Kvantumösszefonódás - emberi testek - önismeret - cikkkatalógus - feltétel nélküli szeretet. Mi az a kvantumösszefonódás? A kvantumösszefonódás jelensége

Fordítás

A kvantumösszefonódás a tudomány egyik legösszetettebb fogalma, de alapelvei egyszerűek. És ha egyszer megértjük, az összefonódás megnyitja az utat az olyan fogalmak jobb megértéséhez, mint például a kvantumelmélet számos világa.

A titokzatosság varázslatos aurája veszi körül a kvantumösszefonódás fogalmát, valamint (valahogy) a kvantumelmélet kapcsolódó követelményét, miszerint „sok világnak” kell lennie. És mégis, lényegükben ezek földhözragadt jelentéssel és konkrét alkalmazásokkal rendelkező tudományos ötletek. Szeretném az összefonódás fogalmát és sok világot olyan egyszerűen és világosan elmagyarázni, ahogy én ismerem őket.

én

Az összefonódásról azt gondolják, hogy a kvantummechanika egyedülálló jelensége – de nem az. Valójában érthetőbb lehet azzal kezdeni (bár ez szokatlan megközelítés), ha az összefonódás egyszerű, nem kvantum (klasszikus) változatát vizsgáljuk. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy elkülönítsük az összefonódással kapcsolatos finomságokat a kvantumelmélet egyéb furcsaságaitól.

Az összefonódás olyan helyzetekben fordul elő, amikor részleges információval rendelkezünk két rendszer állapotáról. Például két objektum válhat rendszerünkké – nevezzük őket kaonoknak. A "K" a "klasszikus" objektumokat jelenti. De ha tényleg valami konkrétat és kellemeset szeretne elképzelni, képzelje el, hogy ezek torták.

A kaonjainknak két alakja lesz, négyzet vagy kerek, és ezek a formák jelzik lehetséges állapotukat. Ekkor a két kaon négy lehetséges együttes állapota a következő lesz: (négyzet, négyzet), (négyzet, kör), (kör, négyzet), (kör, kör). A táblázat megmutatja annak valószínűségét, hogy a rendszer a felsorolt négy állapot valamelyikébe kerül.

Azt mondjuk, hogy a kaonok „függetlenek”, ha az egyik állapotáról való tudás nem ad információt a másik állapotáról. És ennek az asztalnak van egy ilyen tulajdonsága. Ha az első kaon (torta) négyzet alakú, még mindig nem ismerjük a második alakját. Ezzel szemben a második formája semmit sem mond el az első alakjáról.

Másrészt azt fogjuk mondani, hogy két kaon összegabalyodik, ha az egyikről szóló információ javítja a másikkal kapcsolatos ismereteinket. A második tabletta erős zűrzavart fog mutatni. Ebben az esetben, ha az első kaon kerek, akkor tudni fogjuk, hogy a második is kerek. És ha az első kaon négyzet alakú, akkor a második is ugyanaz lesz. Az egyik alakjának ismeretében egyértelműen meghatározhatjuk a másik alakját.

Az összefonódás kvantumváltozata lényegében ugyanúgy néz ki – ez a függetlenség hiánya. A kvantumelméletben az állapotokat hullámfüggvényeknek nevezett matematikai objektumok írják le. A hullámfüggvényeket fizikai lehetőségekkel kombináló szabályok nagyon érdekes bonyodalmakat eredményeznek, amelyekről később még szó lesz, de az összefonódott tudás alapkoncepciója, amelyet a klasszikus esetre bemutattunk, ugyanaz marad.

Bár a brownie-k nem tekinthetők kvantumrendszereknek, a kvantumrendszerekbe való belegabalyodás természetesen előfordul, például részecskeütközések után. A gyakorlatban a független (független) állapotok ritka kivételnek tekinthetők, mivel a rendszerek interakciója során összefüggések keletkeznek közöttük.

Vegyük például a molekulákat. Alrendszerekből állnak - konkrétan elektronokból és atommagokból. A molekula minimális energiaállapota, amelyben általában létezik, az elektronok és az atommag erősen összefonódott állapota, mivel ezen alkotórészecskék elrendezése semmilyen módon nem lesz független. Amikor az atommag mozog, az elektron együtt mozog vele.

Térjünk vissza példánkhoz. Ha Φ■, Φ● hullámfüggvényként írjuk le az 1-es rendszert annak négyzetes vagy kerek állapotában, és ψ■, ψ●-ot a 2-es rendszert négyzetes vagy kerek állapotban leíró hullámfüggvényeknek, akkor munkapéldánkban minden állapot leírható , Hogyan:

Független: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Összegabalyodott: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

A független változat a következőképpen is írható:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Figyeljük meg, hogy az utóbbi esetben a zárójelek egyértelműen szétválasztják az első és a második rendszert egymástól független részekre.

Számos módja van az összefonódott állapotok létrehozásának. Az egyik egy olyan összetett rendszer mérése, amely részinformációkat ad. Megtanulhatjuk például, hogy két rendszer megegyezett abban, hogy azonos formájú, anélkül, hogy tudná, melyik formát választotta. Ez a fogalom egy kicsit később válik fontossá.

A kvantumösszefonódás gyakoribb hatásai, mint például az Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) és a Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) hatások a kvantumelmélet egy másik tulajdonságával, a komplementaritás elvével való kölcsönhatásból erednek. Az EPR és a GHZ megvitatásához először engedjék meg, hogy bemutassam Önnek ezt az elvet.

Eddig azt képzeltük, hogy a kaonok kétféle formában vannak (négyzet és kerek). Most képzeljük el, hogy két színben is kaphatók - piros és kék. Figyelembe véve a klasszikus rendszereket, például a tortákat, ez a további tulajdonság azt jelentené, hogy a kaon négy lehetséges állapot egyikében létezhet: piros négyzet, piros kör, kék négyzet és kék kör.

De a kvantumtorták kvantonok... Vagy kvantonok... Teljesen másképp viselkednek. Az a tény, hogy egy kvantonnak bizonyos helyzetekben különböző alakja és színe lehet, nem feltétlenül jelenti azt, hogy egyszerre van alakja és színe is. Valójában az a józan ész, amelyet Einstein megkövetelt a fizikai valóságtól, nem felel meg a kísérleti tényeknek, amint azt hamarosan látni fogjuk.

Meg tudjuk mérni a kvanton alakját, de ezzel elveszítjük a színével kapcsolatos összes információt. Vagy megmérhetjük a színt, de elveszítjük az alakjával kapcsolatos információkat. A kvantumelmélet szerint nem tudjuk egyszerre megmérni az alakot és a színt. A kvantumvalóságról senkinek sem teljes a nézete; sok különböző és egymást kizáró képet kell figyelembe vennünk, amelyek mindegyikének megvan a maga hiányos képe a történésekről. Ez a Niels Bohr által megfogalmazott komplementaritás elvének a lényege.

