ความยุ่งเหยิงของควอนตัม - ร่างกายมนุษย์ - ความรู้ในตนเอง - แคตตาล็อกบทความ - ความรักที่ไม่มีเงื่อนไข สิ่งกีดขวางควอนตัมคืออะไร? ปรากฏการณ์พัวพันควอนตัม

การแปล

การพันกันของควอนตัมเป็นหนึ่งในแนวคิดที่ซับซ้อนที่สุดในทางวิทยาศาสตร์ แต่หลักการพื้นฐานของมันนั้นเรียบง่าย และเมื่อเข้าใจแล้ว ความพัวพันจะเปิดทางให้เข้าใจแนวคิดต่างๆ เช่น โลกต่างๆ ในทฤษฎีควอนตัมได้ดีขึ้น

รัศมีอันน่าหลงใหลของความลึกลับล้อมรอบแนวคิดเรื่องการพัวพันของควอนตัม เช่นเดียวกับข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องของทฤษฎีควอนตัมที่ว่าจะต้องมี "โลกมากมาย" อย่างไรก็ตาม แก่นแท้ของแนวคิดเหล่านี้คือแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่มีความหมายแบบติดดินและการประยุกต์ใช้เฉพาะเจาะจง ฉันอยากจะอธิบายแนวคิดเรื่องการพัวพันและโลกต่างๆ ได้ง่ายและชัดเจนเท่าที่ฉันรู้จัก

ฉัน

ความพัวพันถือเป็นปรากฏการณ์เฉพาะของกลศาสตร์ควอนตัม แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น ในความเป็นจริง อาจเป็นที่เข้าใจได้มากกว่าในการเริ่มต้น (แม้ว่านี่จะเป็นแนวทางที่ผิดปกติ) ในการพิจารณาความพัวพันในรูปแบบที่เรียบง่ายและไม่ใช่ควอนตัม (คลาสสิก) สิ่งนี้จะช่วยให้เราสามารถแยกรายละเอียดปลีกย่อยที่เกี่ยวข้องกับการพันกันเองจากความแปลกประหลาดอื่น ๆ ของทฤษฎีควอนตัม

การพัวพันเกิดขึ้นในสถานการณ์ที่เรามีข้อมูลบางส่วนเกี่ยวกับสถานะของทั้งสองระบบ ตัวอย่างเช่น วัตถุสองชิ้นสามารถกลายเป็นระบบของเราได้ เรียกมันว่า kaons ดีกว่า "K" จะย่อมาจากวัตถุ "คลาสสิก" แต่ถ้าคุณต้องการจินตนาการถึงบางสิ่งที่เป็นรูปธรรมและน่ารื่นรมย์ ลองจินตนาการว่านี่คือเค้ก

คาออนของเราจะมีรูปร่างสองแบบ สี่เหลี่ยมหรือกลม และรูปทรงเหล่านี้จะบ่งบอกถึงสถานะที่เป็นไปได้ จากนั้นสถานะร่วมที่เป็นไปได้ทั้งสี่ของคานทั้งสองจะเป็น: (สี่เหลี่ยมจัตุรัส, สี่เหลี่ยมจัตุรัส), (สี่เหลี่ยมจัตุรัส, วงกลม), (วงกลม, สี่เหลี่ยมจัตุรัส), (วงกลม, วงกลม) ตารางแสดงความน่าจะเป็นที่ระบบจะอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสี่สถานะที่ระบุไว้

เราจะบอกว่าคานนั้น "เป็นอิสระ" หากความรู้เกี่ยวกับสถานะของอันหนึ่งไม่ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของอีกอันแก่เรา และตารางนี้ก็มีคุณสมบัติเช่นนี้ ถ้าขนมชิ้นแรกเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส แสดงว่าขนมชิ้นที่สองยังไม่รู้รูปทรงค่ะ ในทางกลับกัน รูปร่างของรูปที่สองไม่ได้บอกอะไรเราเกี่ยวกับรูปแบบของรูปแรกเลย

ในทางกลับกัน เราจะบอกว่าคาออนสองตัวพัวพันกันหากข้อมูลเกี่ยวกับหนึ่งในนั้นช่วยปรับปรุงความรู้ของเราเกี่ยวกับอีกอันหนึ่ง แผ่นจารึกที่สองจะแสดงให้เราเห็นความสับสนอย่างรุนแรง ในกรณีนี้ถ้าคานอันแรกกลมก็จะรู้ว่าอันที่สองก็กลมด้วย และถ้าคานอันแรกเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส อันที่สองก็จะเหมือนเดิม เมื่อรู้รูปร่างของสิ่งหนึ่ง เราก็สามารถกำหนดรูปร่างของอีกชิ้นได้อย่างชัดเจน

ความพัวพันในรูปแบบควอนตัมมีลักษณะเหมือนกันโดยพื้นฐานแล้ว นั่นคือการขาดความเป็นอิสระ ในทฤษฎีควอนตัม สถานะต่างๆ อธิบายได้ด้วยวัตถุทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่น กฎที่รวมฟังก์ชันคลื่นเข้ากับความเป็นไปได้ทางกายภาพทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อนที่น่าสนใจมาก ซึ่งเราจะกล่าวถึงในภายหลัง แต่แนวคิดพื้นฐานของความรู้ที่พันกันซึ่งเราแสดงให้เห็นสำหรับกรณีคลาสสิกยังคงเหมือนเดิม

แม้ว่าบราวนี่ไม่สามารถถือเป็นระบบควอนตัมได้ แต่การพัวพันในระบบควอนตัมเกิดขึ้นตามธรรมชาติ เช่น หลังจากการชนกันของอนุภาค ในทางปฏิบัติ รัฐที่ไม่พันกัน (เป็นอิสระ) ถือได้ว่าเป็นข้อยกเว้นที่หายาก เนื่องจากความสัมพันธ์เกิดขึ้นระหว่างรัฐเหล่านั้นเมื่อระบบโต้ตอบกัน

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาโมเลกุล ประกอบด้วยระบบย่อย - โดยเฉพาะอิเล็กตรอนและนิวเคลียส สถานะพลังงานขั้นต่ำของโมเลกุลซึ่งโดยปกติจะมีอยู่นั้นเป็นสถานะของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่พันกันอย่างมากเนื่องจากการจัดเรียงอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบเหล่านี้จะไม่เป็นอิสระ แต่อย่างใด เมื่อนิวเคลียสเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ตามไปด้วย

