Квантова сплутаність. Квантова заплутаність та гравітація

• Переклад

Квантова заплутаність - одне з найскладніших понять у науці, але основні її принципи прості. А якщо зрозуміти її, заплутаність відкриває шлях до кращого розуміння таких понять, як множинність світів у квантовій теорії.

Чарівною аурою загадковості оповите поняття квантової заплутаності, а також (якось) пов'язана з ним вимога квантової теорії про необхідність наявності «багатьох світів». І, тим не менш, по суті це наукові ідеї з приземленим змістом і конкретними застосуваннями. Я хотів би пояснити поняття заплутаності та безлічі світів настільки просто та ясно, наскільки знаю їх сам.

I

Заплутаність з'являється у ситуаціях, у яких ми маємо часткову інформацію про стан двох систем. Наприклад, нашими системами можуть стати два об'єкти - назвемо їх каони. "К" позначатиме "класичні" об'єкти. Але якщо вам дуже хочеться уявляти щось конкретне і приємне - уявіть, що це тістечка.

Наші каони матимуть дві форми, квадратну або круглу, і ці форми позначатимуть їх можливі стани. Тоді чотирма можливими спільними станами двох каонів будуть: (квадрат, квадрат), (квадрат, коло), (коло, квадрат), (коло, коло). У таблиці вказано можливість знаходження системи у одному з чотирьох перелічених станів.

Ми говоритимемо, що каони «незалежні», якщо знання про стан одного з них не дає нам інформації про стан іншого. І ця таблиця має таку властивість. Якщо перший каон (тістечко) квадратний, ми ще не знаємо форму другого. І навпаки, форма другого нічого не каже нам про форму першого.

З іншого боку, ми скажемо, що два каони заплутані, якщо інформація про одного з них покращує наші знання про інше. Друга табличка покаже нам сильну заплутаність. Якщо перший каон буде круглим, ми знатимемо, що другий теж круглий. А якщо перший каон квадратний, то таким самим буде і другий. Знаючи форму одного ми однозначно визначимо форму іншого.

Квантова версія заплутаності виглядає, по суті, також відсутність незалежності. У квантовій теорії стану описуються математичними об'єктами під назвою хвильова функція. Правила, що поєднують хвильові функції з фізичними можливостями, породжують дуже цікаві складнощі, які ми обговоримо пізніше, але основне поняття про заплутане знання, яке ми продемонстрували для класичного випадку, залишається тим самим.

Хоча тістечка не можна вважати квантовими системами, заплутаність квантових систем виникає природним шляхом – наприклад, після зіткнень частинок. Насправді незаплутані (незалежні) стану вважатимуться рідкісними винятками, оскільки за взаємодії систем з-поміж них виникають кореляції.

Розглянемо, наприклад, молекули. Вони складаються з підсистем - безпосередньо, електронів і ядер. Мінімальний енергетичний стан молекули, в якому вона зазвичай і знаходиться, є дуже заплутаним станом електронів і ядра, оскільки розташування цих складових частинок ніяк не буде незалежним. Під час руху ядра електрон рухається з ним.

Повернемося до нашого прикладу. Якщо ми запишемо Φ■, Φ● як хвильові функції, що описують систему 1 у її квадратних або круглих станах і ψ■, ψ● для хвильових функцій, що описують систему 2 у її квадратних або круглих станах, тоді в нашому робочому прикладі всі стани можна описати , як:

Незалежні: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Заплутані: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Незалежну версію також можна записати як:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Зазначимо, як у останньому випадку дужки чітко поділяють першу та другу системи на незалежні частини.

Існує безліч способів створення заплутаних станів. Один із них – виміряти складову систему, що дає вам часткову інформацію. Можна дізнатися, наприклад, дві системи домовилися бути однієї форми, не знаючи при цьому, яку саме форму вони обрали. Це поняття стане важливим трохи згодом.

Найбільш характерні наслідки квантової заплутаності, такі як ефекти Ейнштейна-Подільського-Розена (EPR) і Грінберга-Хорна-Зейлінгера (GHZ), виникають через її взаємодію ще з однією властивістю квантової теорії під назвою «принцип додатковості». Для обговорення EPR та GHZ дозвольте мені спочатку представити вам цей принцип.

До цього моменту ми уявляли, що каони бувають двох форм (квадратні та круглі). Тепер уявімо, що ще вони бувають двох кольорів – червоного та синього. Розглядаючи класичні системи, наприклад, тістечка, це додаткове властивість означало б, що каон може існувати в одному з чотирьох можливих станів: червоний квадрат, червоний круг, синій квадрат і синій круг.

Але квантові тістечка – квантожні… Або квантони… Поводяться зовсім по-іншому. Те, що квантон в якихось ситуаціях може мати різну форму і колір не обов'язково означає, що він одночасно має як форму, так і колір. Фактично, здоровий глузд, якого вимагав Ейнштейн від фізичної реальності, не відповідає експериментальним фактам, що ми скоро побачимо.

Ми можемо виміряти форму квантону, але при цьому ми втратимо всю інформацію про колір. Або ми можемо виміряти колір, але втратимо інформацію про його форму. Згідно з квантовою теорією, ми не можемо одночасно виміряти і форму і колір. Нічий погляд на квантову реальність не має повноти; доводиться брати до уваги безліч різних і взаємовиключних картин, кожна з яких має своє неповне уявлення про те, що відбувається. Це і є суть принципу додатковості, така, як її сформулював Нільс Бор.

У результаті квантова теорія змушує нас бути обачними у приписуванні властивостям фізичної реальності. Щоб уникнути протиріч, доводиться визнати, що:

Немає властивості, якщо його не виміряли.
Вимірювання – активний процес, що змінює систему, що вимірюється

II

Альберт Ейнштейн, Борис Подільський та Натан Розен (EPR) описали дивовижний ефект, що виникає при заплутаності двох квантових систем. EPR-ефект поєднує особливу, експериментально досяжну форму квантової заплутаності з принципом додатковості.

EPR-пара складається з двох квантонів, у кожного з яких можна виміряти форму або колір (але не те й інше одразу). Припустимо, що у нас є безліч таких пар, всі вони однакові, і ми можемо вибирати, які виміри ми проводимо над їхніми компонентами. Якщо ми виміряємо форму одного з членів EPR-пари, ми однаково отримаємо квадрат або коло. Якщо виміряємо колір, то з однаковою ймовірністю отримаємо червоний чи синій.

Цікаві ефекти, які здавались EPR парадоксальними, виникають, коли ми проводимо вимірювання обох членів пари. Коли ми міряємо колір обох членів, або їхню форму, ми виявляємо, що результати завжди збігаються. Тобто якщо ми виявимо, що один з них червоний і потім міряємо колір другого, ми також виявляємо, що він червоний і т.п. З іншого боку, якщо ми вимірюємо форму одного та колір іншого, жодної кореляції не спостерігається. Тобто якщо перший був квадратом, то другий з однаковою ймовірністю може бути синім або червоним.

Згідно з квантовою теорією, ми отримаємо такі результати, навіть якщо дві системи розділятиме величезну відстань і вимірювання будуть проведені майже одночасно. Вибір типу вимірювань в одному місці, зважаючи на все, впливає на стан системи в іншому місці. Ця «лякаюча далекодія», як називав його Ейнштейн, мабуть, вимагає передачу інформації – у нашому випадку, інформації про проведений вимір – зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Але чи це так? Поки я не дізнаюся, який результат ви отримали, я не знаю, чого чекати мені. Я отримую корисну інформацію, коли дізнаюся ваш результат, а не коли ви проводите вимір. І будь-яке повідомлення, що містить отриманий вами результат, необхідно передати будь-яким фізичним способом, повільніше за швидкість світла.

При подальшому вивченні феномен ще більше руйнується. Давайте розглянемо стан другої системи, якщо вимір першої дав червоний колір. Якщо ми вирішимо міряти колір другого квантону, ми матимемо червоний. Але за принципом додатковості, якщо ми вирішимо виміряти його форму, коли він перебуває в «червоному» стані, ми матимемо рівні шанси на отримання квадрата або кола. Тому результат EPR логічно визначений. Це просто переказ принципу додатковості.

Нема парадоксу і в тому, що віддалені події корелюють. Адже якщо ми покладемо одну з двох рукавичок з пари в коробки і відправимо їх у різні кінці планети, не дивно, що, подивившись в одну коробку, я можу визначити, на яку руку призначена інша рукавичка. Так само, у всіх випадках кореляція пар EPR повинна бути зафіксована на них, коли вони знаходяться поруч і тому вони можуть витримати наступне поділ, ніби маючи пам'ять. Дивність EPR-парадоксу над самій собою можливості кореляції, а можливості її збереження як доповнень.

III

Кожен окремо взятий експериментатор одержує випадкові результати. Вимірюючи форму квантону, він з рівною ймовірністю набуває квадрата або кола; Вимірюючи колір квантону, він з рівною ймовірністю отримує червоний або синій. Поки що все будено.

Але коли експериментатори збираються разом та порівнюють результати, аналіз показує дивовижний результат. Припустимо, ми називатимемо квадратну форму і червоний колір «добрими», а кола та синій колір – «злими». Експериментатори виявляють, що якщо двоє вирішили виміряти форму, а третій – колір, тоді або 0, або 2 результату вимірювань виходять «злими» (тобто круглими або синіми). Але якщо всі троє вирішують виміряти колір, то або 1 або 3 виміри виходять злими. Це передбачає квантова механіка, і саме це і відбувається.

Питання: кількість зла парна чи непарна? У різних вимірах реалізовуються обидві можливості. Нам доводиться відмовитись від цього питання. Немає сенсу міркувати про кількість зла у системі без зв'язку з тим, як його вимірюють. І це призводить до протиріч.

Ефект GHZ, як описує його фізик Сідні Колман, це «ляпас від квантової механіки». Він руйнує звичне, отримане з досвіду очікування того, що фізичні системи мають певні властивості, незалежні від їх вимірювання. Якби це було так, то баланс доброго та злого не залежав би від вибору типів вимірів. Після того, як ви приймете існування GHZ-ефекту, ви його не забудете, а ваш кругозір буде розширено.

IV

Ми говоримо про «заплутані історії», коли системі неможливо привласнити певний стан у кожний момент часу. Так само, як у традиційній заплутаності ми виключаємо якісь можливості, ми можемо створити і заплутані історії, проводячи виміри, що збирають часткову інформацію про минулі події. У найпростіших заплутаних історіях ми маємо один квантон, який вивчається нами у два різні моменти часу. Ми можемо уявити ситуацію, коли ми визначаємо, що форма нашого квантону обидва рази була квадратною або круглою обидва рази, але при цьому залишаються можливими обидві ситуації. Це темпоральна квантова аналогія найпростішим варіантам заплутаності, описаним раніше.

Використовуючи складніший протокол, ми можемо додати трохи додатковості в цю систему, і описати ситуації, що викликають «багатосвітову» властивість квантової теорії. Наш квантон можна підготувати в червоному стані, а потім виміряти та отримати блакитне. І як у попередніх прикладах, ми не можемо на постійній основі присвоїти квантону властивість кольору у проміжку між двома вимірами; немає в нього та певної форми. Такі історії реалізують, обмеженим, але повністю контрольованим і точним способом, інтуїцію, властиву картинці множинності світів у квантовій механіці. Певний стан може розділитися на дві історичні траєкторії, що суперечать один одному, і потім знову з'єднуються.

Ервін Шредінгер, засновник квантової теорії, що скептично ставився до її правильності, підкреслював, що еволюція квантових систем природно призводить до станів, вимір яких може дати надзвичайно різні результати. Його уявний експеримент із «кітом Шредінгера» постулює, як відомо, квантову невизначеність, виведену на рівень впливу на смертність котячих. До виміру коту неможливо надати властивість життя (або смерті). Обидва, або жодна з них, існують разом у потойбічному світі можливостей.