Ennek eredményeként a kvantumelmélet óvatosságra kényszerít bennünket, amikor tulajdonságokat tulajdonítunk a fizikai valóságnak. Az ellentmondások elkerülése érdekében el kell ismernünk, hogy:

Egy tulajdonság nem létezik, hacsak nem mérik.
A mérés egy aktív folyamat, amely megváltoztatja a mért rendszert

II

Most két példaértékű, de nem klasszikus illusztrációt fogunk leírni a kvantumelmélet furcsaságairól. Mindkettőt szigorú kísérletekben tesztelték (valódi kísérletekben az emberek nem a torták formáját és színét mérik, hanem az elektronok szögnyomatékát).

Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen (EPR) egy meglepő hatást írt le, amely akkor következik be, amikor két kvantumrendszer összegabalyodik. Az EPR effektus a kvantumösszefonódás egy speciális, kísérletileg elérhető formáját ötvözi a komplementaritás elvével.

Egy EPR-pár két kvantonból áll, amelyek mindegyike mérhető alakban vagy színben (de nem mindkettő egyszerre). Tegyük fel, hogy sok ilyen párunk van, mindegyik egyforma, és kiválaszthatjuk, hogy milyen méréseket végzünk az összetevőiken. Ha megmérjük egy EPR-pár egyik tagjának alakját, akkor egyenlő valószínűséggel kapunk négyzetet vagy kört. Ha színt mérünk, egyforma valószínűséggel kapunk vöröset vagy kéket.

Érdekes, az EPR szempontjából paradox hatások jelentkeznek, ha a pár mindkét tagját mérjük. Amikor megmérjük mindkét tag színét vagy alakját, azt látjuk, hogy az eredmények mindig ugyanazok. Vagyis ha felfedezzük, hogy az egyik vörös, majd megmérjük a másik színét, akkor azt is felfedezzük, hogy az piros – és így tovább. Másrészt, ha az egyik alakját, a másik színét mérjük, nem figyelhető meg összefüggés. Vagyis ha az első négyzet volt, akkor a második azonos valószínűséggel lehet kék vagy piros.

A kvantumelmélet szerint akkor is ilyen eredményeket kapunk, ha a két rendszert hatalmas távolság választja el egymástól, és a méréseket szinte egyszerre végzik. Úgy tűnik, hogy az egyik helyen a mérési típus kiválasztása befolyásolja a rendszer állapotát egy másik helyen. Ez a „félelmetes cselekvés távolról”, ahogy Einstein nevezte, nyilvánvalóan a fénysebességnél gyorsabb információátvitelt – esetünkben egy méréssel kapcsolatos információt – követel meg.

De vajon az? Amíg nem tudom, milyen eredményeket ért el, nem tudom, mire számítsak. Hasznos információkat akkor kapok, ha tudom az eredményét, nem pedig amikor mérést végzel. És minden üzenetet, amely a kapott eredményt tartalmazza, valamilyen fizikai módon kell továbbítani, a fénysebességnél lassabban.

További tanulmányozással a paradoxon még jobban összeomlik. Tekintsük a második rendszer állapotát, ha az első mérése piros színt adott. Ha úgy döntünk, hogy megmérjük a második kvanton színét, vöröset kapunk. De a komplementaritás elve szerint, ha úgy döntünk, hogy megmérjük az alakját, amikor az "piros" állapotban van, akkor egyenlő esélyünk van négyzetet vagy kört kapni. Ezért az EPR eredménye logikusan előre meghatározott. Ez egyszerűen a komplementaritás elvének újrafogalmazása.

Nincs paradoxon abban, hogy a távoli események korrelálnak egymással. Hiszen ha egy párból két kesztyű közül az egyiket dobozokba rakjuk, és a bolygó különböző végeire küldjük, nem meglepő, hogy az egyik dobozba nézve megállapíthatom, hogy a másik kesztyű melyik kézre való. Ugyanígy minden esetben rögzíteni kell az EPR párok korrelációját, amikor a közelben vannak, hogy kibírják a későbbi elválasztást, mintha emlékeznének. Az EPR-paradoxon furcsasága nem magában a korreláció lehetőségében rejlik, hanem a kiegészítések formájában való megőrzésének lehetőségében.

III

Daniel Greenberger, Michael Horn és Anton Zeilinger felfedezték a kvantumösszefonódás egy másik gyönyörű példáját. Az IT magában foglalja három kvantonunkat, amelyek speciálisan előkészített összefonódott állapotban (GHZ-állapotban) vannak. Mindegyiket kiosztjuk különböző távoli kísérletezőknek. Mindegyikük önállóan és véletlenszerűen választja ki, hogy színt vagy formát mér, és rögzíti az eredményt. A kísérletet sokszor megismételjük, de mindig három kvantonnal GHZ állapotban.

Minden egyes kísérletező véletlenszerű eredményeket kap. A kvanton alakját megmérve egyenlő valószínűséggel négyzetet vagy kört kap; egy kvanton színének mérése során egyformán valószínű, hogy vörös vagy kék. Eddig minden hétköznapi.

De amikor a kísérletezők összeülnek és összehasonlítják az eredményeket, az elemzés meglepő eredményt mutat. Tegyük fel, hogy a négyzet formát és a piros színt „jónak”, a köröket és a kék színt pedig „gonosznak” nevezzük. A kísérletezők úgy találják, hogy ha ketten úgy döntenek, hogy megmérik az alakot, a harmadik pedig a színt, akkor a mérések közül 0 vagy 2 „gonosz” (azaz kerek vagy kék). De ha mindhárman úgy döntenek, hogy megmérnek egy színt, akkor az 1 vagy a 3 dimenzió rossz. Ezt jósolja a kvantummechanika, és pontosan ez történik.

Kérdés: A gonoszság mennyisége páros vagy páratlan? Mindkét lehetőség különböző dimenziókban valósul meg. El kell hagynunk ezzel a kérdéssel. Nincs értelme a rendszerben lévő gonoszság mértékéről beszélni anélkül, hogy összefüggésbe ne hozzuk a mérési módszerekkel. Ez pedig ellentmondásokhoz vezet.

A GHZ-effektus, ahogy Sidney Coleman fizikus írja le, „a kvantummechanika arculcsapása”. Lebontja azt a konvencionális, tapasztalati elvárást, hogy a fizikai rendszerek mérésüktől függetlenül előre meghatározott tulajdonságokkal rendelkeznek. Ha ez így lenne, akkor a jó és a rossz egyensúlya nem függne a mérési típusok megválasztásától. Ha egyszer elfogadod a GHZ effektus létezését, nem felejted el, és látóköröd kitágul.

IV

Egyelőre arról beszélünk, hogy az összefonódás hogyan akadályoz meg bennünket abban, hogy több kvantonhoz egyedi független állapotokat rendeljünk. Ugyanez az érvelés vonatkozik egy kvantonban az idő múlásával bekövetkező változásokra is.