กลับไปที่ตัวอย่างของเรา ถ้าเราเขียน Φ■, Φ● เป็นฟังก์ชันคลื่นที่อธิบายระบบ 1 ในสถานะสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือทรงกลม และ ψ■, ψ● สำหรับฟังก์ชันคลื่นที่อธิบายระบบ 2 ในสถานะสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือทรงกลม ดังนั้นในตัวอย่างการทำงานของเรา สถานะทั้งหมดสามารถอธิบายได้ ยังไง:

อิสระ: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

พันกัน: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

เวอร์ชันอิสระยังสามารถเขียนเป็น:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

โปรดสังเกตว่าในกรณีหลังนี้ วงเล็บจะแยกระบบที่หนึ่งและระบบที่สองออกเป็นส่วนๆ แยกกันอย่างชัดเจนอย่างไร

มีหลายวิธีในการสร้างสภาวะที่พันกัน วิธีแรกคือการวัดระบบคอมโพสิตที่ให้ข้อมูลบางส่วนแก่คุณ ตัวอย่างเช่น เราสามารถเรียนรู้ได้ว่าทั้งสองระบบตกลงกันว่าจะอยู่ในรูปแบบเดียวกันโดยไม่รู้ว่าพวกเขาเลือกรูปแบบใด แนวคิดนี้จะมีความสำคัญในภายหลัง

ผลกระทบทั่วไปของการพัวพันควอนตัม เช่น ผลกระทบของ Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) และ Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ) เกิดขึ้นจากการมีปฏิสัมพันธ์กับคุณสมบัติอื่นของทฤษฎีควอนตัมที่เรียกว่าหลักการเสริมกัน เพื่อหารือเกี่ยวกับ EPR และ GHZ ให้ฉันแนะนำหลักการนี้ให้คุณก่อน

ถึงจุดนี้เราจินตนาการได้ว่าคานจะมีสองรูปทรง (สี่เหลี่ยมและกลม) ทีนี้ลองจินตนาการว่าพวกเขามีสองสีด้วย - แดงและน้ำเงิน เมื่อพิจารณาถึงระบบคลาสสิก เช่น เค้ก คุณสมบัติเพิ่มเติมนี้จะหมายความว่าคาออนอาจมีอยู่ในหนึ่งในสี่สถานะที่เป็นไปได้: สี่เหลี่ยมสีแดง วงกลมสีแดง สี่เหลี่ยมสีน้ำเงิน และวงกลมสีน้ำเงิน

แต่เค้กควอนตัมก็คือควอนตัน... หรือควอนตัน... พวกมันมีพฤติกรรมแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ความจริงที่ว่าควอนตันในบางสถานการณ์อาจมีรูปร่างและสีที่แตกต่างกันไม่ได้หมายความว่าควอนตันจะมีทั้งรูปร่างและสีพร้อมๆ กันเสมอไป ในความเป็นจริง สามัญสำนึกที่ไอน์สไตน์เรียกร้องเกี่ยวกับความเป็นจริงทางกายภาพนั้นไม่สอดคล้องกับข้อเท็จจริงเชิงทดลอง ดังที่เราจะได้เห็นในไม่ช้า

เราสามารถวัดรูปร่างของควอนตันได้ แต่การทำเช่นนี้ เราจะสูญเสียข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับสีของมัน หรือเราสามารถวัดสีได้แต่สูญเสียข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างไป ตามทฤษฎีควอนตัม เราไม่สามารถวัดทั้งรูปร่างและสีในเวลาเดียวกันได้ มุมมองความเป็นจริงของควอนตัมไม่มีใครสมบูรณ์ เราต้องคำนึงถึงภาพที่แตกต่างกันและไม่เกิดร่วมกัน ซึ่งแต่ละภาพมีภาพที่ไม่สมบูรณ์ของสิ่งที่เกิดขึ้น นี่คือสาระสำคัญของหลักการของการเกื้อกูลกัน ดังที่ Niels Bohr กำหนดไว้

ด้วยเหตุนี้ ทฤษฎีควอนตัมจึงบังคับให้เราต้องระมัดระวังในการระบุคุณสมบัติของความเป็นจริงทางกายภาพ เพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้ง เราต้องยอมรับว่า:

ไม่มีคุณสมบัติอยู่เว้นแต่จะมีการวัด
การวัดเป็นกระบวนการที่ทำงานอยู่ซึ่งจะเปลี่ยนระบบที่กำลังวัด

ครั้งที่สอง

ตอนนี้เราจะอธิบายภาพประกอบสองตัวอย่าง แต่ไม่ใช่แบบคลาสสิกของความแปลกประหลาดของทฤษฎีควอนตัม ทั้งสองได้รับการทดสอบในการทดลองที่เข้มงวด (ในการทดลองจริง ผู้คนไม่ได้วัดรูปร่างและสีของเค้ก แต่วัดโมเมนตาเชิงมุมของอิเล็กตรอน)

Albert Einstein, Boris Podolsky และ Nathan Rosen (EPR) บรรยายถึงผลที่น่าประหลาดใจที่เกิดขึ้นเมื่อระบบควอนตัมสองระบบเข้ามาพัวพันกัน เอฟเฟกต์ EPR ผสมผสานรูปแบบการพัวพันควอนตัมรูปแบบพิเศษที่สามารถทดลองได้เข้ากับหลักการเสริมกัน

คู่ EPR ประกอบด้วยควอนตันสองตัว ซึ่งแต่ละค่าสามารถวัดเป็นรูปร่างหรือสีได้ (แต่ไม่สามารถวัดทั้งสองพร้อมกันได้) สมมติว่าเรามีคู่ดังกล่าวหลายคู่ ซึ่งทุกคู่เหมือนกัน และเราสามารถเลือกได้ว่าเราจะวัดส่วนประกอบใดบ้าง หากเราวัดรูปร่างของสมาชิกหนึ่งตัวของคู่ EPR เราก็มีแนวโน้มที่จะได้สี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือวงกลมเท่ากัน ถ้าเราวัดสี เราก็มีแนวโน้มที่จะได้สีแดงหรือสีน้ำเงินเท่าๆ กัน