Повсякденна мова погано пристосована для пояснення квантової додатковості, зокрема тому, що повсякденний досвід її не включає. Практичні кішки взаємодіють з навколишніми молекулами повітря, та іншими предметами, зовсім по-різному, залежно від того, чи живі вони чи мертві, тому на практиці вимір проходить автоматично, і кіт продовжує жити (або не жити). Але історії із заплутаністю описують квантони, які є кошенятами Шредінгера. Їхній повний опис вимагає, щоб ми приймали до розгляду дві взаємовиключні траєкторії властивостей.

Контрольована експериментальна реалізація заплутаних історій – річ делікатна, оскільки вимагає збирання часткової інформації про квантонів. Звичайні квантові виміри зазвичай збирають всю інформацію відразу - наприклад, визначають точну форму або точний колір - замість того, щоб кілька разів отримати часткову інформацію. Але це можна зробити, хоч і з надзвичайними технічними труднощами. Цим способом ми можемо присвоїти певний математичний та експериментальний зміст поширенню концепції «множинності світів» у квантовій теорії та продемонструвати її реальність.

Квантова заплутаність - явище, у якому підсистеми деякої раніше єдиної квантовомеханической системи, будучи рознесеними з відривом друг від друга, продовжують впливати друг на друга. І тут зміна стану однієї системи позначається інший системі. Явище має істотно квантовий характері і немає класичного аналога.

Кава остигає, будівлі руйнуються, яйця б'ються, а зірки видихаються у Всесвіті, якому, здається, судилося деградувати у стан рівномірної сірості, відомої як теплова рівновага. Астроном-філософ сер Артур Еддінгтон у 1927 році навів поступове поширення енергії як доказ незворотної «стріли часу».

Але на подив поколінь фізиків, стріла часу, схоже, не випливає з основних законів фізики, за якими рухатися вперед у часі – це те саме, що й назад. За цими законами, якби хтось знав шляхи всіх частинок у всесвіті і повернув їх назад, енергія накопичувалася б, а не розпорошувалася: холодна кава спонтанно нагрівалася б, будівлі збиралися б з уламків, а сонячне світло збиралося назад у сонце.

«У класичній фізиці ми сильні, – каже Санду Попеску, професор фізики Брістольського університету у Великій Британії в інтерв'ю журналу QuantaMagazine. - Якби я знав більше, міг би я переламати перебіг події, зібрати докупи всі молекули розбитого яйця?». Звичайно, професор каже, що стріла часу не керується людським незнанням. І все-таки, з народження термодинаміки в 1850-х роках, єдиним відомим підходом до розрахунку поширення енергії залишалося сформулювати статистичний розподіл невідомих траєкторій частки і показати, що з часом незнання змащує картину речей.

Тепер фізики визначили фундаментальне джерело стріли часу. Енергія розсіюється і об'єкти приходять у рівновагу, кажуть вони, тому що елементарні частинки переплітаються, коли взаємодіють – дивний ефект під назвою «квантова заплутаність». «Нарешті ми можемо зрозуміти, чому чашка кави врівноважується в кімнаті, – каже Тоні Шорт, квантовий фізик із Брістоля. - Заплутаність накопичується між станом чашки кави та станом кімнати». Попеску, Шорт та їхні колеги Ной Лінден та Андреас Уінтер повідомили про відкриття журналу Physical Review E у 2009 році, стверджуючи, що об'єкти досягають рівноваги, або стану рівномірного розподілу енергії протягом нескінченної кількості часу за рахунок квантово-механічного заплутування з навколишнім середовищем. Подібне відкриття опублікував Пітер Рейман із Білефельдського університету в Німеччині кількома місяцями раніше у Physical Review Letters. Шорт та колеги зміцнили аргументацію у 2012 році, показавши, що заплутаність викликає врівноваженість за кінцевий час. Також, у роботі, опублікованій на arXiv.orgУ лютому дві окремі групи зробили наступний крок, розрахувавши, що більшість фізичних систем швидко врівноважуються, за час, пропорційне їх розміру.

Якщо нова лінія досліджень вірна, історія стріли часу починається з квантово-механічної ідеї про те, що у своїй основі природа за своєю суттю невизначена. Елементарній частинці не вистачає конкретних фізичних властивостей і визначається лише ймовірностями знаходження у певних станах. Наприклад, у певний момент частка може з 50-відсотковим шансом обертатися за годинниковою стрілкою та з 50-відсотковим - проти годинникової. Експериментально перевірена теорема північно-ірландського фізика Джона Белла свідчить, що немає справжнього стану частки; ймовірності - єдине, що можна використовуватиме його описи. Квантова невизначеність неминуче призводить до заплутаності, передбачуваного джерела стріли часу.

Коли дві частинки взаємодіють, їх більше не можна описувати окремими ймовірностями, що незалежно розвиваються, під назвою «чисті стани». Натомість, вони стають заплутаними компонентами складнішого розподілу ймовірностей, які описуються двома частинками разом. Система загалом перебуває у чистому стані, але стан кожної з індивідуальних частинок «змішаний». Обидві частинки можна віддалити на світлові роки одна від одної, але спин кожної частки корелюватиме з іншим. Альберт Ейнштен добре описав це як «жахливу дію на відстані». "Заплутаність - це певний сенс суть квантової механіки", або закони, що регулюють взаємодії на субатомних масштабах, говорить Бруннер. Це лежить в основі квантових обчислень, квантової криптографії та квантової телепортації.

Ідея того, що заплутаність може пояснити стрілу часу, вперше спала на думку Сету Ллойду тридцять років тому, коли він був 23-річним випускником факультету філософії Кембриджського університету з Гарвардським ступенем з фізики. Ллойд зрозумів, що квантова невизначеність і те, як вона поширюється в міру того, що частинки стають все більш заплутаними, може замінити людську невпевненість (або незнання) у старих класичних доказах як справжнє джерело стріли часу. Використовуючи відомий квантово-механічний підхід, у якому одиниці інформації є основними будівельними блоками, Ллойд провів кілька років, вивчаючи еволюцію частинок з погляду перетасовування одиниць (1) та нулів (0). Він з'ясував, що оскільки частки все більше заплутуються одна з одною, інформація, яка їх описувала (1 – для спина за годинниковою стрілкою, і 0 – проти годинникової, наприклад), перейде на опис системи заплутаних частинок загалом. Якби частки поступово втратили свою індивідуальну автономію та стали пішаками колективного стану. У цей момент, як виявив Ллойд, частки переходять у стан рівноваги, їх стани перестають змінюватися, наче чашка з кавою остигає до кімнатної температури. Що відбувається насправді? Речі стають взаємопов'язані. Стріла часу – це стріла зростання кореляцій».

«Коли Ллойд висловив ідею у своїй дисертації, світ був не готовий, – каже Ренато Реннер, голова Інституту теоретичної фізики у ETH Zurich. – Ніхто не розумів його. Іноді потрібно, щоб ідеї приходили у потрібний час». У 2009 році доказ групи бристольських фізиків викликав відгук у квантових інформаційних теоретиків, відкриваючи нові способи застосування їх методів. Воно показало, що в міру того, як об'єкти взаємодіють зі своїм оточенням - як частинки в чашці кави взаємодіють з повітрям, наприклад, інформація про їх властивості «витікає і змащується з середовищем», пояснює Попеску. Ця локальна втрата інформації призводить до того, що стан кави стагнує, навіть якщо чистий стан всієї кімнати продовжує розвиватися. За винятком рідкісних випадкових флуктуацій, каже вчений, його стан перестає змінюватися з часом. Виходить холодна чашка з кавою не може спонтанно нагрітися. У принципі, у міру еволюції чистого стану кімнати, кава може раптово «стати не змішаною» з повітрям та увійти до чистого стану. Але кава доступна настільки більше змішаних станів, ніж чистих, що це практично ніколи не станеться - швидше всесвіт закінчиться, ніж ми зможемо це засвідчити. Ця статистична малоймовірність робить стрілу часу незворотною.

«По суті, заплутаність відкриває вам величезний простір, - коментує Попеску. - Уявіть, що ви перебуваєте у парку, перед вами ворота. Як тільки ви увійдете в них, ви потрапите у величезний простір і загубитеся в ньому. До воріт теж не повернетесь ніколи».
У новій історії стріли часу інформація втрачається в процесі квантової заплутаності, а не через суб'єктивну відсутність людських знань, що призводить до врівноваження чашки кави та кімнати. Кімната зрештою врівноважується із зовнішнім середовищем, а середовище - ще повільніше - дрейфує до рівноваги з рештою всесвіту. Гіганти термодинаміки 19 століття розглядали цей процес як поступове розсіювання енергії, що збільшує загальну ентропію, чи хаос, всесвіт. Сьогодні ж Ллойд, Попеску та інші в цій сфері бачать стрілу часу по-іншому. На їхню думку, інформація стає дедалі дифузнішою, але ніколи не зникає повністю. Хоча локально ентропія зростає, загальна ентропія всесвіту залишається постійною та нульовою.

«Загалом всесвіт перебуває у чистому стані, – каже Ллойд. - Але окремі її частини, будучи заплутаними з рештою всесвіту, залишаються змішаними».

«У цих роботах немає нічого, що пояснить, чому ви починаєте з воріт, – каже Попеску, повертаючись до аналогії з парком. - Іншими словами, вони не пояснюють, чому початковий стан всесвіту був далеким від рівноваги». Вчений натякає на те, що це питання відноситься до природи Великого Вибуху.
Незважаючи на недавній прогрес у розрахунку часу врівноваження, новий підхід досі не може стати інструментом для розрахунку термодинамічних властивостей конкретних речей, на кшталт кави, скла або екзотичних станів матерії.

«Справа в тому, що потрібно знайти критерії, за яких речі поводяться як шибка або чашка чаю, - каже Реннер. - Я думаю, що побачу нові роботи у цьому напрямі, але попереду ще багато роботи».
Деякі дослідники висловили сумнів у тому, що цей абстрактний підхід до термодинаміки колись зможе точно пояснити, як поводяться конкретні об'єкти, що спостерігаються. Але концептуальні досягнення і новий математичний формалізм вже допомагають дослідникам задаватися теоретичними питаннями в галузі термодинаміки, наприклад про фундаментальні межі квантових комп'ютерів і навіть про кінцеву долю Всесвіту.

Через двадцять шість років грандіозного провалу ідеї Ллойда про стрілу часу він радий бути свідком її підйому і намагається застосувати ідеї останньої роботи до парадоксу інформації, що потрапляє в чорну дірку.

На думку вчених, наша здатність пам'ятати минуле, але не майбутнє, інший прояв стріли часу також може розглядатися як зростання кореляцій між взаємодіючими частинками. Коли читаєш щось із аркуша паперу, мозок корелює з інформацією через фотони, що досягають очей. Тільки з цього моменту ви зможете згадати, що написано на папері. Як зазначає Ллойд: «Сьогодні можна визначити як процес зв'язування (або встановлення кореляцій) з нашим оточенням». Фоном для сталого зростання заплутаностей по всьому всесвіту є, звичайно, саме час. Фізики наголошують, що незважаючи на великі успіхи в розумінні того, як відбуваються зміни в часі, вони ні на йоту не наблизилися до розуміння природи самого часу або чому воно відрізняється від трьох інших вимірів простору. Попеску називає цю загадку «однієї з найбільших непоняток у фізиці».

«Ми можемо обговорити факт того, що годину тому наш мозок був у стані, який корелював із меншою кількістю речей, – каже він. - Але наше сприйняття того, що час іде – це зовсім інша справа. Швидше за все, нам знадобиться революція у фізиці, яка відкриє нам цю таємницю».

Це витончена та потужна концепція. Вона припускає, що час – це феномен, який виникає в реальності завдяки природі квантового сплутування. І воно існує тільки для спостерігачів усередині нашого всесвіту. Будь-який богоподібний спостерігач за її межами бачитиме статичну незмінну всесвіт, як раніше передбачало більш раннє квантове рівняння Уїлера-ДеВітта. Зрозуміло, у нас немає жодної можливості отримати спостерігача за межами нашого всесвіту і у нас немає жодних шансів коли-небудь підтвердити цю теорію. Принаймні так було до сьогодні. Нещодавно Катерина Морєва з Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica у Турині, Італія, та кілька її колег зуміли вперше експериментально перевірити ідеї Пейджа та Вутерса. І вони продемонстрували, що час справді є феноменом для внутрішніх спостерігачів, але його не існує для спостерігачів зовнішніх.