„Összegabalyodott történetekről” akkor beszélünk, amikor lehetetlen, hogy egy rendszer az idő minden pillanatában hozzárendeljen egy bizonyos állapotot. Ahogyan a hagyományos összefonódásban kizárjuk a lehetőségeket, úgy összefonódó történeteket is létrehozhatunk olyan mérésekkel, amelyek részinformációkat gyűjtenek a múltbeli eseményekről. A legegyszerűbb szövevényes történetekben van egy kvantonunk, amelyet két különböző időpontban vizsgálunk. Elképzelhetünk egy olyan helyzetet, amikor megállapítjuk, hogy kvantonunk alakja mindkét alkalommal négyzet alakú volt, vagy mindkét alkalommal kerek, de mindkét helyzet lehetséges. Ez egy időbeli kvantum analógia az összefonódás korábban leírt legegyszerűbb változataival.

Egy bonyolultabb protokoll használatával egy kis plusz részletet adhatunk ehhez a rendszerhez, és olyan helyzeteket írhatunk le, amelyek kiváltják a kvantumelmélet "sok világ" tulajdonságát. Kvantonunkat piros állapotban lehet elkészíteni, majd kék színnel mérni és megkapni. És mint az előző példákban, a kvantonokhoz nem rendelhetünk tartósan a szín tulajdonságát a két dimenzió közötti intervallumban; Nincs konkrét formája. Az ilyen történetek korlátozott, de teljesen ellenőrzött és precíz módon valósítják meg a kvantummechanika sokvilágú képében rejlő intuíciót. Egy bizonyos állapot két egymásnak ellentmondó történelmi pályára osztható, amelyek aztán ismét összekapcsolódnak.

Erwin Schrödinger, a kvantumelmélet megalapozója, aki szkeptikus volt annak helyességében, hangsúlyozta, hogy a kvantumrendszerek evolúciója természetesen olyan állapotokhoz vezet, amelyek mérése rendkívül eltérő eredményeket adhat. A "Schrodinger macskájával" végzett gondolatkísérlete, mint tudjuk, kvantumbizonytalanságot feltételez, amely a macskahalandóságra gyakorolt hatás szintjére emeli. Mérés előtt lehetetlen hozzárendelni egy macskához az élet (vagy a halál) tulajdonságát. Mindkettő, vagy egyik sem, együtt létezik a lehetőségek túlvilági világában.

A mindennapi nyelvek nem alkalmasak a kvantum-komplementaritás magyarázatára, részben azért, mert a mindennapi tapasztalat nem tartalmazza azt. A gyakorlati macskák teljesen eltérő módon lépnek kapcsolatba a környező levegőmolekulákkal és más tárgyakkal, attól függően, hogy élnek vagy haltak, így a gyakorlatban a mérés automatikusan történik, és a macska tovább él (vagy nem él). De a történetek zavartan írják le a kvantonokat, amelyek Schrödinger cicái. Teljes leírásuk megköveteli, hogy a tulajdonságok két egymást kölcsönösen kizáró pályáját vegyük figyelembe.

A szövevényes történetek kontrollált kísérleti megvalósítása kényes dolog, hiszen részinformációkat igényel a kvantonokról. A hagyományos kvantummérések jellemzően az összes információt egyszerre gyűjtik össze – például pontos alakot vagy pontos színt határoznak meg – ahelyett, hogy részinformációkat többször szereznének meg. De meg lehet csinálni, bár rendkívüli technikai nehézségekkel. Ily módon a kvantumelméleti „sok világ” fogalmának egy bizonyos matematikai és kísérleti értelmet tulajdoníthatunk, és megmutathatjuk annak valóságát.

Kvantumösszefonódás

Kvantumösszefonódás Az összefonódás olyan kvantummechanikai jelenség, amelyben két vagy több objektum kvantumállapotát egymáshoz viszonyítva kell leírni, még akkor is, ha az egyes objektumok térben el vannak választva. Ennek eredményeként összefüggések keletkeznek a tárgyak megfigyelt fizikai tulajdonságai között. Például lehetséges két részecskét egyetlen kvantumállapotban előállítani úgy, hogy amikor az egyik részecskét felpörgő állapotban figyeljük meg, a másik felpörgő állapotúnak figyeljük meg, és fordítva, és ez annak ellenére. hogy a kvantummechanika előre jelezné Lehetetlen, hogy valójában milyen irányokat kapunk minden alkalommal. Más szóval, úgy tűnik, hogy az egy rendszeren végzett mérések azonnali hatást gyakorolnak azokra, akik belegabalyodnak. A klasszikus értelemben vett információ alatt azonban még mindig nem lehet a fénysebességnél gyorsabb összefonódáson keresztül továbbítani.
Korábban az eredeti „összefonódás” kifejezést fordított értelemben fordították - összefonódásnak, de a szó jelentése a kapcsolat fenntartása egy kvantumrészecske összetett életrajza után is. Tehát ha egy fizikai rendszer szövevényében volt kapcsolat két részecske között, az egyik részecskét „rángatva” meg lehetett határozni a másikat.

A kvantum-összefonódás a jövőbeli technológiák, például a kvantumszámítógép és a kvantumkriptográfia alapja, és a kvantumteleportációval kapcsolatos kísérletekben is felhasználták. Elméleti és filozófiai értelemben ez a jelenség a kvantumelmélet egyik legforradalmibb tulajdonságát képviseli, hiszen látható, hogy a kvantummechanika által megjósolt összefüggések teljesen összeegyeztethetetlenek a valós világ látszólag nyilvánvaló lokalitásáról alkotott elképzelésekkel, amelyekben információ található. a rendszer állapotáról csak a közvetlen környezetén keresztül lehet továbbítani. A kvantummechanikai összefonódás folyamata során ténylegesen zajló különböző nézetek a kvantummechanika eltérő értelmezéséhez vezetnek.

Háttér

1935-ben Einstein, Podolsky és Rosen megfogalmazta a híres Einstein-Podolsky-Rosen paradoxont, amely megmutatta, hogy a konnektivitás miatt a kvantummechanika nemlokális elméletté válik. Einstein híresen nevetségessé tette a koherenciát, és „a távoli cselekvés rémálmának” nevezte. A nem lokális kapcsolódás természetesen megcáfolta a fénysebesség (jelátvitel) korlátozására vonatkozó TO posztulátumot.