ผลกระทบที่น่าสนใจที่ดูขัดแย้งกับ EPR เกิดขึ้นเมื่อเราวัดค่าสมาชิกของทั้งคู่ เมื่อเราวัดสีของสมาชิกทั้งสองหรือรูปร่างเราจะพบว่าผลลัพธ์จะเหมือนกันเสมอ นั่นคือ ถ้าเราพบว่าหนึ่งในนั้นเป็นสีแดง แล้ววัดสีของวินาที เราก็จะพบว่ามันเป็นสีแดง และอื่นๆ ในทางกลับกัน ถ้าเราวัดรูปร่างของสิ่งหนึ่งและสีของอีกสิ่งหนึ่ง ก็จะไม่พบความสัมพันธ์กัน นั่นคือ ถ้าอันแรกเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส อันที่สองอาจเป็นสีน้ำเงินหรือแดงโดยมีความน่าจะเป็นเท่ากัน

ตามทฤษฎีควอนตัม เราจะได้ผลลัพธ์ดังกล่าวแม้ว่าทั้งสองระบบจะแยกจากกันด้วยระยะห่างมหาศาลและทำการวัดเกือบจะพร้อมกันก็ตาม การเลือกประเภทการวัดที่ตำแหน่งหนึ่งดูเหมือนจะส่งผลต่อสถานะของระบบที่ตำแหน่งอื่น “การกระทำอันน่าสะพรึงกลัวในระยะไกล” ดังที่ไอน์สไตน์เรียก เห็นได้ชัดว่าจำเป็นต้องมีการส่งข้อมูล—ในกรณีของเรา ข้อมูลเกี่ยวกับการวัด—เร็วกว่าความเร็วแสง

แต่มันคืออะไร? จนกว่าฉันจะรู้ว่าผลลัพธ์ที่ได้เป็นอย่างไร ฉันไม่รู้ว่าจะคาดหวังอะไร ฉันได้รับข้อมูลที่เป็นประโยชน์เมื่อฉันทราบผลลัพธ์ของคุณ ไม่ใช่เมื่อคุณทำการวัด และข้อความใด ๆ ที่มีผลที่คุณได้รับจะต้องถูกส่งด้วยวิธีทางกายภาพบางอย่างซึ่งช้ากว่าความเร็วแสง

ด้วยการศึกษาเพิ่มเติม ความขัดแย้งก็พังทลายลงมากยิ่งขึ้น ลองพิจารณาสถานะของระบบที่สองหากการวัดของระบบแรกให้สีแดง หากเราตัดสินใจวัดสีของควอนตันที่สอง เราก็จะได้สีแดง แต่ตามหลักการของการเกื้อกูลกัน ถ้าเราตัดสินใจวัดรูปร่างเมื่อมันอยู่ในสถานะ "สีแดง" เราก็มีโอกาสเท่ากันที่จะได้สี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือวงกลม ดังนั้นผลลัพธ์ของ EPR จึงถูกกำหนดไว้ล่วงหน้าตามตรรกะ นี่เป็นเพียงการย้ำถึงหลักการของการเกื้อกูลกัน

ไม่มีความขัดแย้งในความจริงที่ว่าเหตุการณ์ที่อยู่ห่างไกลมีความสัมพันธ์กัน ท้ายที่สุดแล้ว ถ้าเราใส่ถุงมือหนึ่งในสองชิ้นจากคู่หนึ่งลงในกล่องแล้วส่งไปยังอีกมุมหนึ่งของโลก ก็ไม่น่าแปลกใจเลยที่เมื่อดูในกล่องเดียว ฉันสามารถระบุได้ว่าถุงมืออีกข้างหนึ่งมีไว้สำหรับมือข้างใด ในทำนองเดียวกัน ในทุกกรณี จะต้องบันทึกความสัมพันธ์ของคู่ EPR ไว้เมื่ออยู่ใกล้กัน เพื่อให้สามารถต้านทานการแยกจากกันในภายหลังได้ราวกับมีความทรงจำ ความแปลกประหลาดของ EPR Paradox ไม่ได้อยู่ในความเป็นไปได้ของความสัมพันธ์ แต่อยู่ในความเป็นไปได้ของการเก็บรักษาไว้ในรูปแบบของการเพิ่มเติม

สาม

Daniel Greenberger, Michael Horn และ Anton Zeilinger ค้นพบอีกตัวอย่างที่สวยงามของการพัวพันกับควอนตัม ไอทีประกอบด้วยควอนตันของเราสามตัว ซึ่งอยู่ในสถานะพันกันที่เตรียมไว้เป็นพิเศษ (สถานะ GHZ) เราแจกจ่ายแต่ละรายการให้กับนักทดลองระยะไกลที่แตกต่างกัน แต่ละคนเลือกว่าจะวัดสีหรือรูปร่างและบันทึกผลลัพธ์อย่างอิสระและสุ่ม การทดลองซ้ำหลายครั้ง แต่จะมีควอนตันสามตัวในสถานะ GHZ เสมอ

ผู้ทดลองแต่ละคนจะได้รับผลลัพธ์แบบสุ่ม การวัดรูปร่างของควอนตัน เขาได้ความน่าจะเป็นเท่ากันกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือวงกลม เมื่อวัดสีของควอนตัน ก็มีแนวโน้มที่จะเป็นสีแดงหรือสีน้ำเงินพอๆ กัน จนถึงตอนนี้ทุกอย่างก็เป็นเรื่องปกติ

แต่เมื่อผู้ทดลองมารวมตัวกันและเปรียบเทียบผลลัพธ์ การวิเคราะห์ก็แสดงผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ สมมติว่าเราเรียกรูปทรงสี่เหลี่ยมและสีแดงว่า "ดี" และวงกลมและสีน้ำเงินว่า "ชั่วร้าย" ผู้ทดลองพบว่าหากสองคนตัดสินใจวัดรูปร่าง และคนที่สามตัดสินใจวัดสี การวัดค่า 0 หรือ 2 ถือว่า "ชั่วร้าย" (เช่น กลมหรือสีน้ำเงิน) แต่ถ้าทั้งสามตัดสินใจวัดสี มิติที่ 1 หรือ 3 ก็ถือว่าชั่วร้าย นี่คือสิ่งที่กลศาสตร์ควอนตัมทำนาย และนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นจริงๆ

คำถาม: ปริมาณของความชั่วร้ายเป็นเลขคู่หรือคี่? ความเป็นไปได้ทั้งสองอย่างเกิดขึ้นได้ในมิติที่ต่างกัน เราต้องละทิ้งปัญหานี้ มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะพูดถึงปริมาณความชั่วร้ายในระบบโดยไม่เกี่ยวข้องกับวิธีการวัดผล และสิ่งนี้นำไปสู่ความขัดแย้ง