Цей експеримент включає створення іграшкового всесвіту, що складається з пари сплутаних фотонів і спостерігача, який може вимірювати їх стан одним з двох способів. У першому спостерігач вимірює еволюцію системи, сплутуючи себе з нею. У другому богоподібний спостерігач вимірює еволюцію порівняно із зовнішнім годинником, який повністю незалежний від іграшкового всесвіту.

Сам експеримент досить прямолінійний. Кожен із сплутаних фотонів має поляризацію, яка може бути змінена проходженням через двопроменювальну пластинку. У першому випадку спостерігач вимірює поляризацію одного фотона, таким чином сплутуючись з ним. Потім він порівнює результат із поляризацією другого фотона. Отримана ним різниця і буде мірою часу.

У другому випадку обидва фотони також проходять через двопроменювальні пластинки, які змінюють їх поляризацію. Однак у цьому випадку спостерігач вимірює лише глобальні властивості обох фотонів, порівнюючи їх із незалежним годинником.

У цьому випадку спостерігач не може помітити будь-якої різниці між фотонами, не приходячи в стані сплутаності з одним із них. А якщо немає жодної різниці, система постає перед ним статичною. Інакше кажучи – час у ній немає.

Це дуже вражаючий експеримент. Поява чогось є популярною концепцією у науці. Зокрема, нещодавно фізики зацікавилися ідеєю, що гравітація також є таким феноменом, що виникає. А звідси до ідеї про подібний механізм виникнення часу залишався лише один крок. Чого не вистачає гравітації – це, зрозуміло, експериментальної демонстрації, яка показувала б, як це працює на практиці. Саме тому робота Мореви має таке важливе значення – вона вперше у світі поміщає абстрактну та екзотичну ідею на стійку експериментальну основу. А можливо найважливішим результатом цієї роботи є те, що їй вперше вдалося продемонструвати, що квантова механіка та загальна теорія відносності не такі вже й несумісні.

Наступним кроком стане подальший розвиток ідеї, зокрема на макроскопічному рівні. Одна річ показати, як час виникає у фотонах, та інша – зрозуміти, як воно виникає для людей. Квантова механіка вже досить глибоко проникла у суміжні наукові галузі. У спробі пояснити в термінах квантової теорії саме життя вона навіть породила свою власну біологію. Але досі ніхто не наважувався прямо стверджувати, що ефект заплутаності лежить у самій серцевині живих істот – усередині спіралі ДНК.

Новонароджена квантова біологія (quantum biology) офіційно не визнана науковою дисципліною. Однак вона вже перетворилася на одну з найцікавіших та захоплюючих тем передових досліджень. Наприклад, що розкривають важливу роль квантових ефектів у ряді біологічних процесів, як у фотосинтезі. Нове дослідження провела група фізиків із Національного університету Сінгапуру (NSU). Елізабет Ріпер (Elizabet Rieper) та її колеги виходили з того, що подвійна спіраль ДНК не розпадається саме завдяки принципу квантової заплутаності (зчепленості).

Щоб перевірити свою сміливу теорію, вчені збудували спрощену теоретичну модель ДНК на комп'ютері. У ній кожен нуклеотид складається з хмар електронів навколо центрального позитивно зарядженого ядра. Ця "негативна" хмара може рухатися щодо ядра, створюючи диполь. При цьому зсув хмари туди і назад призводить до утворення гармонійного осцилятора.

Ріпер з колегами зацікавилися, що станеться з коливаннями хмар (фононами), коли пари основ створять подвійну спіраль ДНК. На думку вчених, при формуванні пар нуклеотидів їх об'єднані хмари теоретично повинні коливатися у протилежному напрямку з хмарою від сусідньої пари, щоб забезпечити стабільність усієї структури. Оскільки фонони є квантовими об'єктами, вони можуть існувати у вигляді суперпозиції станів і вміють «заплутуватися». Науковці почали з того, що припустили відсутність будь-яких теплових ефектів, що впливають на спіраль ззовні. "Очевидно, що ланцюжки попарно пов'язаних гармонійних осциляторів можуть бути заплутані лише за нульової температури", - говорить Ріпер. У своїй поки що неопублікованій науковими виданнями статті фізики наводять доказ, що ефект заплутування в принципі може виникнути і при кімнатній температурі. А можливо, це тому, що довжина хвилі у описаних фононів близька до розмірів спіралі ДНК. Це дозволяє формуватися так званим стоячим хвиль (феномен, відомий як фононний захоплення). Після цього фонони не можуть втекти. Цей ефект не матиме особливого значення для гігантської молекули, якщо він не поширюється на всю спіраль. Але комп'ютерне моделювання, проведене Ріпер з товаришами, показує - ефект і справді колосальний.

Кожна електронна хмара в парі підстав не просто коливається узгоджено з рухами сусідів - фонони при цьому перебувають у суперпозиції станів. А загальна картина всіх таких коливань у ДНК описується квантовими законами: уздовж усього ланцюжка нуклеотиди-осцилятори коливаються синхронно – це прояв квантової зчепленості. Загальний рух спіралі виявляється рівним нулю.

Модель спіралі ДНК, на якій збільшено фрагмент із двома сусідніми парами основ. Синім виділено електронні хмари у двох крайніх позиціях своїх коливань, напрямки яких відзначають стрілки (ілюстрація Rieper et al.). Якщо намагатися описати цю модель виключно в рамках класичної фізики, то нічого з переліченого статися не зможе: «класична» спіраль має хаотично вібрувати та розпадатися на частини. На думку дослідників, саме квантові ефекти відповідальні за «склеювання» ДНК. Але, як і у випадку з теорією космічної брижів – амбітної «сестрою-близнюком» нинішньої роботи (щоправда, зайнятої об'єктами макросвіту), – головне питання не оригінальне: як цей висновок довести? Відповіді наразі немає. Команда Ріпер наприкінці своєї статті інтригує думкою у тому, що заплутування якимось чином безпосередньо впливає спосіб «зчитування» інформації з ДНК. Мовляв, у майбутньому це вдасться перевірити та використати експериментально. Як саме – поки що ніхто навіть не передбачає.

Незважаючи на деяку частку спекулятивності, висунуте фізиками припущення схвилювало багато уми. Адже квантові ефекти вже знаходили в найнесподіваніших місцях, наприклад в електричному ланцюзі, але поки ніхто не замахувався на претензії такого масштабу – мікроскопічного і водночас неймовірно важливого.

У світлі викладеного людина, що витрачає масу сил на заплутування кількох кубитів у твердому тілі, виглядає кумедно, оскільки не підозрює, що найяскравішим прикладом такої системи є він сам.

Квантова заплутаність

В інтернеті є настільки багато добротних статей, що допомагають виробити адекватні уявлення про "заплутані стани", що залишається робити найбільш підходящі вибірки, будуючи той рівень опису, який здається прийнятним для світоглядного сайту.

Тема статті: багатьом близька думка, що всі чудасії заплутаних станів можна було б пояснити так. Перемішуємо чорну і білу кулі, не дивлячись, розфасовуємо в коробочки і відправляємо в різні боки. Відкриваємо коробочку на одному боці, дивимося: чорна куля, після чого на 100% впевнені, що в іншій коробочці – біла. От і все:)

Мета статті - не суворе занурення у всі особливості розуміння "заплутаних станів", а складання системи загальних уявлень, з розумінням основних принципів. Саме так і варто ставитись до всього викладеного:)

Відразу поставимо визначальний контекст. Коли фахівці (а не далекі від даної специфіки обговорювачі, нехай навіть у чомусь вчені) говорять про сплутаність квантових об'єктів, то мають на увазі не те, що це утворює одне ціле з певним зв'язком, а те, що один об'єкт стає квантовим. характеристикам такий самий як інший (але не всім, а тим, які допускають ідентичність у парі за законом Паулі, так спин у поплутаної пари не ідентичний, а взаємно комплементарний). Тобто. це ніяка не зв'язок і ніякий процес взаємодії, нехай і може описуватися загальної функцією. Це – характеристика стану, яку можна “телепортувати” від одного об'єкта, іншому (до речі тут теж повально часто хибне тлумачення слова “телепортувати”). Якщо відразу не визначитися в цьому, то можна зайти дуже далеко в містику. Тому насамперед усі, хто цікавиться питанням, повинні чітко бути впевненими в тому, що саме мають на увазі під “сплутаністю”.

Те, заради чого була затіяна ця стаття, зводиться до одного питання. Відмінність поведінки квантових об'єктів від класичних проявляється в єдино відомому поки методі перевірки: дотримується чи ні певна умова перевірки - нерівність Белла (нижче докладніше), яка для "заплутаних" квантових об'єктів поводиться так, ніби існує зв'язок між посланим у різні сторони об'єктами. Але зв'язок хіба що реальна, т.к. ні інформацію, ні енергію передати неможливо.

Мало того, цей зв'язок не залежить ні від відстані, ні від часу: якщо два об'єкти були "сплутані", то, незалежно від збереження кожного з них, другий поводиться так, ніби зв'язок все ж таки існує (хоча наявність такого зв'язку можна виявити тільки при вимірі обох об'єктів, такий вимір можна рознести в часі: спочатку виміряти, потім знищити один із об'єктів, а другий виміряти пізніше (наприклад, див. Р.Пенроуз). Зрозуміло, що будь-який вид "зв'язку" стає важко зрозумілим у цьому випадку і питання постає так: чи може бути таким закон ймовірності випадання вимірюваного параметра (який описується хвильовою функцією), щоб на кожному з кінців нерівність не порушувалася, а за загальної статистики з обох зрештою - порушувалося - і без будь-якого зв'язку, природно, крім зв'язку актом загального виникнення.

Заздалегідь дам відповідь: так, може, за умови, що ці ймовірності - не "класичні", а оперують комплексними змінними для опису "суперпозиції станів" - як одночасного знаходження всіх можливих станів з певною ймовірністю для кожного.

Для квантових об'єктів описник їхнього стану (хвильова функція) - саме такий. Якщо говорити про опис положення електрона, то ймовірність його знаходження визначає топологію "хмари" - форму електронної орбіталі. У чому різниця між класикою та квантами?

Уявимо собі велосипедне колесо, що швидко обертається. Десь на ньому прикріплений червоний диск бокового відбивача фар, але бачимо лише щільнішу тінь розмитості в цьому місці. Імовірність того, що сунувши палицю в колесо, відбивач зупиниться у певному положенні від палиці просто визначається: одна палиця - одне якесь положення. Сунемо дві палиці, але зупинить колесо тільки та, яка виявиться трохи раніше. Якщо ми намагатимемося сунути палиці абсолютно одночасно, домагаючись, щоб не було часу між кінцями палиці, що зіткнулися з колесом, з'явиться деяка невизначеність. У "не було часу" між взаємодіями із суттю об'єкта - вся суть розуміння квантових чудес:)

Швидкість "обертання" того, що визначає форму електрона (поляризації - поширення електричного обурення) дорівнює граничній швидкості, з якою взагалі щось може поширюватися в природі (швидкості світла у вакуумі). Ми знаємо висновок теорії відносності: в цьому випадку час для цього обурення стає нульовим: немає нічого в природі, що могло б здійснитися між будь-якими двома точками поширення цього обурення, часу для нього не існує. Це означає, що обурення здатне взаємодіяти з будь-якими іншими "палками", що впливають на нього, без витрати часу. одночасно. І ймовірність того, який результат буде отримано в конкретній точці простору при взаємодії, повинен обчислюватися ймовірністю, що враховує цей релятивістський ефект: Через те, що для електрона немає часу, він не здатний вибрати ні найменшої відмінності між двома "палками" при взаємодії з ними і робить це одночаснозі своєї "точки зору": електрон проходить у дві щілини одночасно з різною щільністю хвилі в кожній і потім інтерферує між самим собою як дві хвилі, що наклалися.