Másrészt a kvantummechanika kiváló eredményeket ért el a kísérleti eredmények előrejelzésében, sőt, még az összefonódás jelenségéből adódó erős összefüggéseket is megfigyelték. Van egy módszer, amely sikeresen magyarázza a kvantumösszefonódást – a „rejtett paraméterelmélet” megközelítés, amelyben bizonyos, de ismeretlen mikroszkopikus paraméterek felelősek az összefüggésekért. J. S. Bell azonban 1964-ben kimutatta, hogy továbbra is lehetetlen lenne ilyen módon „jó” lokális elméletet felépíteni, vagyis a kvantummechanika által megjósolt összefonódás kísérletileg megkülönböztethető az elméletek széles osztálya által előre jelzett eredményektől. helyi rejtett paraméterek. A későbbi kísérletek eredményei lenyűgöző megerősítést adtak a kvantummechanikának. Egyes ellenőrzések azt mutatják, hogy számos szűk keresztmetszet van ezekben a kísérletekben, de általánosan elfogadott, hogy ezek nem jelentősek.

A konnektivitás érdekes kapcsolathoz vezet a relativitás elvével, amely szerint az információ nem terjedhet gyorsabban egyik helyről a másikra, mint a fénysebesség. Bár két rendszer nagy távolságra elválasztható egymástól és összegabalyodhat, kapcsolatukon nem lehet hasznos információkat továbbítani, így az ok-okozati összefüggést az összefonódás nem sérti. Ez két okból történik:
1. a kvantummechanikai mérések eredményei alapvetően valószínűségi jellegűek;
2. A kvantumállapot klónozási tétel tiltja az összefonódott állapotok statisztikai tesztelését.

A részecskék hatásának okai

Világunkban számos kvantumrészecske speciális állapota létezik - összefonódott állapotok, amelyekben kvantumkorreláció figyelhető meg (általában a korreláció a véletlen egybeesések szintje feletti események közötti kapcsolat). Ezek az összefüggések kísérletileg kimutathatók, amit először több mint húsz éve végeztek el, és ma már rutinszerűen alkalmazzák számos kísérletben. A klasszikus (vagyis a nem kvantum) világban kétféle összefüggés létezik - amikor az egyik esemény okoz egy másikat, vagy amikor mindkettőnek közös oka van. A kvantumelméletben egy harmadik típusú korreláció keletkezik, amely több részecske összefonódott állapotának nemlokális tulajdonságaihoz kapcsolódik. Ez a harmadik típusú összefüggés nehezen képzelhető el ismerős mindennapi analógiákkal. Vagy talán ezek a kvantumkorrelációk valamilyen új, eddig ismeretlen kölcsönhatás eredménye, aminek köszönhetően az összegabalyodott részecskék (és csakis ők!) hatnak egymásra?

Azonnal érdemes hangsúlyozni egy ilyen hipotetikus interakció „abnormálisságát”. Kvantumkorreláció figyelhető meg akkor is, ha két nagy távolságra elválasztott részecske detektálása egyszerre történik (a kísérleti hiba határain belül). Ez azt jelenti, hogy ha ilyen kölcsönhatás történik, akkor annak rendkívül gyorsan kell terjednie a laboratóriumi vonatkoztatási rendszerben, szuperluminális sebességgel. Ebből pedig óhatatlanul az következik, hogy más referenciarendszerekben ez a kölcsönhatás általában azonnali, sőt a jövőből a múltba hat (bár az oksági elv megsértése nélkül).

A kísérlet lényege

A kísérlet geometriája. Genfben összegabalyodott fotonpárokat állítottak elő, majd a fotonokat egyenlő hosszúságú (pirossal jelölt) optikai kábeleken juttatták el két, egymástól 18 km távolságra lévő (APD betűkkel jelölt) vevőhöz. Kép a tárgyalt Nature cikkből

A kísérlet gondolata a következő: létrehozunk két összegabalyodott fotont, és két detektorba küldjük, egymástól a lehető legtávolabb (a leírt kísérletben a két detektor közötti távolság 18 km volt). Ebben az esetben a fotonok útját a detektorokhoz a lehető legazonosabbá tesszük, hogy az észlelésük pillanatai a lehető legközelebb legyenek. Ebben a munkában a detektálási pillanatok körülbelül 0,3 nanoszekundumos pontossággal estek egybe. Ilyen körülmények között is kvantumkorrelációkat figyeltek meg. Ez azt jelenti, hogy ha feltételezzük, hogy a fent leírt kölcsönhatás miatt „működnek”, akkor sebességük százezerszeresen haladja meg a fénysebességet.
Egy ilyen kísérletet valójában ugyanaz a csoport végzett korábban. A munka egyetlen újdonsága, hogy a kísérlet hosszú ideig tartott. A kvantumkorrelációkat folyamatosan figyelték meg, és nem tűntek el a nap bármely szakában.
Miért fontos? Ha egy hipotetikus interakciót valamilyen médium hordoz, akkor ennek a médiumnak lesz egy dedikált referenciakerete. A Föld forgása miatt a laboratóriumi vonatkoztatási rendszer ehhez a vonatkoztatási rendszerhez képest eltérő sebességgel mozog. Ez azt jelenti, hogy a két foton észlelésének két eseménye közötti időintervallum ennél a közegnél mindig eltérő lesz, a napszaktól függően. Különösen lesz olyan pillanat, amikor ez a két esemény ebben a környezetben egyidejűnek tűnik. (Itt egyébként a relativitáselméletből azt a tényt használjuk, hogy két egyidejű esemény egyidejű lesz minden, az őket összekötő egyenesre merőlegesen mozgó tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben).

Ha a fent leírt hipotetikus kölcsönhatás miatt kvantumkorrelációkat hajtunk végre, és ennek a kölcsönhatásnak a sebessége véges (akár tetszőlegesen nagy), akkor ebben a pillanatban a korrelációk eltűnnének. Ezért az összefüggések folyamatos megfigyelése a nap folyamán teljesen bezárná ezt a lehetőséget. És egy ilyen kísérlet megismétlése az év különböző időszakaiban lezárná ezt a hipotézist, még akkor is, ha végtelenül gyors interakcióval rendelkezik a saját dedikált referenciakeretében.

Sajnos ez a kísérlet tökéletlensége miatt nem valósult meg. Ebben a kísérletben több percnyi jel felhalmozódása szükséges ahhoz, hogy azt mondjuk, valóban korrelációkat figyeltek meg. A korrelációk eltűnését például 1 másodpercre ez a kísérlet nem tudta észrevenni. Éppen ezért a szerzők nem tudták teljesen lezárni a hipotetikus kölcsönhatást, csak terjedésének sebességére kaptak határt a kiválasztott referenciakeretben, ami természetesen nagymértékben csökkenti a kapott eredmény értékét.

Talán...?

Az olvasó felteheti a kérdést: ha a fent leírt hipotetikus lehetőség mégis megvalósul, de a kísérlet tökéletlensége miatt egyszerűen figyelmen kívül hagyta, akkor ez azt jelenti, hogy a relativitáselmélet helytelen? Használható-e ez a hatás szuperluminális információtovábbításra vagy akár térbeli mozgásra?