เอฟเฟกต์ GHZ ดังที่นักฟิสิกส์ ซิดนีย์ โคลแมน อธิบายว่าเป็น "การตบหน้าจากกลศาสตร์ควอนตัม" โดยทำลายความคาดหวังจากประสบการณ์ทั่วไปที่ว่าระบบทางกายภาพมีคุณสมบัติที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยไม่ขึ้นอยู่กับการวัด หากเป็นเช่นนั้น ความสมดุลระหว่างความดีและความชั่วจะไม่ขึ้นอยู่กับการเลือกประเภทการวัด เมื่อคุณยอมรับการมีอยู่ของเอฟเฟกต์ GHZ คุณจะไม่ลืมมัน และขอบเขตอันไกลโพ้นของคุณจะถูกขยายออกไป

IV

ในตอนนี้ เรากำลังคุยกันว่าสิ่งกีดขวางขัดขวางเราจากการกำหนดสถานะอิสระที่ไม่ซ้ำกันให้กับควอนตันหลายตัวได้อย่างไร เหตุผลเดียวกันนี้ใช้กับการเปลี่ยนแปลงในควอนตันหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป

เราพูดถึง "ประวัติศาสตร์ที่พันกัน" เมื่อระบบไม่สามารถกำหนดสถานะที่แน่นอนในแต่ละช่วงเวลาได้ เช่นเดียวกับการพัวพันแบบดั้งเดิมที่เราตัดความเป็นไปได้ เราสามารถสร้างประวัติศาสตร์ที่พัวพันด้วยการวัดที่รวบรวมข้อมูลบางส่วนเกี่ยวกับเหตุการณ์ในอดีต ในเรื่องราวที่พันกันง่ายที่สุด เรามีหนึ่งควอนตันที่เราศึกษา ณ จุดเวลาที่แตกต่างกันสองจุด เราสามารถจินตนาการถึงสถานการณ์ที่เรากำหนดได้ว่ารูปร่างของควอนตันของเราเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสทั้งสองครั้งหรือกลมทั้งสองครั้ง แต่ทั้งสองสถานการณ์ยังคงเป็นไปได้ นี่เป็นการเปรียบเทียบควอนตัมชั่วคราวกับความยุ่งเหยิงที่ง่ายที่สุดที่อธิบายไว้ข้างต้น

เมื่อใช้โปรโตคอลที่ซับซ้อนมากขึ้น เราสามารถเพิ่มรายละเอียดเพิ่มเติมเล็กๆ น้อยๆ ให้กับระบบนี้ และอธิบายสถานการณ์ที่ก่อให้เกิดคุณสมบัติ "หลายโลก" ของทฤษฎีควอนตัม ควอนตันของเราสามารถเตรียมได้ในสถานะสีแดง จากนั้นจึงวัดและรับด้วยสีน้ำเงิน และดังเช่นในตัวอย่างก่อนหน้านี้ เราไม่สามารถกำหนดคุณสมบัติของสีให้กับควอนตันอย่างถาวรในช่วงเวลาระหว่างสองมิติได้ มันไม่มีรูปแบบเฉพาะ เรื่องราวดังกล่าวทำให้เข้าใจถึงสัญชาตญาณที่มีอยู่ในภาพกลศาสตร์ควอนตัมของโลกต่างๆ ด้วยวิธีที่จำกัดแต่ได้รับการควบคุมอย่างสมบูรณ์และแม่นยำ รัฐหนึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองวิถีประวัติศาสตร์ที่ขัดแย้งกัน ซึ่งเชื่อมต่ออีกครั้ง

Erwin Schrödinger ผู้ก่อตั้งทฤษฎีควอนตัมซึ่งไม่ค่อยมั่นใจในความถูกต้องของทฤษฎีควอนตัม เน้นย้ำว่าวิวัฒนาการของระบบควอนตัมย่อมนำไปสู่สภาวะต่างๆ โดยธรรมชาติแล้วการวัดสามารถให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมาก การทดลองทางความคิดของเขากับ "แมวของชโรดิงเงอร์" ดังที่เราทราบกันดีว่าความไม่แน่นอนของควอนตัมได้นำไปสู่ระดับอิทธิพลต่อการตายของแมว ก่อนที่จะทำการวัด เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดทรัพย์สินของชีวิต (หรือความตาย) ให้กับแมว ทั้งสองหรือไม่มีอยู่ร่วมกันในโลกแห่งความเป็นไปได้อีกโลกหนึ่ง

ภาษาในชีวิตประจำวันไม่เหมาะที่จะอธิบายการเสริมควอนตัม ส่วนหนึ่งเป็นเพราะประสบการณ์ในชีวิตประจำวันไม่รวมอยู่ด้วย แมวที่ใช้งานจริงจะมีปฏิกิริยากับโมเลกุลอากาศที่อยู่รอบๆ และวัตถุอื่นๆ ในรูปแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ขึ้นอยู่กับว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่หรือตายแล้ว ดังนั้นในทางปฏิบัติ การวัดจะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ และแมวจะยังคงมีชีวิตอยู่ (หรือไม่มีชีวิตอยู่) แต่เรื่องราวบรรยายถึงควอนตันซึ่งเป็นลูกแมวของชโรดิงเงอร์ด้วยความสับสน คำอธิบายแบบเต็มกำหนดให้เราพิจารณาวิถีคุณสมบัติสองประการที่ไม่เกิดร่วมกัน

การทดลองควบคุมเรื่องราวที่พันกันเป็นสิ่งที่ละเอียดอ่อน เนื่องจากต้องมีการรวบรวมข้อมูลบางส่วนเกี่ยวกับควอนตัน โดยทั่วไปแล้ว การวัดควอนตัมแบบทั่วไปจะรวบรวมข้อมูลทั้งหมดในครั้งเดียว เช่น การกำหนดรูปร่างหรือสีที่แม่นยำ แทนที่จะรับข้อมูลบางส่วนหลายครั้ง แต่ก็สามารถทำได้แม้ว่าจะมีปัญหาทางเทคนิคอย่างมากก็ตาม ด้วยวิธีนี้ เราสามารถกำหนดความหมายทางคณิตศาสตร์และเชิงทดลองบางอย่างให้กับการขยายแนวคิดเรื่อง "หลายโลก" ในทฤษฎีควอนตัม และแสดงให้เห็นความเป็นจริงของมันได้