Ось у чому різниця в описах ймовірностей у класиці та квантах: квантові кореляції "сильніші" за класичні. Якщо результат випадання монетки залежить від безлічі факторів, що впливають, але в цілому вони однозначно детерміновані так, що варто тільки зробити точний автомат для викидання монеток, і вони стануть падати однаково, - випадковість "зникла". Якщо ж зробити автомат, що тикає в електронну хмару, то результат визначиться тим, що кожен тичок потраплятиме в щось завжди, тільки з різною щільністю суті електрона в цьому місці. Інших факторів, крім статичного розподілу ймовірності знаходження вимірюваного параметра в електроні немає і це вже детермінізм зовсім іншого роду, ніж у класиці. Але це теж детермінізм, тобто. він завжди обчислюємо, відтворюємо, тільки з особливістю, що описується хвильовою функцією. При цьому такий квантовий детермінізм стосується лише цілісного опису хвилі кванта. Проте, через відсутність свого часу для кванта, він взаємодіє абсолютно випадково, тобто. немає жодного критерію заздалегідь передбачити результат виміру сукупності його параметрів. У цьому сенсі (у класичному уявленні) він абсолютно недетермінований.

Електрон реально і справді існує у вигляді статичної освіти (а не точки, що крутиться по орбіті) - стоячої хвилі електричного обурення, у якої існує ще один релятивістський ефект: перпендикулярно основній площині "поширення" (зрозуміло чому в лапках:) електричного поля виникає також статична область поляризації, яка здатна впливати на таку саму область іншого електрона: магнітний момент. p align="justify"> Електрична поляризація в електроні дає ефект електричного заряду, його відображення в просторі у вигляді можливості впливу на інші електрони - у вигляді магнітного заряду, який не буває сам по собі без електричного. І якщо в електронейтральному атомі електричні заряди компенсовані зарядами ядер, то магнітні можуть бути орієнтовані в один бік і ми отримаємо магніт. Глибокі уявлення про це - у статті .

Те, в який бік буде спрямовано магнітний момент електрона – називається спином. Тобто. спин - прояв способу накладання хвилі електричної деформації він із заснуванням стоячої хвилі. Числове значення спина відповідає характеристиці накладання хвилі на себе. У електрона: +1/2або -1/2 (символ символізує напрямок бічного зміщення поляризації - "магнітний" вектор).

Якщо на зовнішньому електронному шарі атома є один електрон і раптом до нього приєднується ще один (освіта ковалентного зв'язку), то вони, як два магнітики, відразу встають у позицію 69, утворюючи спарену конфігурацію з енергією зв'язку, яку потрібно розірвати, щоб знову розділити ці електрони. Загальний спин такої пари – 0.

Спін – той параметр, який відіграє важливу роль при розгляді заплутаних станів. У електромагнітного кванта, що вільно поширюється, суть умовного параметра "спин" все та ж: орієнтація магнітної складової поля. Але вона не статична і призводить до виникнення магнітного моменту. Щоб її зафіксувати, потрібен не магніт, а щілина поляризатора.

Для затравки уявлень про квантові заплутаності пропоную прочитати популярну і невелику статтю Олексія Левіна: Пристрасть на відстані . Будь ласка, перейдіть за посиланням та прочитайте до того, як продовжувати:)

Отже, конкретні параметри вимірювання реалізуються тільки при вимірі, а до того вони існували у вигляді того розподілу ймовірностей, який становив видиму макросвітом статику релятивістських ефектів динаміки поширення поляризації мікросвіту. Зрозуміти суть того, що відбувається в квантовому світі - означає перейнятися у прояви таких релятивістських ефектів, які насправді надають квантовому об'єкту властивості бути. одночасноу різних станах до моменту конкретного виміру.

"Заплутаний стан" це - цілком детермінований стан двох частинок, що мають настільки однакову залежність опису квантових властивостей, що на обох кінцях проявляються узгоджені кореляції, в силу особливостей суті квантової статики, що мають узгоджену поведінку. На відміну від макро статистики, у квантовій статистиці можливе збереження таких кореляцій у рознесених у просторі та часі раніше узгоджених за параметрами об'єктів. Це проявляється у статистиці виконання нерівностей Белла.

Чим відрізняється хвильова функція (наш абстрактний опис) незаплутаних електронів двох атомів водню (при тому, що її параметрами будуть загальноприйняті квантові числа)? Нічим, крім того, що спин неспареного електрона випадковий без порушення нерівностей Белла. У разі утворення спареної кульової орбіталі в атомі гелію, або в ковалентних зв'язках двох атомів водню, з утворенням молекулярної орбіталі, узагальненої двома атомами, параметри двох електронів виявляються взаємно узгодженими. Якщо заплутані електрони розщепити, і вони починають рух у різні боки, то їх хвильової функції з'являється параметр, що описує зміщення щільності ймовірності у просторі від часу - траєкторію. І це зовсім не означає розмазаності функції в просторі просто тому, що ймовірність знаходження об'єкта стає нульовою на деякому віддаленні і позаду не залишається нічого, щоб вказувало на ймовірність знаходження електрона. Тим більше це очевидно у разі рознесення пари у часі. Тобто. виникають два локальних та незалежних описувачі, що зміщуються в протилежних напрямках частинок. Хоча все ще можна використовувати один загальний описник, - право того, хто формалізує:)

Крім всього, оточення частинок не може залишатися байдужим і так само піддається модифікації: описувачі хвильової функції частинок оточення змінюються та беруть участь у результуючій квантовій статистиці своїм впливом (породжуючи такі явища як декогеренція). Але зазвичай майже нікому на думку не спадає описувати це загальною хвильовою функцією, хоча і це можливо.

У багатьох джерел можна докладно ознайомитися з цими явищами.

М.Б.Менський пише:

"Одна з цілей цієї статті... обґрунтувати думку, що існує формулювання квантової механіки, в якій не виникає жодних парадоксів і в рамках якої можна відповісти на всі питання, які зазвичай ставлять фізики. Парадокси виникають лише тоді, коли дослідник не задовольняється цим "фізичним" рівнем теорії, коли він ставить такі питання, які у фізиці ставити не прийнято, іншими словами - коли він бере на себе сміливість спробувати вийти за межі фізики. ...Специфічні риси квантової механіки, пов'язані із заплутаними станами, вперше були сформульовані у зв'язку з ЕПР-парадоксом, проте нині вони сприймаються як парадоксальні. Для людей, які професійно працюють з квантовомеханічним формалізмом (тобто для більшості фізиків) немає нічого парадоксального ні в ЕПР-парах, ні навіть у дуже складних заплутаних станах з великою кількістю доданків і великою кількістю факторів у кожному доданку. Результати будь-яких дослідів з такими станами, в принципі, легко прораховуються (хоча технічні труднощі при розрахунку складних заплутаних станів, звичайно, можливі)."

Хоча, треба сказати, у міркуваннях про роль свідомості, усвідомленого вибору в квантовій механіці Менський виявляється таким, що бере " на себе сміливість спробувати вийти за межі фізикиЯк квантовий професіонал Менський хороший, але в механізмах психіки він, як і Пенроуз - наївний.

Дуже коротко і умовно (тільки для схоплювання суті) про використання заплутаних станів у квантовій криптографії та телепортації (бо саме це вражає уяву вдячних глядачів).

Отже, криптографія. Потрібно передати послідовність 1001

Використовуємо два канали. По першому пускаємо заплутану частинку, по другому - інформацію про те, як потрібно інтерпретувати отримані дані у вигляді одного біта.

Припустимо, що є альтернатива можливого стану квантовомеханічного параметра спин, що використовується, в умовних станах: 1 або 0. При цьому ймовірність їх випадань з кожною випущеною парою частинок - воістину випадкова і не передає ніякого сенсу.

Перша передача. При вимірі тутсталося, що в частки стан 1. Значить в іншої - 0. Щоб на томНаприкінці отримати необхідну одиницю передаємо біт 1. тамміряють стан частки і, щоб дізнатися, що воно означає, складають з переданої 1. Одержують 1. Заодно перевіряють білому, що сплутаність була порушена, тобто. інформація не перехоплена.

Друга передача Вийшов знову стан 1. В інший 0. Передаємо інфо - 0. Складаємо, отримуємо потрібну 0.

Третя передача Вийшов стан тут 0. Там, отже - 1. Щоб отримати 0, передаємо 0. Складаємо, отримуємо 0 (у молодшому розряді).

Четверте. Тут – 0, там – 1, потрібно щоб було інтерпретовано як 1. Передаємо інфу – 0.

Ось у такому принципі. Прехоплення інфо каналу марний через абсолютно некорелювану послідовність (шифрування ключем стану першої частки). Перехоплення заплутаного каналу - порушує прийом та виявляється. Статистика передачі з обох кінців (на приймальному кінці мають всі необхідні дані по кінці, що передається) по Беллу визначає коректність і неперехопленість передачі.

У цьому полягає телепортація. Ніякого довільного нав'язування стану частинці там не відбувається, а відбувається тільки передбачення того, який буде цей стан після того (і тільки після того) як тут частка буде виведена зі зв'язку вимірюванням. І тоді кажуть типу, що відбулася передача квантового стану із руйнуванням комплементарного стану у вихідній точці. Отримавши інфу про стан тут, можна тим чи іншим способом скоригувати квантовомеханічний параметр так, щоб він виявився ідентичним такому тут, але тут його вже не буде, і говорять про виконання заборони на клонування у зв'язаному стані.

Схоже, що жодні аналоги цих явищ у макросвіті, жодні кулі, яблука тощо. від класичної механіки що неспроможні послужити для інтерпретації прояви такого характеру квантових об'єктів (насправді принципових перешкод цьому немає, що буде показано нижче у підсумковій засланні). У цьому головна труднощі для тих, хто хоче отримати зриме "пояснення". Це не означає, що таке не уявляє, як заявляється часом. Це означає, що потрібно досить ретельно попрацювати над релятивістками уявленнями, які грають визначальну роль у квантовому світі і пов'язують світ квантів з макросвітом.

Але це не обов'язково. Згадаймо головне завдання уявлення: яким має бути закон матеріалізації вимірюваного параметра (який описується хвильової функцією), щоб у кожному кінці нерівність не порушувалося, а за загальної статистики з обох кінців - порушувалося. Існує безліч інтерпретацій для розуміння цього, які використовують допоміжні абстракції. Вони говорять про те саме різними мовами таких абстракцій. З них дві - найвагоміші по роздільній серед носіїв уявлень коректності. Сподіваюся, що після сказаного буде зрозуміло, що мають на увазі:)

Копенгагенська інтерпретація зі статті про феномен Ейнштейна - Подільського - Розена:

" (ЕПР-парадокс) - парадокс, що здається... Справді, уявімо собі, що на двох планетах у різних кінцях Галактики є дві монетки, що випадають завжди однаково. Якщо запротоколювати результати всіх підкидань, а потім порівняти їх, вони збігатимуться. Самі ж випадання є випадковими, на них ніяк не можна вплинути. Не можна, наприклад, домовитися, що орел – це одиниця, а решка – це нуль, і передавати таким чином двійковий код. Адже послідовність нулів та одиниці буде випадковою і на тому і на іншому «кінці дроту» і не нестиме ніякого сенсу.

Виходить, що феномен є пояснення, логічно сумісне і з теорією відносності, і з квантовою механікою.

Можна подумати, що це пояснення надто неправдоподібне. Це настільки дивно, що Альберт Ейнштейн ніколи не повірив у «бога, який грає в кістки». Але ретельні експериментальні перевірки нерівностей Белла показали, що в нашому світі є нелокальні випадковості.

Важливо підкреслити одне вже згадане наслідок цієї логіки: вимірювання над заплутаними станами тільки тоді не порушуватимуть теорії відносності та причинності, якщо вони істинно випадкові. Не повинно бути жодного зв'язку між обставинами виміру та обуренням, ні найменшої закономірності, бо інакше з'явилася б можливість миттєвої передачі інформації. Таким чином, квантова механіка (у копенгагенській інтерпретації) та існування заплутаних станів доводять наявність індетермінізму у природі."