Nem. A fent leírt hipotetikus kölcsönhatás egyetlen célt szolgál – ezek azok a „fogaskerekek”, amelyek a kvantumkorrelációkat „működővé teszik”. De már bebizonyosodott, hogy kvantumkorrelációk segítségével lehetetlen a fénysebességnél gyorsabb információt továbbítani. Ezért bármilyen is legyen a kvantumkorrelációk mechanizmusa, nem sértheti meg a relativitáselméletet.
© Igor Ivanov

Lásd: Torziós mezők.
A Finom Világ alapjai a fizikai vákuum és torziós mezők. 4.

Kvantumösszefonódás.

Sok népszerű cikk szól a kvantumösszefonódásról. A kvantumösszefonódással kapcsolatos kísérletek nagyon lenyűgözőek, de nem kaptak díjat. Miért érdekesek az ilyen kísérletek az átlagember számára, nem érdeklik a tudósokat? A népszerű cikkek az összegabalyodott részecskék párjainak csodálatos tulajdonságairól beszélnek - az egyikre gyakorolt hatás azonnali változáshoz vezet a második állapotában. És mi rejtőzik a „kvantum teleportáció” kifejezés mögött, amelyről már kezdték mondani, hogy szuperluminális sebességgel megy végbe. Nézzük mindezt a normál kvantummechanika szemszögéből.

Ami a kvantummechanikából származik

A kvantumrészecskék kétféle állapotban lehetnek, Landau és Lifshitz klasszikus tankönyve szerint - tiszta és kevert. Ha egy részecske nem lép kölcsönhatásba más kvantumrészecskékkel, azt egy hullámfüggvény írja le, amely csak a koordinátáitól vagy a momentumától függ – ezt az állapotot nevezzük tisztának. Ebben az esetben a hullámfüggvény engedelmeskedik a Schrödinger-egyenletnek. Egy másik lehetőség is lehetséges - a részecske kölcsönhatásba lép más kvantumrészecskékkel. Ebben az esetben a hullámfüggvény a kölcsönható részecskék teljes rendszerére vonatkozik, és minden dinamikus változójuktól függ. Ha csak egy részecskére vagyunk kíváncsiak, akkor annak állapota, ahogyan Landau 90 évvel ezelőtt kimutatta, leírható egy mátrix- vagy sűrűségoperátorral. A sűrűségmátrix a Schrödinger-egyenlethez hasonló egyenletnek engedelmeskedik

Hol van a sűrűségmátrix, H a Hamilton-operátor, a zárójelek pedig a kommutátort jelölik.

Landau kihozta. Egy adott részecskéhez kapcsolódó bármilyen fizikai mennyiség kifejezhető a sűrűségmátrixon keresztül. Ezt az állapotot vegyesnek nevezik. Ha van egy kölcsönható részecskék rendszere, akkor mindegyik részecske kevert állapotban van. Ha a részecskék nagy távolságokra szétszóródnak, és a kölcsönhatás megszűnik, állapotuk továbbra is kevert marad. Ha több részecske mindegyike tiszta állapotban van, akkor egy ilyen rendszer hullámfüggvénye az egyes részecskék hullámfüggvényeinek szorzata (ha a részecskék különbözőek. Azonos részecskék, bozonok vagy fermionok esetében szükséges a alkoss szimmetrikus vagy antiszimmetrikus kombinációt, lásd, de erről majd később.A részecskék, fermionok és bozonok azonossága már relativisztikus kvantumelmélet.

A részecskepár összegabalyodott állapota olyan állapot, amelyben a különböző részecskékhez tartozó fizikai mennyiségek között állandó korreláció áll fenn. Egy egyszerű és leggyakoribb példa az, hogy egy bizonyos teljes fizikai mennyiség megmarad, például egy pár teljes spinje vagy szögimpulzusa. Ebben az esetben egy pár részecske tiszta állapotban van, de a részecskék mindegyike kevert állapotban van. Úgy tűnhet, hogy az egyik részecske állapotának változása azonnal hatással lesz egy másik részecske állapotára. Még akkor is, ha távol vannak szétszórva, és nem lépnek kölcsönhatásba, ezt fejezik ki a népszerű cikkek. Ezt a jelenséget már kvantumteleportációnak is nevezték, sőt egyes írástudatlan újságírók azt állítják, hogy a változás azonnal megtörténik, vagyis a fénysebességnél gyorsabban terjed.

Tekintsük ezt a kvantummechanika szemszögéből: először is minden olyan becsapódás vagy mérés, amely csak egy részecske spinjét vagy szögimpulzusát változtatja meg, azonnal megsérti a teljes karakterisztika megmaradásának törvényét. A megfelelő kezelő nem tud ingázni teljes spinnel vagy teljes szögimpulzussal. Így egy részecskepár állapotának kezdeti összefonódása megszakad. A második részecske spinje vagy impulzusa már nem köthető egyértelműen az első részecske spinje vagy impulzusa. Megnézhetjük ezt a problémát más oldalról is. A részecskék közötti kölcsönhatás megszűnése után az egyes részecskék sűrűségmátrixának alakulását saját egyenlete írja le, amelyben a másik részecske dinamikus változói nem szerepelnek. Ezért az egyik részecskére gyakorolt hatás nem fogja megváltoztatni a másik részecske sűrűségi mátrixát.

Létezik még Eberhard tétel is, amely szerint két részecske kölcsönös befolyása mérésekkel nem mutatható ki. Legyen egy kvantumrendszer, amelyet egy sűrűségmátrix ír le. És álljon ez a rendszer két A és B alrendszerből. Eberhard tétele kimondja, hogy a csak az A alrendszerhez kapcsolódó megfigyelhető adatok mérése nem befolyásolja a csak a B alrendszerhez kapcsolódó megfigyelések mérési eredményét. A tétel bizonyítása azonban a hullámredukciós hipotézist egy olyan függvényt használja, amelyet sem elméletileg, sem kísérletileg nem igazoltak. Mindezek az érvek azonban a nem relativisztikus kvantummechanika keretein belül hangzottak el, és különböző, nem azonos részecskékre vonatkoznak.