สิ่งกีดขวางควอนตัม

สิ่งกีดขวางควอนตัม การพัวพันเป็นปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมที่ต้องอธิบายสถานะควอนตัมของวัตถุสองชิ้นขึ้นไปโดยสัมพันธ์กัน แม้ว่าวัตถุแต่ละชิ้นจะถูกแยกออกจากกันในอวกาศก็ตาม เป็นผลให้เกิดความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางกายภาพที่สังเกตได้ของวัตถุ ตัวอย่างเช่น มีความเป็นไปได้ที่จะเตรียมอนุภาคสองตัวในสถานะควอนตัมเดียว ดังนั้นเมื่ออนุภาคตัวหนึ่งถูกสังเกตในสถานะหมุนขึ้น อีกตัวจะถูกสังเกตว่ามีสถานะหมุนลง และในทางกลับกัน และสิ่งนี้แม้จะมีข้อเท็จจริงอยู่ก็ตาม ที่กลศาสตร์ควอนตัมจะทำนายได้ เป็นไปไม่ได้จริงๆ ว่าจะได้ทิศทางใดในแต่ละครั้ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดูเหมือนว่าการวัดที่ทำกับระบบหนึ่งจะมีผลทันทีต่อสิ่งที่เข้าไปพัวพันกับระบบนั้น อย่างไรก็ตาม ความหมายของข้อมูลในความหมายดั้งเดิมยังคงไม่สามารถถ่ายทอดผ่านการพัวพันได้เร็วกว่าความเร็วแสง
ก่อนหน้านี้คำดั้งเดิม "พัวพัน" ถูกแปลในความหมายตรงกันข้าม - เป็นพัวพัน แต่ความหมายของคำคือการรักษาความเชื่อมโยงแม้หลังจากชีวประวัติที่ซับซ้อนของอนุภาคควอนตัม ดังนั้น หากมีการเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคสองตัวในระบบทางกายภาพที่พันกันโดยการ "ดึง" อนุภาคหนึ่ง ก็เป็นไปได้ที่จะระบุอีกอนุภาคหนึ่งได้

การพัวพันกับควอนตัมเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีในอนาคต เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม และการเข้ารหัสควอนตัม และยังถูกนำมาใช้ในการทดลองเกี่ยวกับการเคลื่อนย้ายมวลสารควอนตัมอีกด้วย ในแง่ทฤษฎีและปรัชญา ปรากฏการณ์นี้แสดงถึงคุณสมบัติที่ปฏิวัติวงการมากที่สุดอย่างหนึ่งของทฤษฎีควอนตัม เนื่องจากจะเห็นได้ว่าความสัมพันธ์ที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัมนั้นเข้ากันไม่ได้โดยสิ้นเชิงกับแนวคิดเกี่ยวกับสถานที่ซึ่งดูเหมือนจะชัดเจนในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งข้อมูลดังกล่าว เกี่ยวกับสถานะของระบบสามารถส่งผ่านสภาพแวดล้อมใกล้เคียงเท่านั้น มุมมองที่แตกต่างกันเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในระหว่างกระบวนการพัวพันเชิงกลของควอนตัมนำไปสู่การตีความกลศาสตร์ควอนตัมที่แตกต่างกัน

พื้นหลัง

ในปี 1935 ไอน์สไตน์ โพโดลสกี และโรเซนได้คิดค้น Einstein-Podolsky-Rosen Paradox อันโด่งดัง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากความเชื่อมโยงกัน กลศาสตร์ควอนตัมจึงกลายเป็นทฤษฎีที่ไม่ใช่ของท้องถิ่น ไอน์สไตน์เยาะเย้ยการเชื่อมโยงกันอย่างมีชื่อเสียง โดยเรียกสิ่งนี้ว่า “ฝันร้ายของการกระทำที่ห่างไกล โดยธรรมชาติแล้ว การเชื่อมต่อที่ไม่ใช่ในท้องถิ่นได้หักล้างหลัก TO เกี่ยวกับการจำกัดความเร็วของแสง (การส่งสัญญาณ)

ในทางกลับกัน กลศาสตร์ควอนตัมได้พิสูจน์ตัวเองแล้วว่ายอดเยี่ยมในการทำนายผลการทดลอง และในความเป็นจริง แม้กระทั่งความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งเนื่องจากปรากฏการณ์พัวพันก็ยังถูกสังเกตอีกด้วย มีวิธีที่ดูเหมือนจะอธิบายการพัวพันของควอนตัมได้สำเร็จ - วิธี "ทฤษฎีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่" ซึ่งพารามิเตอร์กล้องจุลทรรศน์บางตัวแต่ไม่รู้จักมีหน้าที่รับผิดชอบในความสัมพันธ์ อย่างไรก็ตาม ในปี 1964 เจ.เอส. เบลล์ได้แสดงให้เห็นว่ายังคงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างทฤษฎีท้องถิ่นที่ "ดี" ด้วยวิธีนี้ กล่าวคือ สิ่งกีดขวางที่ทำนายโดยกลศาสตร์ควอนตัมสามารถแยกแยะได้จากการทดลองจากผลลัพธ์ที่ทำนายโดยทฤษฎีประเภทกว้าง ๆ ที่มี พารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่ในเครื่อง ผลการทดลองต่อมาเป็นการยืนยันที่น่าทึ่งเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม การตรวจสอบบางอย่างแสดงให้เห็นว่าการทดลองเหล่านี้มีปัญหาคอขวดหลายประการ แต่เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าสิ่งเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญ

การเชื่อมต่อทำให้เกิดความสัมพันธ์ที่น่าสนใจกับหลักสัมพัทธภาพ ซึ่งระบุว่าข้อมูลไม่สามารถเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้เร็วกว่าความเร็วแสง แม้ว่าทั้งสองระบบอาจถูกแยกจากกันด้วยระยะทางไกลและพันกัน แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะส่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์ผ่านการเชื่อมต่อของพวกเขา ดังนั้นสาเหตุจึงไม่ถูกละเมิดโดยการพัวพัน สิ่งนี้เกิดขึ้นด้วยเหตุผลสองประการ:
1. ผลลัพธ์ของการวัดในกลศาสตร์ควอนตัมมีความน่าจะเป็นโดยพื้นฐาน
2. ทฤษฎีบทการโคลนสถานะควอนตัมห้ามไม่ให้มีการทดสอบทางสถิติของสถานะที่พันกัน