У статистичній інтерпретації це показується через поняття "статистичних ансамблів" (той самий):

З погляду статистичної інтерпретації, дійсними об'єктами вивчення в квантовій механіці є не поодинокі мікрооб'єкти, а статистичні ансамблі мікрооб'єктів, що знаходяться в однакових макроумовах. Відповідно, фраза «частка знаходиться в такому стані» насправді означає «частка належить такому статистичному ансамблю» (що складається з безлічі аналогічних частинок). Тому вибір у вихідному ансамблі того чи іншого подансамблю істотно змінює стан частки, навіть якщо при цьому не відбувалося безпосереднього на неї впливу.

Як найпростіша ілюстрація розглянемо наступний приклад. Візьмемо 1000 пофарбованих монет і кинемо їх на 1000 аркушів паперу. Імовірність того, що на випадково обраному нами аркуші віддрукувався «орел», дорівнює 1/2. Тим часом для аркушів, на яких монети лежать «рішкою» вгору, та сама ймовірність дорівнює 1 - тобто у нас є можливість побічно встановлювати характер відбитка на папері, дивлячись не на сам аркуш, а лише на монету. Однак ансамбль, пов'язаний з таким «непрямим виміром», зовсім відмінний від вихідного: він містить уже не 1000 аркушів паперу, а лише близько 500!

Таким чином, спростування співвідношення невизначеностей у «парадоксі» ЕПР було б дійсним лише в тому випадку, якби для вихідного ансамблю виявився можливим одночасний вибір непустого подансамблю і за ознакою імпульсу, і за ознакою просторових координат. Проте якраз неможливість такого вибору і затверджується співвідношенням невизначеності! Інакше висловлюючись, «парадокс» ЭПР насправді виявляється порочним колом: він заздалегідь передбачає невірність факту, що спростовується.

Варіант із «надсвітловим сигналом» від частки Aдо частки Bтакож заснований на ігноруванні тієї обставини, що розподіл ймовірностей значень вимірюваних величин характеризують не конкретну пару частинок, а містить статистичний ансамбль. Тут як аналогічну можна розглянути ситуацію, коли забарвлена ​​монета кидається на аркуш у темряві, після чого аркуш витягується і замикається в сейф. Імовірність того, що на аркуші віддрукувався «орел» apriori дорівнює 1/2. І та обставина, що вона негайно перетвориться на 1, якщо ми запалимо світло і переконаємося, що монета лежить «рішкою» вгору, анітрохи не свідчить про здатність нашого погляду міст ним чином впливати на замкнені в сейфі предмети.

Детальніше: А.А.Печенкін Ансамблеві інтерпретації квантової механіки в США та СРСР.

І ще одна інтерпретація з http://ru.philosophy.kiev.ua/iphras/library/phnauk5/pechen.htm :

Модальна інтерпретація ван Фраассена розмірковує так, що стан фізичної системи змінюється лише каузально, тобто. відповідно до рівняння Шредінгера, проте цей стан однозначно не детермінує значення фізичних величин, що виявляються при вимірюванні.

Поппер наводить тут свій улюблений приклад: дитячий більярд (уставлена ​​голками дошка, по якій зверху скочується металева кулька, що символізує фізичну систему, - сам більярд символізує експериментальний пристрій). Коли кулька нагорі більярда, ми маємо одну диспозицію, одну схильність досягти будь-якої точки внизу дошки. Якщо ж ми зафіксували кульку десь у середині дошки, ми змінили специфікацію експерименту та отримали нову схильність. Квантово-механічний індетермінізм зберігається тут у повному обсязі: Поппер застерігає, що більярд не є механічною системою. Ми позбавлені можливості простежувати траєкторію кульки. Але “редукція хвильового пакета” - це акт суб'єктивного спостереження, це свідоме перевизначення експериментальної ситуації, звуження умов досвіду.

Підіб'ємо загальне резюме фактів

1. Незважаючи на абсолютну випадковість випадання парамерта при вимірі в масі сплутаних пар частинок, що виникають, у кожній такій парі проявляється узгодженість: якщо одна частка в парі виявляється зі спином 1, то інша частка в парі - зі спином протилежним. Це в принципі зрозуміло: раз у спареному стані не може бути двох частинок, що мають однаковий спин в одному енергетичному стані, то при їх розщепленні, якщо узгодженість зберігається, то і спини виявляються так само узгодженими. Варто визначити спин однієї, як стане відомий спин інший, при тому, що випадковість спина у вимірах з будь-якої зі сторін - абсолютна.

Коротко проясню неможливість повністю однаковості станів двох частинок в одному місці простору-часу, яка в моделі будови електронної оболонки атома називається принципом Паулі, а в квантово-механічному розгляді узгоджених станів - принципом неможливості клонування заплутаних об'єктів.

Є щось (поки непізнане), що реально перешкоджає можливості кванту або відповідній йому частинці перебувати в одному локальному стані з іншим повністю ідентичним за квантовими параметрами. Це реалізується, наприклад, в ефекті Казимира, коли віртуальні кванти між пластинами можуть мати довжину хвилі трохи більше зазору. І особливо наочно це реалізується в описі атома, коли електрони даного атома не можуть мати у всьому ідентичні параметри, що аксіоматично формалізовано принципом Паулі.

На першому, найближчому шарі можуть бути лише 2 електрони у вигляді сфери (s-Електрони). Якщо їх два, то вони - з різними спинами і спарені (заплутані), утворюючи загальну хвилю з енергією зв'язку, яку потрібно докласти, щоб розірвати цю пару.

У другому, більш віддаленому та більш енергетичному рівні можуть бути 4 "орбіталі" по два спарених електрони у вигляді стоячої хвилі формою як об'ємна вісімка (p-електрони). Тобто. велика енергія займає більший простір і дозволяє сусідити вже кільком зв'язаним парам. Від першого шару другий відрізняється енергетично на 1 можливий дискрет енергетичного стану (зовнішні електрони, описуючи просторово більшу хмару, мають і більшу енергію).

Третій шар вже просторово дозволяє мати 9 орбіт у формі чотирилисника (d-електрони), четвертий - 16 орбіт - 32 електрони,форма яких також нагадує об'ємні вісімки у різних комбінаціях ( f-Електрони).

Форми електронних хмар:

а – s-електрони; б - р-електрони; в – d-електрони.

Ось такий набір станів, що дискретно розрізняються - квантові числа - характеризують можливі локальні стани електронів. І ось що з цього виходить.

Коли два електрони з різними спинамиодногоенергетичного рівня (хоча це не обов'язково: http://www.membrana.ru/lenta/?9250) спарюються, то утворюється загальна "молекулярна орбіталь" із зниженим енергетичним рівнем за рахунок енергії та зв'язку. Два атоми водню, що мають за неспареним електроном, утворюють загальне перекриття цих електронів - (простий ковалентний) зв'язок. Поки вона є - два електрони мають загальну узгоджену динаміку - загальну хвильову функцію. До яких пір? "Температура" або щось інше, здатне компенсувати енергію зв'язку, рве її. Атоми розлітаються з електронами, які вже не мають загальної хвилі, але все ще перебувають у комплементарному, взаємоузгодженому стані сплутування. Але зв'язку вже немає:) Ось той момент, коли не варто більше говорити про загальну хвильову функцію, хоча ймовірнісні характеристики в термінах квантової механіки залишаються такими, як би ця функція продовжувала описувати загальну хвилю. Це якраз і означає збереження здатності до прояву узгодженої кореляції.

Спосіб отримання заплутаних електронів через їхню взаємодію описано: http://www.scientific.ru/journal/news/n231201.htmlабо популяно-схематично - в http://www.membrana.ru/articles/technic/2002/02/08/170200.html : " Щоб створити "співвідношення невизначеностей" електронів, тобто "заплутати" їх, потрібно переконатися, що вони ідентичні в усіх відношеннях, після чого вистрілити цими електронами в променевий розщеплювач (beam splitter). Механізм "розщеплює" кожен з електронів, наводячи їх у квантовий стан "суперпозиції", внаслідок чого електрон з рівною часткою ймовірності буде рухатися одним з двох шляхів.".

2. При статистиці вимірів з обох сторін взаємна узгодженість випадковостей у парах може призводити до порушення нерівності Белла в певних умовах. Але не за рахунок використання якоїсь особливої, поки що непізнаної квантовомеханічної сутності.

Наступна невелика стаття (на основі уявлень, викладених Р. Пнроуз) дозволяє простежити (показати принцип, приклад) як це можливо: Відносність нерівностей Белла або Новий розум голого короля. Так само це показано в роботі А. В. Бєлінського, опублікованої в Успіхи фізичних наук: Теорема белла без припущення про локальність. Інша робота А.В.Бєлінського для роздумів зацікавилися: Теорема Белла для трихотомних спостережуваних, а також обговорення з д.ф.-м.н., проф., акад. Валерієм Борисовичем Морозовим (загальновизнаний корифей форумів фізфаку ФРТК-МФТІ та "дубинушки"), де Морозов пропонує до розгляду обидві ці роботи А.В.Бєлінського: Досвід Аспекту: питання до Морозова. І на додаток теми про можливість порушень нерівностей Белла без введення будь-якої далекодії: Моделювання з нерівності Белла.

Звертаю увагу, що "Відносність нерівностей Белла або Новий розум голого короля", як і "Теорема белла без припущення про локальність" у контексті цієї статті не претендують на опис механізму квантовомеханічної заплутаності. Завдання показано в останній фразі першого посилання: "Посилатися на порушення нерівностей Белла як на безперечне спростування будь-якої моделі локального реалізму немає підстав." тобто. кордон її використання - теор ема, озвучена спочатку: " Можуть існувати моделі класичної локальності, у яких порушуватимуться нерівності Белла. " . Про це - додаткові пояснення в обговоренні.

Наведу модель від себе.
"Порушення локального реалізму" - всього лише релятивістський ефект.
Ніхто (нормальний) не сперечається про те, що з системи, що рухається з граничною швидкістю (швидкість світла у вакуумі) немає простору, ні часу (перетворення Лоренца у разі дає нульовий час і простір), тобто. для кванта він знаходиться відразу і тут і там, хоч би яким далеким це було там.
Зрозуміло, що сплутані кванти мають ось таку свою точку відліку. А електрони - самі кванти може стоячої хвилі, тобто. існуючі тут і там одразу на весь час існування електрона. Усі якості квантів виявляються вирішеними нам, тих, хто сприймає це ззовні ось чому. Ми, зрештою, з квантів, які і тут і там. Їх швидкість поширення взаємодії (гранична швидкість) - нескінченно висока. Але всі ці нескінченності різні як у різній довжині відрізків хоч і нескінченне число точок у кожного, але співвідношення цих нескінченностей дає співвідношення довжин. Ось як для нас з'являєтеся час і простір.
Для нас в експериментах локальний реалізм порушується, для квантів – ні.
Але ця розбіжність ніяк не впливає на реальність тому, що ми не можемо скористатися такою нескінченною швидкістю практично. Ні інформація, ні, тим більше матерія, не передається нескінченно швидко за "квантової телепортації".
Так що все це - приколи релятивістських ефектів, не більше того. Їх можна використовувати в квантовій криптографії або ще якось, не можна використовувати для реальної далекодії.

Дивимося зорово суть того, що показують нерівності Белла.
1. Якщо орієнтація вимірювачів на обох кінцях однакова, результат вимірювання спина на обох кінцях завжди буде протилежним.
2. Якщо орієнтація вимірювачів протилежна, то результат буде таким, що збігається.
3. Якщо орієнтація лівого вимірювача відрізняється від орієнтації правого менше, ніж на певний кут, то буде реалізовуватися пункт 1 і збіги виявляться в межах ймовірності, передбаченої Беллом для незалежних частинок.
4. Якщо кут перевищує, то пункт 2 і збіги виявляться більше ймовірності, передбаченої Беллом.