Ezek az érvek nem működnek a relativisztikus elméletben egy pár azonos részecske esetén. Hadd emlékeztesselek még egyszer arra, hogy a részecskék azonossága vagy megkülönböztethetetlensége a relativisztikus kvantummechanikából származik, ahol a részecskék száma nem konzervált. A lassú részecskék esetében azonban a nem relativisztikus kvantummechanika egyszerűbb berendezését is használhatjuk, pusztán azáltal, hogy lehetővé tesszük a részecskék megkülönböztethetetlenségét. Ekkor a pár hullámfüggvényének szimmetrikusnak (bozonoknál) vagy antiszimmetrikusnak (fermionoknál) kell lennie a részecskék permutációja tekintetében. Ez a követelmény a relativisztikus elméletben a részecskesebességtől függetlenül felmerül. Ez a követelmény vezet hosszú távú korrelációkhoz az azonos részecskepárok között. Elvileg egy proton és egy elektron is lehet összegabalyodott állapotban. Ha azonban több tíz angströmnyivel eltérnek, akkor az elektromágneses mezőkkel és más részecskékkel való kölcsönhatás tönkreteszi ezt az állapotot. A cserekölcsönhatás (ahogy ezt a jelenséget nevezik) makroszkopikus távolságokban működik, amint azt a kísérletek mutatják. Egy pár részecske, még akkor is, ha méterenként választja el egymástól, megkülönböztethetetlen marad. Ha mérést végez, akkor nem tudja pontosan, hogy a mért érték melyik részecskéhez tartozik. Egyszerre pár részecskén végez méréseket. Ezért minden látványos kísérletet pontosan ugyanazokkal a részecskékkel - elektronokkal és fotonokkal - végeztek. Szigorúan véve ez nem éppen az a kusza állapot, amelyet a nem-relativisztikus kvantummechanika keretein belül tekintenek, hanem valami hasonló.

Tekintsük a legegyszerűbb esetet - egy pár azonos, nem kölcsönható részecskét. Ha a sebességek kicsik, akkor nemrelativisztikus kvantummechanikát alkalmazhatunk, figyelembe véve a hullámfüggvény szimmetriáját a részecskék permutációjához képest. Legyen az első részecske hullámfüggvénye , a második részecske - , ahol és az első és a második részecske dinamikus változói, legegyszerűbb esetben csak koordináták. Ezután a pár hullámfüggvénye

A + és – jelek bozonokra és fermionokra utalnak. Tegyük fel, hogy a részecskék távol vannak egymástól. Ezután az 1. és 2. távoli régiókban lokalizálódnak, vagyis ezeken a régiókon kívül kicsik. Próbáljuk meg kiszámítani az első részecske valamely változójának, például koordinátáinak átlagértékét. Az egyszerűség kedvéért elképzelhetjük, hogy a hullámfüggvények csak koordinátákat tartalmaznak. Kiderült, hogy az 1. részecske koordinátáinak átlagértéke az 1. és 2. tartomány KÖZÖTT van, és egybeesik a 2. részecske átlagértékével. Ez tulajdonképpen természetes – a részecskék megkülönböztethetetlenek, nem tudhatjuk, hogy melyik részecskén mérik a koordinátákat. . Általában az 1. és 2. részecskék összes átlagértéke megegyezik. Ez azt jelenti, hogy az 1. részecske lokalizációs tartományának mozgatásával (például a részecske a kristályrács egy hibáján belül helyezkedik el, mi pedig a teljes kristályt mozgatjuk) befolyásoljuk a 2. részecskét, bár a részecskék a szokásos értelemben nem lépnek kölcsönhatásba. - például elektromágneses mezőn keresztül. Ez a relativisztikus összefonódás egyszerű példája.

A két részecske közötti összefüggések miatt nem történik azonnali információátadás. A relativisztikus kvantumelmélet apparátusát kezdetben úgy építették fel, hogy a téridőben a fénykúp ellentétes oldalán elhelyezkedő események ne befolyásolják egymást. Egyszerűen fogalmazva: semmilyen jel, semmilyen befolyás vagy zavar nem tud gyorsabban haladni, mint a fény. Mindkét részecske valójában ugyanannak a mezőnek az állapota, például az elektron-pozitron. Ha a mezőt egy ponton (1. részecske) befolyásoljuk, olyan zavart hozunk létre, amely hullámokként terjed a vízen. A nem relativisztikus kvantummechanikában a fénysebességet végtelenül nagynak tekintik, ami a pillanatnyi változás illúzióját kelti.

Az a helyzet, amikor a nagy távolságra elválasztott részecskék párokba kötve maradnak, paradoxnak tűnik a részecskékre vonatkozó klasszikus elképzelések miatt. Emlékeznünk kell arra, hogy valójában nem részecskék léteznek, hanem mezők. Amit részecskéknek gondolunk, azok egyszerűen e mezők állapotai. A részecskék klasszikus elképzelése teljesen alkalmatlan a mikrovilágban. Azonnal kérdések merülnek fel az elemi részecskék méretével, alakjával, anyagával és szerkezetével kapcsolatban. Valójában a klasszikus gondolkodás számára paradox helyzetek is felmerülnek egy részecskével. Például a Stern-Gerlach kísérletben egy hidrogénatom a sebességre merőlegesen irányított, nem egyenletes mágneses téren repül át. A magspin a magmagneton kicsinysége miatt elhanyagolható, még akkor is, ha az elektronspin kezdetben a sebesség mentén irányul.

Egy atom hullámfüggvényének alakulását nem nehéz kiszámítani. A kezdeti lokalizált hullámcsomag két egyforma részre szakad, szimmetrikusan, az eredeti irányhoz képest szögben repülve. Vagyis egy atom, egy nehéz részecske, amelyet általában klasszikusnak tekintenek klasszikus pályával, két hullámcsomagra szakadnak, amelyek meglehetősen makroszkopikus távolságokra képesek szétrepülni. Ugyanakkor megjegyzem, hogy a számításból az következik, hogy még az ideális Stern-Gerlach kísérlet sem képes a részecske spinjét megmérni.

Ha a detektor például kémiailag megköt egy hidrogénatomot, akkor a „felet” - két szórt hullámcsomagot - egybe gyűjtik. Az, hogy egy elkenődött részecske ilyen lokalizációja hogyan történik, egy külön elmélet, amit nem értek. Az érdeklődők széleskörű irodalmat találhatnak a témában.

Következtetés

Felmerül a kérdés: mit jelent számos olyan kísérlet, amely nagy távolságra lévő részecskék közötti összefüggéseket demonstrálja? A kvantummechanika megerősítése mellett, amiben egy normális fizikus sem kételkedett, ez egy látványos demonstráció, amely lenyűgözi a közvéleményt és a tudományra pénzeszközöket osztó amatőr tisztviselőket (például a kvantumkommunikációs vonalak fejlesztését a Gazprombank támogatja). A fizika számára ezek a drága demonstrációk semmit nem hoznak, bár kísérleti technikák fejlesztését teszik lehetővé.

Irodalom
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Kvantummechanika (nem relativisztikus elmélet). - 3. kiadás, átdolgozva és bővítve. - M.: Nauka, 1974. - 752 p. - („Elméleti fizika”, III. kötet).
2. Eberhard, P.H., „Bell-tétel és a nem lokalitás különböző fogalmai”, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

Segíthetsz és utalhatsz át pénzt az oldal fejlesztésére

Ami a kvantummechanikából származik

Hol van a sűrűségmátrix, H a Hamilton-operátor, a zárójelek pedig a kommutátort jelölik.

