dintre cei mai renumiți fizicieni de astăzi, a spus odată că filozofia este moartă. Această afirmație este exagerată, dar are dreptate în legătură cu ceva. Timp de vârstă, filozofia a mers mână în mână cu știința, știința a explorat universul și filosofia poziția noastră în el. Am constatat că nu suntem centrul universului și apoi am reflectat la ceea ce înseamnă acest lucru pentru existența noastră.

Această relație a început să se destrame la începutul secolului al XX-lea. Pe atunci, știința a încetat să mai fie umană - nu în sens negativ, ci în sens pozitiv, a început să părăsească cătușele simțurilor umane. Creierul prin care percepem realitatea din jurul nostru a evoluat pentru a supraviețui în junglă. Percepem semnale și stimuli luminoși și sonori, îi analizăm, încercăm să prezicem ce se va întâmpla și cum să-l folosim. Cineva îți aruncă mingea, afli în mod inconștient unde va fi într-un moment, faci câțiva pași, întinzi mâna și mingea te lovește exact în palmă.

Descrierea fizică a naturii era intuitivă înainte de secolul XX. Obiectele au acționat unul pe celălalt cu forțe care au determinat modul în care se vor mișca. Universul semăna cu un film, timpul putea fi tăiat în imagini individuale. Dacă știm ce se întâmplă la prima lovitură, putem calcula ce se întâmplă la a doua, a treia, ... (sau tun la zero, minus primul și precedentele).

Dar universul este diferit de ceea ce ni se pare. Culorile pe care le vedem alcătuiesc doar o mică felie din întregul spectru al lungimii de undă. Tehnologiile ne-au pus la dispoziție nevăzutul - părți întunecate ale cerului au prins viață cu raze X, creaturi cu sânge cald cu lumină infraroșie. Cu cât ne-am îndepărtat mai mult de scările umane, cu atât ne așteptau surprize mai mari. Lucrurile din jurul nostru se mișcă cu viteze de câțiva metri pe secundă, ceea ce reprezintă aproximativ o sută de milioane din viteza maximă posibilă - viteza luminii. Dacă începem să ne apropiem de această limită, vor începe să se întâmple lucruri pentru care mintea nu ne-a pregătit, a fost ca - obiectele vor începe să se scurte, timpul va începe să curgă mai încet.

Un weekend despre legarea cuantică


Teleportarea cuantică este transportul viitorului?

Interviu cu Daniel Nagai: examinând limitele calculatoarelor cuantice, „Le aștept cu nerăbdare, dar nu vor fi totul”.

În mod similar, lucrurile non-intuitive încep să se întâmple atunci când obiectele devin atât de masive încât încep să amâne semnificativ timpul și spațiul din împrejurimile lor, așa cum face Pământul nostru, de exemplu, ca urmare a căruia simțim forța gravitației. Albert Einstein a explorat lumea vitezei mari și a gravitațiilor mari acum 100 de ani în teoria sa relativității. Deși teoria relativității este acum general acceptată, inițial nu a fost așa, deoarece se deosebea semnificativ de ideile comune despre funcționarea lumii. Dar experimentele au vorbit clar - universul este diferit decât credeam.

Arthur Eddington, liderul unuia dintre aceste experimente, a fost odată lingușit că există doar trei oameni în lume care înțelegeau teoria lui Einstein. Răspunsul lui Eddington, „Cine este al treilea?” Amuzat, dar nu a fost foarte exagerat. Chiar și astăzi, teoria necesită din nou mai multe cursuri de matematică și reconstruirea intuiției.

O altă lume către care tehnologia ne-a deschis porțile este lumea atomilor. Ciudățenia acestei lumi a fost o mare mușcătură și pentru Einstein. Nu este atât de surprinzător faptul că nu l-am cheltuit complet până în prezent. Dar experimentele sunt din nou clare - în unele cazuri există o potrivire între teorie și experiment până la douăsprezece zecimale.

Conceptul cheie al mecanicii cuantice este așa-numitul principiul suprapunerii - particulele pot fi în mai multe stări simultan, ele aleg una dintre ele numai atunci când le măsurăm. Cuvântul „alege” se înțelege metaforic, nu este o decizie conștientă, rezultatul măsurării este aleatoriu.

Să demonstrăm acest lucru cu un exemplu care ne va însoți în continuare - particule ale coloanei vertebrale, cum ar fi un electron. Descrie direcția de rotație a particulei și poate lua în mod normal doar două valori, de exemplu sus A jos. Putem măsura rezultatul pentru diferite suprapuneri sus și în jos cu probabilități diferite. Putem astfel produce o stare care va avea o valoare atunci când este măsurată sus întotdeauna, în jumătate din cazuri, doar uneori sau niciodată - orice alegem.

Prima măsurare a unei particule în suprapunere este aleatorie, dar toate celelalte dau deja același rezultat, adică dacă nu facem altceva cu particula. Măsurarea a schimbat suprapunerea la așa-numitul stare ascuțită, adică una a cărei măsurare se dovedește întotdeauna la fel. Rezultatele măsurătorilor repetate pot fi astfel sus, sus, sus, ... Sau jos, jos, jos, …. După prima măsurare, știm deja ce rotire are particula, iar măsurătorile ulterioare nu vor aduce nimic nou.