Тобто. при меншому куті ми отримуватимемо переважно протилежні значення спинів, а при більшому - переважно збігаються.
Чому так відбувається зі спином можна уявити, маючи на увазі, що спин електрона - магнітик, і вимірюється так само орієнтацією магнітного поля (або у вільному кванті спин - напрямок поляризації і вимірюється орієнтацією щілини, через яку повинна прийти площина повороту поляризації).
Зрозуміло, що відправивши магнітики, які були спочатку зчеплені і при відправленні зберегли свою взаємну орієнтацію, ми магнітним полем при вимірі впливатимемо на них (довертаючи в той чи інший бік) так, як це відбувається в квантових парадоксах.
Зрозуміло, що зустрічаючи магнітне поле (у тому числі спин іншого електрона), спин обов'язково орієнтується відповідно до нього (взаємно протилежно у випадку зі спином іншого електрона). Тому й кажуть, що "орієнтація спина виникає лише в ході виміру", але при цьому вона залежить від свого первісного становища (в яку сторону довертатися) та напрямки впливу вимірювача.
Зрозуміло, що ніяких далекодій для цього не потрібно, як і не потрібно заздалегідь прописувати таку поведінку в початковому стані частинок.
Я маю підстави вважати, що поки що при вимірах спина окремих електронів не враховуються проміжні стани спина, а лише переважно - за вимірювальним полем і проти поля. Приклади методів: , . Варто звернути увагу і на дату освоєння цих методів, пізнішу, ніж вищеописані експерименти.
Наведена модель, звичайно, спрощена (у квантових явищах спин - не зовсім ті речові магнітики, хоча саме вони забезпечують усі магнітні явища, що спостерігаються) і не враховує безліч нюансів. Тому він не є описувачем реального явища, а показує тільки можливий принцип. І ще він показує як погано просто довірятися описовому формалізму (формулам) без розуміння суті того, що відбувається.
При цьому теор ема Белла вірна у формулюванні зі стати Аспека: "неможливо знайти теорію з додатковим параметром, що задовольняє загальному опису, яка відтворює всі передбачення квантової механіки." а зовсім не у формулюванні Пенроуза: "виявляється, що відтворити передбачення квантової теорії таким шляхом (неквантовим) неможливо.". Зрозуміло, щоб довести теор йому по Пенроузу, потрібно довести, що ніякими моделями, крім квантовомеханічного експерименту, порушення нерівностей Белла не можливо.

Це - трохи перебільшений, можна сказати вульгарний приклад інтерпретації, просто для того, щоб показати, як можна обдуритися в таких результатах. Але наведемо ясний сенс на те, що хотів довести Белл і що виходить насправді. Белл створив досвід, що показує, що в заплутаності немає заздалегідь існуючого "алгоритму", заздалегідь закладеної кореляції (на чому наполягали на той час противники, кажучи про те, є деякі приховані параметри, що визначають таку кореляцію). І тоді ймовірності в його дослідах повинні бути вищими, ніж ймовірність насправді випадкового процесу (чому добре описано нижче).
А насправді просто мають однакові імовірнісні залежності. Що це означає? Це означає, що зовсім не зумовлений, заданий зв'язок між фіксацією параметра вимірюванням має бути місце, а такий результат фіксації походить від того, що процеси мають однакову (комплементарну) імовірнісну функцію (що, загалом прямо походить з квантовомеханічних понять), суть якої - реалізація параметра при фіксації, який був не визначений через відсутність у його "системі відліку" простору і часу в силу максимально можливої ​​динаміки його існування (релятивистський ефект, формалізований Лоренцовими перетвореннями, див. Вакуум, кванти, речовина).

Ось як описує методологічну суть досвіду Белла Брайан Грін у книзі Тканина космосу. У нього кожен із двох гравців отримали безліч скриньок, кожен із трьома дверцятами. Якщо перший гравець відкриває ті самі дверцята, що й другий у скриньці з однаковим номером, він спалахує однаковим світлом: червоним чи синім.
Перший гравець Скаллі припускає, що це забезпечується закладеною в кожну пару програмою кольору спалаху залежно від дверцят, другий гравець Малдер вважає, що спалахи йдуть рівноймовірно, але якось пов'язані (нелокальною далекодією). На думку другого гравця все вирішує досвід: якщо програма - то ймовірність однакових кольорів при випадковому окриванні різних дверей має бути більше 50%, всупереч істині випадкової ймовірності. Він навів приклад чому:
Просто для конкретності уявимо, що програма для сфери в окремій коробочці виробляє синій (1-а дверцята), синій (2-я дверцята) і червоний (3-я дверцята) кольори. Тепер, оскільки ми обидва вибираємо одну з трьох дверей, всього є дев'ять можливих комбінацій дверей, які ми можемо вибрати для відкривання даної коробочки. Наприклад, я можу вибрати верхні дверцята на моїй коробочці, тоді як ти можеш вибрати бічні двері на твоїй коробочці; або я можу вибрати передні дверцята, а ти можеш вибрати верхні дверцята; і так далі."
"Так звичайно." - Скаллі підскочила. – "Якщо ми назвемо верхні дверцята 1, бічні дверцята 2, а фронтальні дверцята 3, то дев'ять можливих комбінацій дверей це просто (1,1), (1,2), (1,3), (2,1), ( 2,2), (2,3), (3,1), (3,2) та (3,3).
"Так, все правильно," - продовжує Малдер. – "Тепер важливий момент: З цих дев'яти можливостей зазначимо, що п'ять комбінацій дверей – (1,1), (2,2), (3,3), (1,2) та (2,1) – призводять до того результату, що ми бачимо, як сфери у наших коробочках спалахують однаковими кольорами.
Перші три комбінації дверцят ті самі, в яких ми вибираємо однакові двері, і, як ми знаємо, це завжди призводить до того, що ми бачимо однакові кольори. Інші дві комбінації дверей (1,2) і (2,1) призводять до тих же кольорів, оскільки програма диктує, що сфери блиматимуть одним кольором – синім – якщо або дверка 1 або дверка 2 відкриті. Отже, оскільки 5 більше, ніж половина від 9, це означає, що для більш ніж половини – більш ніж 50 відсотків – можливих комбінацій дверей, які ми можемо вибрати для відкриття, сфери будуть спалахувати однаковим кольором.
"Але почекай," – протестує Скаллі. – "Це лише один приклад особливої ​​програми: синій, синій, червоний. У моєму поясненні я припускала, що коробочки з різними номерами можуть і в загальному випадку матимуть різні програми."
"Насправді це не має значення. Висновок діє для будь-яких з можливих програм.

І це справді так, якщо маємо справу з програмою. Але зовсім не так, якщо маємо справу з випадковими залежностями для багатьох дослідів, але кожна з цих випадковостей має той самий вид у кожному досвіді.
У разі електронів, коли вони були спочатку пов'язані в пару, що забезпечує їх повністю залежні спини (взаємно протилежні) і розлетілися, ця взаємозалежність, звичайно ж, зберігається при повній загальній картині справжньої ймовірності випадань і в тому, що заздалегідь сказати, як склалися спини двох електронів у парі неможливо до визначення одного з них, але вони "вже" (якщо так можна сказати щодо того, що не має своєї метрики часу та простору) мають певне взаєморозташування.

Далі у книзі Браян Гріна:
є спосіб вивчити, чи не вступили ми необережно у конфлікт із СТО. Спільним для матерії та енергії та властивістю є те, що вони, переносячись з місця на місце, можуть передавати інформацію. Фотони, подорожуючи від радіопередаючої станції до вашого приймача, переносять інформацію. Електрони, подорожуючи через кабелі Інтернету до комп'ютера, переносять інформацію. У будь-якій ситуації, де щось – навіть щось неідентифіковане – мається на увазі рухомим швидше за швидкість світла, безпомилковим тестом запитатиме, чи передає воно або, як мінімум, чи може воно передавати інформацію. Якщо відповіді немає, проходять стандартні міркування, що ніщо не перевищує швидкості світла та СТО залишається незаперечною. Насправді цей тест фізики часто застосовують визначення, чи не порушує деякий тонкий процес закони СТО. Ніщо не зазнало цього тесту.

Що ж до підходу Р.Пенроузаі т.п. інтерпретаторів, то з його роботи Penrouz.djvu постараюся виділити те основне ставлення (світогляд), яке безпосередньо призводить до містичних поглядів про нелокальність (з моїми коментарями - чорним цаетом):