Következtetés

Az elmúlt másfél évszázadban jelentős ugrás történt az emberiség fejlődésében, különösen az alapvető fizika területén. Mielőtt a tudósoknak idejük lett volna belemerülniük az atom fizikájába, az atomerőműveket már elkezdték építeni; Az Einstein által végrehajtott tudományos forradalom hamarosan a teljes globalizációhoz vezetett, több mint ezer műhold kering a Föld körül. Rengeteg példa van, de még mindig sok a megoldatlan probléma és megmagyarázhatatlan jelenség. Az egyik ilyen jelenség a kvantumfolyamatok mikrokozmoszában rejtőzik, nevezetesen a kvantumösszefonódás. Mi ez, miért fontos és milyen kutatásokat végeznek a probléma megoldására - ebben a cikkben megvitatjuk.

Először is definiáljuk a „kvantumösszefonódás” fogalmát. A mikrokozmoszban lévő objektumról minden információt egy bizonyos absztrakt (matematikai) állapot ír le, amely magában foglalja például egy adott térfogatban lévő részecske észlelésének valószínűségét, a részecske lendületét, töltését vagy spinjét stb. Egy ilyen „állapot” fizikai egyenletekkel írható le, amelyek absztrakciójuk és összetettségük ellenére még mindig képesek megjósolni a kísérletek eredményeit.

A kvantumösszefonódás olyan jelenség, amikor két vagy több részecske kvantumállapotai összekapcsolódnak. Vagyis az egyik részecske állapotának meghatározásával megjósolható egy másik részecske bizonyos jellemzői. Figyelemre méltó, hogy az egyik részecske valamely paraméterének változása egy másik részecske valamely paraméterének megváltozásához vezet, függetlenül a távolságtól.

Ellentmondás a „helyesség elvével”

Amint Einstein munkáiból ismeretes, a természetben létezik az úgynevezett lokalitás elve, amely szerint a testek közötti kölcsönhatás nem léphet fel azonnal, hanem egy közvetítőn keresztül továbbítódik. Ennek a kölcsönhatásnak az átviteli sebessége nem haladhatja meg a fény sebességét vákuumban. Ugyanakkor, mint korábban említettük, a kvantumösszefonódás hatalmas távolságokra figyelhető meg „azonnali információátadással”, ami a lokalitás elvének közvetlen megsértését jelenti.

Einstein, Niels Bohr és a kvantummechanika

1927-ben Brüsszelben került sor az ötödik Solvay-kongresszusra – egy nemzetközi konferenciára a fizika és a kémia területén aktuális problémákról. Az egyik megbeszélés a kvantummechanika úgynevezett koppenhágai értelmezéséről szólt.

Ezt az elméletet Niels Bohr és Werner Heisenberg dolgozta ki, és kijelenti a hullámfüggvény valószínűségi természetét. Annak ellenére, hogy a fizika néhány akkori problémájára, például a hullám-részecske kettősséggel kapcsolatos problémára megoldást találtak, ez az elmélet is számos kérdést vetett fel. Mindenekelőtt maga az elképzelés egy ismert impulzussal rendelkező objektumról, amelynek nincs konkrét koordinátája, hanem csak az észlelési valószínűsége egy adott ponton, ellentmond a makrovilágban szerzett élettapasztalatainknak. Ezen túlmenően ez az elmélet bizonytalanságot jelentett a részecske elhelyezkedésében a mérésig.

Albert Einstein nem tudta elfogadni ezt az értelmezést, és ennek eredményeképpen megjelent az „Isten nem kockáztat” híres mondata, amire Niels Bohr így válaszolt: „Albert, ne mondd meg Istennek, mit tegyen.” Így kezdődött egy hosszú vita Einstein és Bohr között.

Einstein válasza 1935-ben érkezett, amikor Borisz Podolszkijjal és Nathan Rosennel közösen publikált egy tanulmányt „Tekinthető-e teljesnek a fizikai valóság kvantummechanikai leírása?” címmel. Ez a cikk bemutatta az „Einstein-Podolsky-Rosen paradoxon” (EPR paradoxon) nevű gondolatkísérletet.

A kísérlet célja egy olyan alapvető kvantummechanika állítás megcáfolása volt, mint a Heisenberg-féle bizonytalansági elv, amely szerint lehetetlen egy részecske két jellemzőjét egyidejűleg mérni, ami gyakran impulzus és pozíció.

Az EPR paradoxon így hangzik. Legyen két azonos típusú részecske egy harmadik részecske bomlása következtében. Ekkor impulzusuk összege egyenlő lesz az eredeti részecske lendületével, a lendület megmaradásának törvénye szerint. Ezután az eredeti részecske lendületének ismeretében (amelyet a kísérletezők előre elkészítenek), és megmérve a második részecske lendületét, kiszámíthatja az első részecske lendületét. Vagyis a mérés eredményeként az első részecske olyan jellemzőjét kaptuk, mint az impulzus. Most megmérjük a második részecske koordinátáját, és ennek eredményeként egy részecskének két mért karakterisztikája lesz, ami egyenesen ellentmond a Heisenberg-féle bizonytalansági elvnek.

Magában a kvantummechanikában azonban vannak eszközök ennek a paradoxonnak a feloldására. A kvantumvilág törvényei szerint minden mérés a mért test jellemzőinek megváltozásához vezet. Ekkor a második részecske koordinátáinak mérése előtt valóban bekövetkezhet egy bizonyos momentum. De a koordináta mérés pillanatában a részecske állapota megváltozik, és nem lehet azt mondani, hogy ezeket a jellemzőket egyszerre mérték.

Azonban a hullám-részecske kettősség következtében, bizonyos távolságra lévén, ezeknek a feltörekvő részecskéknek egyetlen hullámfüggvénnyel leírható állapotai vannak. Ebből következik, hogy az egyik részecske lendületének mérése (és ezáltal megváltoztatása) egy másik részecske lendületének méréséhez is vezet. Sőt, e részecskék közötti távolság növelése sem tilos, ami ismét ellentmond a lokalitás elvének.

Bell-tétel

Annak az embernek, aki egész történelme során a makrokozmosz léptékében létezett, nehéz megérteni a kvantummechanika törvényeit, amelyek gyakran ellentmondanak a makrokozmosz megfigyeléseinek. Így született meg a rejtett paraméterek elmélete, amely szerint a részecskék közötti, korábban említett hosszú távú kölcsönhatást a részecskék bizonyos kezdetben rejtett paramétereinek jelenléte okozhatja. Egyszerűen fogalmazva, az egyik részecske mérése nem vezet a másik állapotának változásához, és mindkét állapot ezekkel a részecskékkel együtt keletkezett, az eredeti részecske bomlásának pillanatában. Egy ilyen intuitív magyarázat kielégítené az emberi elmét.