O altă caracteristică surprinzătoare a mecanicii cuantice este principiul incertitudinii - există variabile ale căror valori le putem cunoaște, dar nu dintr-o dată. Este bine cunoscut un exemplu din Heisenberg - fie știm exact unde se află particula, fie cu ce viteză se mișcă. Sună de necrezut, dar poate fi înțeles.

Măsurăm poziția unei particule strălucind lumină pe ea. Cu cât măsurarea dorită este mai precisă, cu atât lungimile de undă vor fi mai mici. Lumina cu lungimi de undă scurte, cum ar fi razele X, are energie ridicată și lovește puternic particula în timpul unei coliziuni - dându-i impuls. Cu cât măsurăm poziția cu mai multă precizie, cu atât lovitura va atinge particula și va pierde informații despre viteza acesteia. Măsurarea necesită intervenție în sistem.

Un alt exemplu de cantități incomensurabile este rotirea pe verticală (sus, jos) și direcția orizontală (La stânga, transport). Dacă măsurăm rotirea vertical și constatăm că este în sus, măsurarea în direcția orizontală va fi la 50% La stânga și la 50% transport.

Imaginați-vă acum că examinăm o singură particulă și măsurăm alternativ centrifugarea o dată în direcția verticală și o dată în direcția orizontală, rezultatele ar putea arăta astfel: sus, stânga, jos, stânga, sus, dreapta, …. Ce este atât de special la asta? Dacă am măsura doar pe verticală și prima măsurare este în sus, niciuna nu va apărea în rezultate, ar fi doar sus sus, …. Măsurătorile au afectat din nou sistemul investigat.

După cum puteți vedea, măsurarea cuantică a particulelor funcționează ciudat cu o singură particulă. Lucrurile vor deveni și mai interesante dacă o conectăm (derulăm) cu a doua particulă. Aceasta înseamnă că, dacă învățăm ceva despre unul dintre ei, putem spune ceva despre celălalt - fără a-l măsura.

Într-o lume normală, non-cuantică, de exemplu, o situație în care împărțiți o pereche de mănuși în două buzunare ar corespunde cu aceasta. Dacă te uiți la prima și vezi mănușa stângă în ea, știi fără să te uiți că ai mănușa potrivită în al doilea buzunar.

Dacă am legat particule cuantice, atunci ar putea arăta, de exemplu, că prima măsurare a uneia dintre ele se dovedește a fi de 50% sus și la 50% jos, dar al doilea dintre ei va da deja un rezultat 100% opus.

Acest lucru nu pare ciudat la prima vedere, dar în realitate este - și chiar atât de mult încât l-a supărat pe Einstein, Podolsky și Rosen, care l-au numit un efect ciudat la distanță. Care este problema? Măsurarea primei particule va afecta rezultatele posibile ale celei de-a doua particule, indiferent cât de departe sunt. Deși acest lucru nu încalcă restricția lui Einstein privind viteza limitativă a luminii - nu putem transmite în mod activ nicio informație în acest fel, dar este totuși foarte misterioasă.

cuantice
 Titlul unui articol din New York Times în 1935 (tradus de Einstein a atacat teoria cuantică) care răspundea unui articol expert al lui Einstein, Podolsky și Rosen în care au formulat paradoxul EPR, un experiment gândit pentru a arăta incompletitudinea teoriei mecanice cuantice . Einstein a numit-o mai târziu „bântuind la distanță”.


Un astfel de lucru s-ar ridica ca un truc magic. Cum poate o particulă să știe imediat la distanță cum s-a dovedit măsurarea celeilalte? Există suspiciuni la fața locului, ca atunci când privești un iluzionist inteligent. Particulele nu mai erau „de acord” în prealabil, deci nu purtau informații ascunse despre rezultatele măsurătorilor din momentul în care le-am conectat? Deși rezultatele ni se par aleatorii, nu au fost stabilite în prealabil?

Teoria variabilelor ascunse, așa cum se numește această idee, atinge o întrebare profundă - sunt măsurătorile mecanice cuantice cu adevărat aleatorii sau este întâmplătoare doar aparentă, cauzată de ignoranța noastră? Există un experiment, conceput de J. S. Bell, care poate face distincția între aleatoritatea reală și cea aparentă, iar rezultatele vorbesc de la sine - aleatoria în mecanica cuantică este reală și particulele nu cunosc rezultatele măsurătorilor în avans.

Nu am reușit încă să aflăm cum funcționează cu adevărat și de ce eșuează intuiția noastră. Cu toate acestea, acest lucru nu ne împiedică să căutăm aplicații pentru cuplarea cuantică. Acestea sunt în principal în domeniul computerelor cuantice. Experții le consideră a fi tehnologia viitorului, deși posibilitățile lor nu vor fi nelimitate, așa cum se presupune uneori în publicul larg, dar vor depăși cu mult dincolo de tehnologia informatică actuală.