Необхідно було знайти спосіб, який дозволив би відокремлювати істину від припущень у математиці, - певну формальну процедуру, застосувавши яку можна було б з упевненістю сказати, є дане математичне твердження істинним чи ні (Заперечення див. Метод Аристотеля та Істина, критерії істини). Поки це завдання належним чином не дозволене, навряд чи можна всерйоз сподіватися на успіх у вирішенні інших, значно складніших, завдань - тих, що стосуються природи рушійних світом сил, які б взаємини ці самі сили з математичною істиною не пов'язували б. Усвідомлення того, що ключем до розуміння Всесвіту є незаперечна математика, є, мабуть, першим із найважливіших проривів у науці взагалі. Про математичні істини різного роду здогадувалися ще древні єгиптяни і вавилоняни, проте перший камінь у фундамент математичного розуміння...
... людей вперше з'явилася можливість формулювати достовірні і явно незаперечні твердження - твердження, істинність яких не викликає сумнівів і сьогодні, незважаючи на те, що наука з тих часів зробила крок далеко вперед. Людям вперше відкрилася воістину позачасова природа математики.
Що ж це таке – математичний доказ? У математиці доказом називають бездоганну міркування, яка використовує лише прийоми чистої логіки. (Чистої логіки не існує. Логіка - аксіоматична формалізація знайдених у природі закономірностей і взаємозв'язків)що дозволяє зробити однозначний висновок про справедливість того чи іншого математичного твердження на підставі справедливості будь-яких інших математичних тверджень, або заздалегідь встановленої аналогічним чином, або зовсім не потребує доказу (особливі елементарні твердження, істинність яких, на загальну думку, очевидна, називаються аксіом амі) . Доведене математичне твердження прийнято називати теорією. Ось тут я його не розумію: адже є і просто висловлені, але не доведені теорії.
... Об'єктивні математичні поняття слід подавати як позачасові об'єкти; не треба думати, ніби їхнє існування починається в той момент, як тільки вони у тому чи іншому вигляді виникають у людській уяві.
...Таким чином, математичне існування відрізняється не тільки від існування фізичного, а й від того існування, яким здатне наділити об'єкт наше свідоме сприйняття. Проте воно явно пов'язане з двома останніми формами існування - тобто з фізичним та ментальним існуванням зв'язок – цілком фізичне поняття, що має на увазі тут Пенроуз?- причому відповідні зв'язки настільки ж фундаментальні, як і загадкові.
Мал. 1.3. Три «світи» - платонівський математичний, фізичний і ментальний - і три фундаментальні загадки, що їх пов'язують.
... Отже, згідно з зображеною на рис. 1.3 схемою, весь фізичний світ керується математичними законами. У наступних розділах книги ми побачимо, що є вагомі (хоч і неповні) свідчення на підтримку такої точки зору. Якщо вірити цим свідченням, то доводиться визнати, що все, що існує у фізичному Всесвіті, аж до найдрібніших дрібниць, і справді керується точними математичними принципами – можливо, рівняннями. Тут я просто тихо балдею.
...Якщо це так, то і наші з вами фізичні дії цілком і повністю підпорядковані такому загальному математичному контролю, хоча «контроль» цей все ж таки допускає певну випадковість у поведінці, керовану строгими ймовірнісними принципами.
Багато людей від таких припущень починають почуватися дуже незатишно; у мене і в самого, зізнатися, ці думки викликають певний неспокій.
... Можливо, у певному сенсі три світу зовсім не є окремими сутностями, але лише відображають різні аспекти якоїсь більш фундаментальної ІСТИНИ (виділив я), що описує світ, як ціле, - істини, про яку в даний час ми не маємо ні найменшого концепції. - Чиста містика.
.................
Виявляється навіть, що на екрані є області, не досяжні частинок, що випускаються джерелом, незважаючи на той факт, що частинки могли цілком успішно потрапляти в ці області, коли була відкрита лише одна з щілин! Хоча плями з'являються на екрані по одному в локалізованих положеннях і хоча кожній зустрічі частинки з екраном можна зіставити певний акт випромінювання частинки джерелом, поведінка частинки між джерелом і екраном, включаючи неоднозначність, пов'язану з наявністю двох щілин у бар'єрі, подібно до поведінки хвилі, при якому хвиля -Частина при зіткненні з екраном відчуває відразу обидві щілини. Більш того (і це особливо важливо для наших безпосередніх цілей), відстань між смугами на екрані відповідає довжині хвилі Л нашої хвилі-частки, пов'язаної з імпульсом частинок р колишньої формулою ХХХХ.
Все це цілком можливо, скаже тверезомислячий скептик, але це ще не змушує нас проводити таке абсурдно виглядає ототожнення енергії і-імпульсу з якимось оператором! Так, саме так і хочеться сказати: оператор - лише формалізм для опису явища в певних його рамках, а не тотожність із явищем.
Звичайно, не змушує, але чи маємо ми відвертатися від дива, коли воно є нам?! У чому ж це диво? Дивом є те, що ця здається абсурдність експериментального факту (хвилі виявляються частинками, а частинки - хвилями) може бути приведена в систему за допомогою красивого математичного формалізму, в якому імпульс дійсно ототожнюється з «диференціюванням по координаті», а енергія - з « диференціюванням за часом».
... Все це чудово, але як бути з вектором стану? Що заважає визнати, що він є реальністю? Чому фізики найчастіше вкрай неохоче приймають таку філософську позицію? Не просто фізики, а ті, у кого все гаразд із цілісним світоглядом і не схильні вестися на недовизначені міркування.
.... При бажанні можна уявити, що хвильова функція фотона виходить із джерела у вигляді чітко окресленого хвильового пакета малих розмірів, потім, після зустрічі з розщеплювачем променя, вона ділиться на дві частини, одна з яких відбивається від розщеплювача, а інша проходить крізь нього, наприклад, у перпендикулярному напрямку. В обох ми змушували хвильову функцію розділитись на дві частини в першому розщеплювачі променя. Аксіом 1: квант не ділиться. Людина, що говорить про половинки кванта поза його довжиною хвилі сприймається мною з не меншим скептицизмом, ніж людина, що створює новий всесвіт при кожній зміні стану кванта. Аксіом а 2: фотон не змінює траєкторію, і якщо вона змінилася, це - перевипромінювання фотона електроном. Тому що квант - не пружна частка і немає нічого, від чого він відскочив. Чомусь у всіх описах подібних дослідів ці дві речі уникає згадувати, хоча вони мають базове значення, ніж ті ефекти, які описуються. Не розумію, чому так говорить Пенроуз, він же не може не знати про неподільність кванта, мало того, він згадував це у двощілинному описі. У подібних чудових випадках потрібно все ж таки намагатися залишатися в рамках базових аксіом і якщо вони вступають у якесь протиріччя з досвідом, це привід ретельніше подумати про методику та інтерпретацію.
Давайте поки приймемо, хоча б як математичну модель квантового світу, це курйозний опис, згідно з яким квантовий стан еволюціонує якийсь час у вигляді хвильової функції, зазвичай «розмазаної» по всьому простору (але з можливістю фокусування в більш обмеженій області), а потім, коли проводиться вимір, цей стан перетворюється на щось локалізоване та цілком певне.
Тобто. всерйоз говориться про можливість розмазаності чогось на кілька світлових років з можливістю миттєвої взаємної зміни. Таке можна уявити суто абстрактно - як збереження формалізованого опису на кожній із сторін, але ніяк не у вигляді якоїсь реальної сутності, представленої природою кванта. Тут - явна наступність ідеї реальності існування математичних формаліз мов.

Ось чому я сприймаю як Пенроуза, так і інших подібних мислячих фізиків дуже скептично, незважаючи на їх дуже гучний авторитет.

У книзі С. Вайнберг Мрії про остаточну теорію:
Філософія квантової механіки настільки не має відношення до її реального використання, що починаєш підозрювати, що всі глибокі питання про сенс виміру насправді порожні, породжені недосконалістю нашої мови, яка створювалася у світі, що практично керується законами класичної фізики.

Що таке локальність і чому її немає в квантовому світі? , де проблему узагальнює на основі останніх подій Олександр Львівський, співробітник РКЦ та професор Університету Калгарі:
Квантова нелокальність існує лише у межах копенгагенської інтерпретації квантової механіки. Відповідно до неї, при вимірі квантового стану відбувається його колапс. Якщо ж брати за основу багатосвітову інтерпретацію, яка каже, що вимір стану лише поширює суперпозицію на спостерігача, то жодної нелокальності немає. Це лише ілюзія спостерігача, який «не знає», що він перейшов у заплутаний стан із часткою на протилежному кінці квантової лінії.

Деякі висновки зі статті та її обговорення.
В даний час існує дуже багато інтерпретацій різного рівня опрацьованості, які намагаються не просто описати явище заплутаності та інші "нелокальні ефекти", але описати припущення про природу (механізми) цих явищ - тобто. гіпотези. Причому переважає думка, що неможливо в цій предметній області щось уявити, а можливо тільки покладатися на ті чи інші формалізації.
Однак, ці самі формалізації приблизно з однаковою переконливістю можуть показати все, що завгодно інтерпретатору, аж до опису виникнення нового всесвіту щоразу, в момент квантової невизначеності. Оскільки такі моменти виникають при спостереженні, то привнести свідомість - як безпосередній учасник квантових явищ.
Детальне обґрунтування - чому такий підхід є абсолютно невірним - дивіться у статті Евристика.
Так що кожного разу, коли черговий крутий математик почне доводити щось на кшталт єдності природи двох абсолютно різних явищ на основі подібності їх математичного опису (ну, наприклад, всерйоз робиться таке із законом Кулона і законом тяжіння Ньютона) або "пояснювати" квантову заплутаність особливим. виміром" без уявлення його реального втілення (або існуванням меридіанів у формалізмі землян), я триматиму напоготові:)

Інтелектуальний партнер проекту

Альберт Ейнштейн (1879-1955) опублікував праці, які зробили його знаменитими, переважно, на ранніх етапах наукової кар'єри. Робота, що містить основні принципи спеціальної теорії відносності, відноситься до 1905 року, загальної теорії відносності - до 1915 року. Квантова теорія фотоефекту, за яку консервативний Нобелівський комітет присудив вченому премію, також належить до 1900-х років.

Люди, які мають опосередковане відношення до науки, як правило, не мають уявлення про наукову діяльність Альберта Ейнштейна після еміграції до США у 1933 році. А, треба сказати, він займався проблемою, яка фактично не вирішена й досі. Йдеться про так звану «єдину теорію поля».

Загалом у природі існує чотири типи фундаментальних взаємодій. Гравітаційне, електромагнітне, сильне та слабке. Електромагнітна взаємодія – це взаємодія між частинками, що мають електричний заряд. Але не лише явища, які у побутовій свідомості пов'язані з електрикою, відбуваються завдяки електромагнітній взаємодії. Оскільки, наприклад, для двох електронів сила електромагнітного відштовхування помітно перевищує силу гравітаційного тяжіння, їм пояснюються взаємодії окремих атомів та молекул, тобто хімічні процеси та властивості речовин. Більшість явищ класичної механіки (тертя, пружність, поверхневе натяг) мають у своїй основі його. Теорію електромагнітної взаємодії розробив ще в XIX столітті Джеймс Максвелл, який об'єднав електричну та магнітну взаємодії, і вона була чудово відома Ейнштейну разом з її пізнішими квантовими інтерпретаціями.

Гравітаційна взаємодія – це взаємодія між масами. Йому присвячено загальну теорію відносності Ейнштейна. Сильне (ядерне) взаємодія стабілізує ядра атомів. Воно було теоретично передбачено у 1935 році, коли стало зрозуміло, що вже відомих взаємодій недостатньо, щоб відповісти на запитання: «Що утримує протони та нейтрони в ядрах атомів?». Існування сильної взаємодії отримало перше експериментальне підтвердження у 1947 році. Завдяки його дослідженню у 1960-х роках було відкрито кварки, і, нарешті, у 1970-х роках було побудовано більш-менш повну теорію взаємодії кварків. Слабка взаємодія теж відбувається в атомному ядрі, вона діє на більш коротких відстанях, ніж сильна, і з меншою інтенсивністю. Однак без нього не існувало б термоядерного синтезу, що забезпечує, наприклад, сонячної енергії Землю, і β-розпаду, завдяки якому воно і було відкрито. Справа в тому, що при β-розпаді не відбувається, як кажуть фізики, збереження парності. Тобто для решти взаємодій результати експериментів, проведених на дзеркально-симетричних установках, повинні збігатися. А для експериментів з вивчення β-розпаду вони не збіглися (про фундаментальну різницю правого та лівого вже йшлося у ). Відкриття та опис слабкої взаємодії припали на кінець 50-х років.

На сьогоднішній день у рамках Стандартної моделі (їй також нещодавно була присвячена Політ.ру) об'єднані електромагнітна, сильна та слабка взаємодії. Відповідно до Стандартної моделі вся речовина складається з 12 частинок: 6 лептонів (серед яких електрон, мюон, тау-лептон та три нейтрино) та 6 кварків. Ще є 12 античасток. Усі три взаємодії мають свої переносники – бозони (фотон – це бозон електромагнітної взаємодії). А ось гравітаційну взаємодію поки що поєднати з рештою не вдалося.

Альберт Ейнштейн, який помер у 1955 році, нічого не встиг дізнатися про слабку взаємодію і мало що - про сильну. Таким чином, він намагався об'єднати електромагнітну та гравітаційну взаємодії, а це завдання і на сьогоднішній день не вирішене. Оскільки Стандартна модель за своєю суттю квантова, для об'єднання нею гравітаційної взаємодії потрібна квантова теорія гравітації. Її на сьогоднішній день із сукупності причин немає.

Одна зі складностей квантової механіки, що особливо яскраво виявляється, коли треба говорити про неї з неспеціалістом, - це її неінтуїтивність і навіть антиінтуїтивність. Але навіть і вчені часто вводяться в оману цією антиінтуїтивністю. Розберемо один приклад, який це ілюструє, і корисний для розуміння подальшого матеріалу.

З погляду квантової теорії, до моменту виміру частка перебуває у стані суперпозиції - тобто його характеристика одночасноз якоюсь ймовірністю приймає кожнеіз можливих значень. У момент виміру суперпозиція знімається, і факт виміру «примушує» частку прийняти конкретний стан. Це саме собою суперечить інтуїтивним уявленням людини про природу речей. Не всі фізики були згодні, що така невизначеність – фундаментальна властивість речей. Багатьом здавалося, що це якийсь феномен, який пізніше проясниться. Саме про це найвідоміша фраза Ейнштейна, сказана у суперечці з Нільсом Бором «Бог не грає в кістки». Ейнштейн вважав, що насправді все детерміновано, просто ми поки що не можемо це виміряти. Правильність протилежної позиції була пізніше продемонстрована експериментально. Особливо яскраво – в експериментальних дослідженнях квантової заплутаності.

Квантова заплутаність - ситуація, коли квантові характеристики двох чи більше частинок виявляються пов'язані. Вона може виникнути, наприклад, якщо частинки народилися в результаті однієї і тієї ж події. Фактично, потрібно, щоб було визначено (наприклад, завдяки їхньому загальному походження) сумарна характеристика всіх частинок. З такою системою частинок відбувається ще дивніша, ніж з одиночною часткою, річ. Якщо, наприклад, в ході експерименту виміряти стан однієї із заплутаних частинок, тобто змусити її прийняти конкретний стан, то суперпозиція автоматично знімається і в іншої заплутаної частинки, на якій відстані вони не знаходилися б. Це було доведено експериментально у 70 – 80х роках. На сьогоднішній день експериментаторам удалося отримати квантово-заплутані частинки, рознесені на кілька сотень кілометрів. Таким чином, виходить, що інформація передається від частки до частки з нескінченною швидкістю, свідомо більшої швидкості світла. Ейнштейн, який послідовно стояв на детерміністських позиціях, відмовлявся вважати цю ситуацію чимось більшим, ніж абстрактним умопобудуванням. У своєму листі до фізика Борна він іронічно назвав взаємодію заплутаних частинок «жахливою далекодією».