1964-ben John Stuart Bell megfogalmazta a később tételnek nevezett egyenlőtlenségeit, amelyek lehetővé teszik egy kísérlet elvégzését annak meghatározására, hogy bizonyos rejtett paraméterek jelen vannak-e. Vagyis ha a részecskék elválasztásuk előtt rejtett paraméterekkel rendelkeznének, akkor egy egyenlőtlenség teljesülne, és ha állapotaik összefüggenek és határozatlanok az egyik részecske mérése előtt, egy másik Bell-egyenlőtlenség érvényesülne.

1972-ben Friedman és Clauser is végzett hasonló kísérletet, és az eredmények a mérés előtti állapotok bizonytalanságára utaltak. Ezt a jelenséget azonban a tudományos közösség egyfajta kínos helyzetként fogta fel, amely előbb-utóbb megoldódik. 1981-ben azonban egy második csapást mértek a fizikai elméletre – Allen Aspe kísérletére. Ez a nagyon népszerű kísérlet lett a legújabb érv a kvantumösszefonódás és az úgynevezett „kísérteties távoli cselekvés” létezése mellett. És bár nem lehetett végleg véget vetni ennek a kérdésnek, az eredmények annyira meggyőzőek voltak, hogy a tudósoknak el kellett fogadniuk a kvantumvilág e jellemzőjét.

Kvantumösszefonódás-kutatás

Miért vetődik fel újra ez a régóta ismert téma? A tény az, hogy az elmúlt néhány évben a kvantum-összefonódáson alapuló kvantumszámítógépek területén jelentős előrelépés történt. Így 2018 márciusában a Google bejelentette a Bristlecone nevű 72 qubit-es kvantumprocesszor sikeres megalkotását, amely „kvantumfölényt” ér el. Vagyis képes olyan feladatok elvégzésére, amelyek a hagyományos számítógépek számára elérhetetlenek.

Szintén 2018 nyarán jelent meg egy tudományos munka a Nature folyóiratban, amely az első, hosszú távú memóriával rendelkező kvantumprocesszor megalkotásáról szól. Korábban, 2015-ben a Delfti Műszaki Egyetem kutatócsoportja a QUTech szervezet vezetőjével, Ronald Hansonnal együtt még meggyőzőbb bizonyítékokat mutatott be a kvantumösszefonódás létezésére.

A TU delfti kísérletről

A kísérlet, melynek eredményeit 2015-ben tették közzé, a következőképpen zajlott. A kísérlet során gyémánt lemezeket használtak, amelyekben nitrogénnel töltött üregek rácsosak voltak. Ezt a technológiát a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem és a Lawrence Berkeley National Laboratory kutatói fejlesztették ki 2010-ben. Két ilyen gyémántkristályt helyeztek el egymástól 1,3 km távolságra. Mindkét lemez mikrohullámú sugárzással és lézerrel történő besugárzása következtében ezeknek a „gyémántcsapdáknak” az elektronjai gerjesztett állapotba kerültek, és egy fotonpárt bocsátottak ki, amelyek kölcsönhatásba léptek egymással. Ennek a kölcsönhatásnak a következményeként kvantumösszefonódás keletkezett az ezeket a fotonokat kibocsátó elektronok között.

Ennek a jelenségnek a kimutatására a tudósok szinte egyidejűleg mérték különböző lemezekről származó elektronok spinjeit, ami nem tette lehetővé közöttük a fénysebességű információcserét. Azonban, mint kiderült, a két elektron spinje szinkronizált volt, ami valamilyen módon jelzi az információátvitelt, amely lehetővé teszi a fénysebesség túllépését. Természetesen az elektronok jellemzőinek meghatározásának eljárása sokkal bonyolultabb, és sok számítást és hullámfüggvényeik összehasonlítását igényelte. A kísérlet minden nehézsége ellenére 18 nap alatt 245 alkalommal került végrehajtásra, és úgy tervezték meg, hogy minden lehetséges hiba elkerülhető legyen, mind a mérőműszerekből, mind a környezetből.

A Massachusettsi Technológiai Intézetben a következő három évben végrehajtandó nagy kísérlet végül lezárja ezt a témát. A kutatócsoport azt tervezi, hogy pulzárokból származó elektromágneses sugárzást, valamint távoli galaxisokból érkező fényt gyűjt össze. Egy ilyen kísérlet elkerüli a mérőműszerek és a jelforrások közötti kapcsolatot, ezáltal kiküszöböli a rejtett paraméterek jelenlétének utolsó lehetőségét.

A QUTech fejlesztései messze túlmutattak az elméleti fizikán, és a kvantumszámítógép felé mozdultak el. Így 2012-ben több tudományos csoport kifejlesztett egy kétkbites kvantumprocesszort a fent említett kristályok alapján, 2018-ban pedig megjelent egy cikk, amelyben a kutatók az általuk megalkotott kvantumprocesszort írták le hosszú távú memóriával. A probléma egy ilyen processzor létrehozásával az volt, hogy a kvantumbitek („qubitek”) közötti kapcsolatok gyorsabban tűntek el, mint ahogy a tudósok észlelni tudták volna. Egy másik kísérlet a Delfti Műszaki Egyetemen azt mutatta, hogy az új processzornál nincs ilyen probléma.

A kutatócsoport a már említett gyémántlemezeket használta, ahol egy nitrogénatom volt „rejtve” a szénatomok között. A hely, ahol a nitrogénatom található, sajátos tulajdonságokkal rendelkezik, mintha a kristályrács ezen cellájában lenne szénatom, de egyfajta „fagyott” állapotban. Ez a megközelítés jelentősen meghosszabbítja a gyémánt kubitek élettartamát (300-500 ezredmásodperc). Ezenkívül új módszert fejlesztettek ki az elektronok „összegabalyodására” ezeken a hibapontokon.

Ez a technológia nemcsak a kvantumszámítógépek területén jelent áttörést, hanem egy lépéssel közelebb visz a kvantuminternethez is. Több egyedi kvantumszámítógép kölcsönhatása lehetővé teszi egy olyan hálózat megszervezését közöttük, amely összefonódott qubitek átvitelével működik. Az előny a sebesség: legyen k kvantumszámítógép, mindegyik n qubitből áll. Ezután egy ilyen számítógép teljes állapotának hagyományos hálózaton keresztüli továbbításához 2n bit adatra lesz szükség, míg egy kvantumhálózathoz csak n qubitre lesz szükség. Az összes számítógép közötti összefonódás egy teljes hálózat léptékében több nagyságrenddel is előnyt jelent az információátvitel sebességében.

Eredmények

Annak ellenére, hogy a kvantumvilág sok elmét izgat szerte a világon, a kvantumösszefonódás ma általánosan elfogadott jelenség, amelyet nem csak kísérletileg figyelnek meg, hanem technológiai folyamatokban is alkalmaznak. A kvantumösszefonódás további alkalmazása egészen más fejlettségi szintre emelheti az emberiséget, szuperszámítógépekkel és elképzelhetetlenül gyors internettel.