สาเหตุของอิทธิพลของอนุภาค

ในโลกของเรา มีสถานะพิเศษของอนุภาคควอนตัมหลายชนิด - สถานะที่พัวพันซึ่งสังเกตความสัมพันธ์ของควอนตัม (โดยทั่วไป ความสัมพันธ์คือความสัมพันธ์ระหว่างเหตุการณ์ที่อยู่เหนือระดับของความบังเอิญแบบสุ่ม) ความสัมพันธ์เหล่านี้สามารถตรวจพบได้ด้วยการทดลอง ซึ่งทำขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อกว่า 20 ปีที่แล้ว และตอนนี้มีการใช้เป็นประจำในการทดลองต่างๆ มากมาย ในโลกคลาสสิก (นั่นคือ ไม่ใช่ควอนตัม) มีความสัมพันธ์สองประเภท - เมื่อเหตุการณ์หนึ่งทำให้เกิดเหตุการณ์อื่น หรือเมื่อทั้งสองมีสาเหตุร่วมกัน ในทฤษฎีควอนตัม ความสัมพันธ์ประเภทที่สามเกิดขึ้น ซึ่งสัมพันธ์กับคุณสมบัติที่ไม่ใช่เฉพาะที่ของสถานะที่พันกันของอนุภาคหลายตัว ความสัมพันธ์ประเภทที่สามนี้เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการได้โดยใช้การเปรียบเทียบที่คุ้นเคยในชีวิตประจำวัน หรือบางทีความสัมพันธ์ควอนตัมเหล่านี้อาจเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ใหม่ ๆ ที่ไม่ทราบมาจนบัดนี้ ซึ่งต้องขอบคุณอนุภาคที่พันกัน (และมีเพียงพวกมันเท่านั้น!) ที่มีอิทธิพลต่อกันและกัน?

เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การเน้นย้ำถึง "ความผิดปกติ" ของการโต้ตอบเชิงสมมุติดังกล่าวในทันที สังเกตความสัมพันธ์ทางควอนตัมแม้ว่าการตรวจจับอนุภาคสองตัวที่แยกจากกันด้วยระยะห่างที่มากเกิดขึ้นพร้อมกัน (ภายในขอบเขตของข้อผิดพลาดจากการทดลอง) ซึ่งหมายความว่าหากปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้น ก็ควรแพร่กระจายอย่างรวดเร็วในกรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการด้วยความเร็วเหนือแสง และจากนี้ไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ตามมาว่าในระบบอ้างอิงอื่น ๆ ปฏิสัมพันธ์นี้โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นทันทีและจะกระทำจากอนาคตไปสู่อดีตด้วยซ้ำ (แม้ว่าจะไม่ละเมิดหลักการของความเป็นเหตุเป็นผลก็ตาม)

สาระสำคัญของการทดลอง

เรขาคณิตของการทดลอง โฟตอนที่พันกันเป็นคู่ถูกสร้างขึ้นในเจนีวา จากนั้นโฟตอนก็ถูกส่งไปตามสายเคเบิลใยแก้วนำแสงที่มีความยาวเท่ากัน (ทำเครื่องหมายด้วยสีแดง) ไปยังเครื่องรับสองตัว (ทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษร APD) โดยแยกจากกัน 18 กม. ภาพจากบทความเกี่ยวกับธรรมชาติที่กล่าวถึง

แนวคิดของการทดลองมีดังนี้: เราจะสร้างโฟตอนที่พันกันสองตัวแล้วส่งพวกมันไปยังเครื่องตรวจจับสองตัวโดยเว้นระยะห่างกันมากที่สุด (ในการทดลองที่อธิบายไว้ ระยะห่างระหว่างเครื่องตรวจจับทั้งสองคือ 18 กม.) ในกรณีนี้ เราจะสร้างเส้นทางของโฟตอนไปยังอุปกรณ์ตรวจจับให้เหมือนกันที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้ช่วงเวลาของการตรวจจับอยู่ใกล้ที่สุด ในงานนี้ ช่วงเวลาการตรวจจับมีความแม่นยำประมาณ 0.3 นาโนวินาที ยังคงพบความสัมพันธ์ควอนตัมภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ซึ่งหมายความว่าหากเราถือว่าพวกมัน "ทำงาน" เนื่องจากการโต้ตอบที่อธิบายไว้ข้างต้น ความเร็วของมันควรจะเกินความเร็วแสงหนึ่งแสนเท่า
ที่จริงแล้วการทดลองดังกล่าวเคยทำโดยกลุ่มเดียวกันมาก่อน ความแปลกใหม่เพียงอย่างเดียวของงานนี้คือการทดลองกินเวลานาน ความสัมพันธ์เชิงควอนตัมถูกสังเกตอย่างต่อเนื่องและไม่ได้หายไปในช่วงเวลาใดของวัน
ทำไมมันถึงสำคัญ? หากปฏิสัมพันธ์สมมุติเกิดขึ้นโดยตัวกลางบางตัว สื่อตัวนั้นก็จะมีกรอบอ้างอิงเฉพาะ เนื่องจากการหมุนของโลก กรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการจึงเคลื่อนที่สัมพันธ์กับกรอบอ้างอิงนี้ด้วยความเร็วที่ต่างกัน ซึ่งหมายความว่าช่วงเวลาระหว่างสองเหตุการณ์ในการตรวจจับโฟตอนสองตัวจะแตกต่างกันตลอดเวลาสำหรับตัวกลางนี้ ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของวัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะมีช่วงเวลาที่เหตุการณ์ทั้งสองนี้ในสภาพแวดล้อมนี้ดูเหมือนจะเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน (ในที่นี้ ข้อเท็จจริงจากทฤษฎีสัมพัทธภาพถูกนำมาใช้ว่าเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกันสองเหตุการณ์จะพร้อมกันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมดที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับเส้นที่เชื่อมต่อกัน)

หากความสัมพันธ์เชิงควอนตัมเกิดขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบสมมุติที่อธิบายไว้ข้างต้น และหากความเร็วของการโต้ตอบนี้มีจำกัด (แม้จะมากตามอำเภอใจก็ตาม) ในขณะนี้ความสัมพันธ์ก็จะหายไป ดังนั้นการสังเกตความสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องตลอดทั้งวันจะปิดความเป็นไปได้นี้ได้อย่างสมบูรณ์ และการทดลองซ้ำในช่วงเวลาต่างๆ ของปีจะปิดสมมติฐานนี้ แม้ว่าจะมีปฏิสัมพันธ์ที่รวดเร็วอย่างไม่สิ้นสุดในกรอบอ้างอิงเฉพาะของตัวเองก็ตาม

น่าเสียดายที่ไม่สามารถทำได้เนื่องจากความไม่สมบูรณ์ของการทดสอบ ในการทดลองนี้ จะใช้เวลาหลายนาทีในการสะสมสัญญาณเพื่อบอกว่ามีการสังเกตความสัมพันธ์กันจริงๆ การหายไปของความสัมพันธ์ เช่น เป็นเวลา 1 วินาที การทดลองนี้ไม่สามารถสังเกตเห็นได้ นั่นคือเหตุผลที่ผู้เขียนไม่สามารถปิดปฏิสัมพันธ์สมมุติได้อย่างสมบูรณ์ แต่ได้รับขีดจำกัดความเร็วของการแพร่กระจายในหน้าต่างอ้างอิงที่เลือกเท่านั้น ซึ่งแน่นอนว่าจะลดมูลค่าของผลลัพธ์ที่ได้รับลงอย่างมาก

อาจจะ...?