Кумедну побутову ілюстрацію феномена квантової заплутаності придумав фізик Джон Белл. Він мав розсіяний колега Рейнгольд Бертлман, який дуже часто приходив на роботу в різних шкарпетках. Белл жартував, що якщо спостерігачеві видно тільки одну шкарпетку Бертлмана, і вона рожева, то про другу, навіть не бачачи її, можна точно сказати, що вона не рожева. Зрозуміло, це просто кумедна аналогія, яка не претендує на проникнення в суть речей. На відміну від частинок, які до моменту вимірювання перебувають у стані суперпозиції, носок з самого ранку на нозі один і той же.

Зараз квантова заплутаність і пов'язана з нею далекодія з нескінченною швидкістю вважаються реальними, експериментально доведеними феноменами. Їм намагаються знайти практичне застосування. Наприклад, при конструюванні квантового комп'ютера та розробці методів квантової криптографії.

Роботи в галузі теоретичної фізики, проведені за останній рік, дають надію, що проблема побудови теорії квантової гравітації і, відповідно, єдиної теорії поля буде вирішена нарешті.

У липні цього року американські фізики-теоретики Малдасена та Саскінд висунули та обґрунтували теоретичну концепцію квантової заплутаності чорних дірок. Нагадаємо, що чорні діри - це дуже масивні об'єкти, гравітаційне тяжіння до яких настільки велике, що, підібравшись до них на певну відстань, навіть найшвидші у світі об'єкти - кванти світла - не можуть вирватися і полетіти геть. Вчені провели уявний експеримент. Вони з'ясували, що якщо створити дві квантово-заплутані чорні дірки, а потім видалити їх одна від одної на деяку відстань, то в результаті утвориться так звана непрохідна кротова нора. Тобто кротова нора за своїми властивостями ідентична парі квантово-заплутаних чорних дірок. Кротові нори - це топологічні особливості простору-часу, що поки що залишаються гіпотетичними, тунелі, що знаходяться в додатковому вимірі, що з'єднують в якісь моменти часу дві точки тривимірного простору. Кротові нори популярні у фантастичній літературі та кінематографі, тому що через деякі з них, особливо екзотичні, теоретично можливо здійснювати міжзоряні подорожі та подорожі у часі. Через непрохідні кротові нори, що виникають в результаті квантового заплутування чорних дірок, неможливо ні подорожувати, ні обмінюватися інформацією. Просто якщо умовний спостерігач зайде всередину однієї з кількох квантово-заплутаних чорних дірок, він опиниться там же, де він виявився б, зайшовши в іншу.

Кротові нори завдячують своїм існуванням гравітації. Оскільки в уявному експерименті Малдасени та Саскінда кротова нора створюється на підставі квантової заплутаності, то можна зробити висновок, що гравітація не фундаментальна сама по собі, а є проявом фундаментального квантового ефекту - квантової заплутаності.

На початку грудня 2013 року в одному номері журналу PhysicalReviewLettersвийшло відразу дві роботи ( ,), розвиваючі ідеї Малдасени та Саскінда. Вони голографічний метод і теорія струн були застосовані у тому, щоб описати зміни у геометрії простору-часу, викликані квантової заплутаністю. Голограма є зображенням на площині, що дозволяє реконструювати відповідне тривимірне зображення. У загальному випадку, голографічний метод дозволяє вмістити інформацію про n-мірному просторі (n-1)-мірне.

Вченим вдалося перейти від квантово-заплутаних чорних дірок до квантово-заплутаних пар елементарних частинок, що народжуються. За наявності достатньої кількості енергії можуть народжуватися пари, що складаються з частки та античастинки. Оскільки при цьому мають виконуватися закони збереження, такі частки будуть квантово-заплутаними. Моделювання такої ситуації показало, що народження пари кварк+антикварк породжує освіту кротової нори, що з'єднує їх, і що опис стану квантової заплутаності двох частинок еквівалентно опису непрохідної кротової нори між ними.

Виходить, що квантова заплутаність може викликати самі зміни в геометрії простору-часу, що і гравітація. Можливо, це відкриє шлях до побудови теорії квантової гравітації, якої не вистачає для створення єдиної теорії поля.

Квантова заплутаність

Квантова заплутаність є основою таких майбутніх технологій, як квантовий комп'ютер та квантова криптографія, а також вона була використана в дослідах квантової телепортації. У теоретичному та філософському плані дане явище є однією з найбільш революційних властивостей квантової теорії, оскільки можна бачити, що кореляції, передбачувані квантовою механікою, абсолютно несумісні з уявленнями про, здавалося б, очевидну локальність реального світу, при якій інформація про стан системи може передаватися лише у вигляді її найближчого оточення. Різні погляди на те, що насправді відбувається під час процесу квантово-механічного заплутування, ведуть до різних інтерпретацій квантової механіки.

Історія питання

У 1935 р. Ейнштейн, Подільський і Розен сформулювали знаменитий Парадокс Ейнштейна – Подільського – Розена, який показав, що через зв'язність квантова механіка стає нелокальною теорією. Відомо, як Ейнштейн висміював зв'язність, називаючи його «кошмарною дальнодією. Природно нелокальна зв'язність спростовувала постулат ТО про граничну швидкість світла (передача сигналу).

З іншого боку, квантова механіка добре зарекомендувала себе у прогнозі експериментальних результатів, і практично спостерігалися навіть сильні кореляції, що відбуваються завдяки феномену заплутування. Є спосіб, який дозволяє, начебто, успішно пояснити квантове заплутування - підхід «теорії прихованих параметрів» у якому за кореляції відповідають певні, але невідомі мікроскопічні параметри. Однак, в 1964 р. Дж. С. Белл показав, що «хорошу» локальну теорію таким чином побудувати все одно не вдасться, тобто, заплутування, яке передбачає квантова механіка, можна експериментально відрізнити від результатів, що передбачаються широким класом теорій з локальними прихованими параметрами . Результати подальших експериментів дали приголомшливе підтвердження квантової механіки. Деякі перевірки показують, що у цих експериментах є низка вузьких місць, але загальновизнано, що вони несуттєві.

Зв'язність призводить до цікавих взаємин із принципом відносності, який стверджує, що інформація не може переноситися з місця на місце швидше, ніж зі швидкістю світла. Хоча дві системи можуть бути розділені великою відстанню і бути при цьому заплутаними, передати через їхній зв'язок корисну інформацію неможливо, тому причинність не порушується через заплутаність. Це відбувається з двох причин:
1. результати вимірів у квантової механіки носять принципово імовірнісний характер;
2. теорема про клонування квантового стану забороняє статистичну перевірку заплутаних станів.

Причини впливу частинок

У нашому світі існують особливі стани кількох квантових частинок - заплутані стани, у яких спостерігаються квантові кореляції (взагалі, кореляція - це взаємозв'язок між подіями вище за рівень випадкових збігів). Ці кореляції можна виявити експериментально, що було зроблено вперше понад двадцять років тому і зараз рутинно використовується в різноманітних експериментах. У класичному (тобто неквантовому) світі існує два типи кореляцій - коли одна подія є причиною іншого або коли у них обох є загальна причина. У квантовій теорії виникає третій тип кореляцій, пов'язаний із нелокальними властивостями заплутаних станів кількох частинок. Цей третій тип кореляцій важко уявити, користуючись звичними побутовими аналогіями. А може, ці квантові кореляції є результатом якоїсь нової, невідомої досі взаємодії, завдяки якій заплутані частинки (і тільки вони!) впливають одна на одну?

Відразу варто наголосити на «ненормальності» такої гіпотетичної взаємодії. Квантові кореляції спостерігаються, навіть якщо детектування двох рознесених на велику відстань частинок відбувається одночасно (у межах похибок експерименту). Значить, якщо така взаємодія і має місце, вона повинна поширюватися в лабораторній системі відліку надзвичайно швидко, з надсвітловою швидкістю. А з цього неминуче випливає, що в інших системах відліку ця взаємодія буде миттєвою і навіть діятиме з майбутнього в минуле (щоправда, не порушуючи принцип причинності).

Суть експерименту

Геометрія експерименту. Пари заплутаних фотонів породжувалися в Женеві, потім фотони посилалися вздовж оптоволоконних кабелів однакової довжини (позначені червоним кольором) у два приймачі (позначені літерами APD), віддаленими один від одного на 18 км. Зображення з статті, що обговорюється в Nature

Ідея експерименту полягає в наступному: створимо два заплутані фотони і відправимо їх у два детектори, віддалених якнайдалі один від одного (в описуваному експерименті відстань між двома детекторами було 18 км). При цьому шляхи фотонів до детекторів зробимо по можливості однаковими, щоб моменти їх детектування були максимально близькими. У роботі моменти детектування збігалися з точністю приблизно 0,3 наносекунди. Квантові кореляції в цих умовах, як і раніше, спостерігалися. Значить, якщо припустити, що вони «працюють» за рахунок описаної вище взаємодії, його швидкість повинна перевищувати швидкість світла в сотню тисяч разів.
Такий експеримент насправді проводився цією ж групою і раніше. Новизна цієї роботи лише тому, що експеримент тривав довго. Квантові кореляції спостерігалися безперервно і зникали жодного часу доби.
Чому це важливо? Якщо гіпотетичну взаємодію переноситься деяким середовищем, то в цьому середовищі буде виділена система відліку. Через обертання Землі лабораторна система відліку рухається щодо цієї системи з різною швидкістю. Це означає, що проміжок часу між двома подіями детектування двох фотонів буде для цього середовища постійно різним, залежно від часу доби. Зокрема, буде і такий момент, коли ці дві події для цього середовища здаватимуться одночасними. (Тут, до речі, використовується той факт з теорії відносності, що дві одночасні події будуть одночасними у всіх інерційних системах відліку, що рухаються перпендикулярно до їхньої лінії).

Якщо квантові кореляції здійснюються за рахунок описаної вище гіпотетичної взаємодії і якщо швидкість цієї взаємодії кінцева (нехай і скільки завгодно велика), то в цей момент кореляції зникли б. Тому безперервне спостереження кореляцій протягом доби повністю закрило цю можливість. А повторення такого експерименту в різні пори року закрило б цю гіпотезу навіть із нескінченно швидкою взаємодією у своїй виділеній системі відліку.

На жаль, цього досягти не вдалося через неідеальність експерименту. У цьому експерименті для того, щоб сказати, що кореляції дійсно спостерігаються, потрібно накопичувати сигнал протягом декількох хвилин. Зникнення кореляцій, наприклад, на 1 секунду, цей експеримент не зміг би помітити. Саме тому автори не змогли повністю закрити гіпотетичну взаємодію, а лише отримали обмеження на швидкість її поширення у своїй виділеній системі відліку, що, звісно, ​​сильно знижує цінність отриманого результату.

А може бути...?

Читач може запитати: а якщо все ж таки описана вище гіпотетична можливість реалізується, але просто експеримент через свою неідеальність її переглянув, то чи означає це, що теорія відносності неправильна? Чи можна використовувати цей ефект для надсвітлової передачі або навіть для переміщення в просторі?

Ні. Описана вище гіпотетична взаємодія з побудови є єдиною метою - це ті «шестерні», які змушують «працювати» квантові кореляції. Але вже доведено, що за допомогою квантових кореляцій неможливо передати інформацію швидше за швидкість світла. Тому хоч би яким був механізм квантових кореляцій, порушити теорію відносності не може.
© Ігор Іванов

Див. Торсіонні поля.
Основи Тонкого Світу - фізичний вакуум та торсіонні поля. 4.

Квантова заплутаність.

Copyright © 2015 Любов безумовна