ผู้อ่านอาจถามว่า: หากความเป็นไปได้ตามสมมุติฐานที่อธิบายไว้ข้างต้นเป็นจริง แต่การทดลองมองข้ามไปเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ นั่นหมายความว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่ถูกต้องหรือไม่ ผลกระทบนี้สามารถนำไปใช้ในการส่งข้อมูลในระดับ superluminal หรือแม้กระทั่งการเคลื่อนที่ในอวกาศได้หรือไม่?

เลขที่ ปฏิสัมพันธ์สมมุติฐานที่อธิบายไว้ข้างต้นมีจุดประสงค์เดียว นั่นคือ "เกียร์" ที่ทำให้ความสัมพันธ์เชิงควอนตัม "ได้ผล" แต่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการใช้สหสัมพันธ์ควอนตัมนั้นเป็นไปไม่ได้ที่จะส่งข้อมูลได้เร็วกว่าความเร็วแสง ดังนั้นไม่ว่ากลไกของความสัมพันธ์ควอนตัมจะเป็นเช่นไรก็ตาม ก็ไม่สามารถละเมิดทฤษฎีสัมพัทธภาพได้
© อิกอร์ อิวานอฟ

ดูทุ่งแรงบิด
รากฐานของ Subtle World คือสนามสุญญากาศทางกายภาพและแรงบิด 4.

สิ่งกีดขวางควอนตัม

มีบทความยอดนิยมมากมายที่พูดถึงความยุ่งเหยิงของควอนตัม การทดลองที่เกี่ยวข้องกับควอนตัมพัวพันนั้นน่าประทับใจมาก แต่ก็ยังไม่ได้รับรางวัลใดๆ เหตุใดการทดลองดังกล่าวจึงน่าสนใจสำหรับคนทั่วไปที่ไม่เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์? บทความยอดนิยมพูดถึงคุณสมบัติที่น่าทึ่งของคู่ของอนุภาคที่พันกัน - การชนกับอนุภาคหนึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสถานะของอนุภาคที่สองในทันที และสิ่งที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังคำว่า “การเคลื่อนย้ายมวลสารควอนตัม” ซึ่งเริ่มกล่าวไปแล้วว่ามันเกิดขึ้นที่ความเร็วเหนือแสง ลองดูทั้งหมดนี้จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมปกติ

สิ่งที่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม

อนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในสถานะได้สองประเภท ตามตำราคลาสสิกของ Landau และ Lifshitz - บริสุทธิ์และผสม หากอนุภาคไม่มีปฏิกิริยากับอนุภาคควอนตัมอื่นๆ อนุภาคนั้นจะถูกอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่นที่ขึ้นอยู่กับพิกัดหรือโมเมนตัมของมันเท่านั้น สถานะนี้เรียกว่าบริสุทธิ์ ในกรณีนี้ ฟังก์ชันคลื่นเป็นไปตามสมการชโรดิงเงอร์ อีกทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้ - อนุภาคมีปฏิกิริยากับอนุภาคควอนตัมอื่น ในกรณีนี้ ฟังก์ชันคลื่นหมายถึงระบบทั้งหมดที่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาค และขึ้นอยู่กับตัวแปรไดนามิกทั้งหมด หากเราสนใจอนุภาคเพียงอนุภาคเดียว สถานะของมันดังที่รถม้าสี่ล้อแสดงให้เห็นเมื่อ 90 ปีที่แล้ว สามารถอธิบายได้ด้วยตัวดำเนินการเมทริกซ์หรือความหนาแน่น เมทริกซ์ความหนาแน่นเป็นไปตามสมการที่คล้ายกับสมการชโรดิงเงอร์

เมทริกซ์ความหนาแน่นอยู่ที่ไหน ชมเป็นตัวดำเนินการแฮมิลตัน และวงเล็บหมายถึงตัวสับเปลี่ยน

แลนเดาพาเขาออกมา ปริมาณทางกายภาพใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่ระบุสามารถแสดงผ่านเมทริกซ์ความหนาแน่นได้ เงื่อนไขนี้เรียกว่าผสม หากเรามีระบบที่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาค แต่ละอนุภาคจะอยู่ในสถานะผสม หากอนุภาคกระจัดกระจายไปในระยะทางไกลและปฏิสัมพันธ์หายไป สถานะของอนุภาคจะยังคงผสมปนเปกัน หากแต่ละอนุภาคมีสถานะบริสุทธิ์ ฟังก์ชันคลื่นของระบบดังกล่าวจะเป็นผลคูณของฟังก์ชันคลื่นของแต่ละอนุภาค (หากอนุภาคต่างกัน สำหรับอนุภาค โบซอน หรือเฟอร์มิออนที่เหมือนกัน จำเป็นต้อง สร้างการผสมผสานแบบสมมาตรหรือแบบแอนติสมมาตร โปรดดูข้อมูลเพิ่มเติมในภายหลัง การระบุตัวตนของอนุภาค เฟอร์มิออน และโบซอนนั้นเป็นทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพันธ์อยู่แล้ว

สถานะที่พัวพันของอนุภาคคู่หนึ่งคือสถานะที่มีความสัมพันธ์คงที่ระหว่างปริมาณทางกายภาพของอนุภาคต่างๆ ตัวอย่างที่ง่ายและพบบ่อยที่สุดคือปริมาณทางกายภาพทั้งหมดจะถูกสงวนไว้ เช่น การหมุนทั้งหมดหรือโมเมนตัมเชิงมุมของคู่หนึ่ง ในกรณีนี้ อนุภาคคู่หนึ่งอยู่ในสถานะบริสุทธิ์ แต่อนุภาคแต่ละตัวจะอยู่ในสถานะผสม อาจดูเหมือนว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะของอนุภาคหนึ่งจะส่งผลต่อสถานะของอนุภาคอื่นทันที แม้ว่าพวกเขาจะกระจัดกระจายไปไกลและไม่มีการโต้ตอบกัน แต่นี่คือสิ่งที่แสดงในบทความยอดนิยม ปรากฏการณ์นี้ได้รับการขนานนามว่าการเคลื่อนย้ายทางควอนตัมแล้ว นักข่าวที่ไม่รู้หนังสือบางคนถึงกับอ้างว่าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นทันที กล่าวคือ มันแพร่กระจายเร็วกว่าความเร็วแสง

ลองพิจารณาสิ่งนี้จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม ประการแรก การกระแทกหรือการวัดใดๆ ที่เปลี่ยนแปลงการหมุนหรือโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคเพียงอนุภาคเดียวจะละเมิดกฎการอนุรักษ์คุณลักษณะทั้งหมดทันที ผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องไม่สามารถเคลื่อนที่ด้วยการหมุนเต็มหรือโมเมนตัมเชิงมุมเต็ม ดังนั้นการพัวพันเบื้องต้นของสถานะของอนุภาคคู่หนึ่งจึงหยุดชะงัก การหมุนหรือโมเมนตัมของอนุภาคที่สองไม่สามารถเชื่อมโยงกับอนุภาคแรกได้อย่างคลุมเครืออีกต่อไป เราสามารถมองปัญหานี้ได้จากอีกมุมหนึ่ง หลังจากที่อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคหายไป วิวัฒนาการของเมทริกซ์ความหนาแน่นของแต่ละอนุภาคจะถูกอธิบายด้วยสมการของมันเอง ซึ่งไม่รวมตัวแปรไดนามิกของอนุภาคอื่นด้วย ดังนั้นการชนกับอนุภาคหนึ่งจะไม่เปลี่ยนเมทริกซ์ความหนาแน่นของอีกอนุภาคหนึ่ง

มีแม้กระทั่งทฤษฎีบทของเอเบอร์ฮาร์ด ซึ่งระบุว่าการวัดไม่สามารถตรวจพบอิทธิพลร่วมกันของอนุภาคทั้งสองได้ ให้มีระบบควอนตัมที่อธิบายโดยเมทริกซ์ความหนาแน่น และปล่อยให้ระบบนี้ประกอบด้วยสองระบบย่อย A และ B ทฤษฎีบทของเอเบอร์ฮาร์ดระบุว่าไม่มีการวัดสิ่งที่สังเกตได้ที่เกี่ยวข้องกับระบบย่อย A เท่านั้น ไม่ส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์ของการวัดสิ่งที่สังเกตได้ใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับระบบย่อย B เท่านั้น อย่างไรก็ตาม การพิสูจน์ทฤษฎีบทนี้ ใช้สมมติฐานการลดคลื่นซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ไม่ได้รับการพิสูจน์ทั้งทางทฤษฎีหรือเชิงทดลอง แต่ข้อโต้แย้งทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน และเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่แตกต่างกันและไม่เหมือนกัน

ข้อโต้แย้งเหล่านี้ใช้ไม่ได้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพในกรณีของอนุภาคที่เหมือนกันคู่หนึ่ง ฉันขอเตือนคุณอีกครั้งว่าอัตลักษณ์หรือความไม่แยกแยะของอนุภาคนั้นมาจากกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพ โดยที่จำนวนอนุภาคไม่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ อย่างไรก็ตาม สำหรับอนุภาคที่ช้า เราสามารถใช้กลไกที่เรียบง่ายกว่าของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน เพียงแค่ปล่อยให้อนุภาคแยกไม่ออก จากนั้นฟังก์ชันคลื่นของทั้งคู่จะต้องสมมาตร (สำหรับโบซอน) หรือแอนติสมมาตร (สำหรับเฟอร์มิออน) โดยคำนึงถึงการเรียงสับเปลี่ยนของอนุภาค ข้อกำหนดดังกล่าวเกิดขึ้นในทฤษฎีสัมพัทธภาพ โดยไม่คำนึงถึงความเร็วของอนุภาค ข้อกำหนดนี้นำไปสู่ความสัมพันธ์ระยะยาวระหว่างคู่ของอนุภาคที่เหมือนกัน โดยหลักการแล้ว โปรตอนและอิเล็กตรอนก็สามารถอยู่ในสถานะพันกันได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม หากพวกมันแยกจากกันหลายสิบอังสตรอม ปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคอื่น ๆ จะทำลายสถานะนี้ ปฏิสัมพันธ์ของการแลกเปลี่ยน (ตามที่เรียกว่าปรากฏการณ์นี้) กระทำที่ระยะทางมหภาคดังที่การทดลองแสดง อนุภาคคู่หนึ่งแม้จะแยกจากกันเป็นเมตรก็ยังแยกไม่ออก หากคุณทำการวัด คุณจะไม่ทราบแน่ชัดว่าค่าที่วัดได้นั้นเป็นของอนุภาคใด คุณกำลังวัดอนุภาคสองสามอนุภาคในเวลาเดียวกัน ดังนั้นการทดลองที่น่าทึ่งทั้งหมดจึงดำเนินการโดยใช้อนุภาคเดียวกัน - อิเล็กตรอนและโฟตอน พูดอย่างเคร่งครัด นี่ไม่ใช่สถานะที่พัวพันซึ่งได้รับการพิจารณาภายใต้กรอบของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน แต่เป็นสถานะที่คล้ายกัน

ลองพิจารณากรณีที่ง่ายที่สุด - คู่ของอนุภาคที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กันที่เหมือนกัน หากความเร็วต่ำ เราสามารถใช้กลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน โดยคำนึงถึงความสมมาตรของฟังก์ชันคลื่นที่เกี่ยวข้องกับการเรียงสับเปลี่ยนของอนุภาค ปล่อยให้ฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคแรก อนุภาคที่สอง - ที่ไหน และ เป็นตัวแปรไดนามิกของอนุภาคตัวแรกและตัวที่สอง ในกรณีที่ง่ายที่สุด - เพียงแค่พิกัด จากนั้นฟังก์ชันคลื่นของทั้งคู่

เครื่องหมาย + และ – หมายถึง โบซอน และเฟอร์มิออน สมมติว่าอนุภาคอยู่ห่างจากกัน จากนั้นจะมีการแปลในพื้นที่ห่างไกล 1 และ 2 ตามลำดับนั่นคือนอกภูมิภาคเหล่านี้มีขนาดเล็ก ลองคำนวณค่าเฉลี่ยของตัวแปรบางตัวของอนุภาคแรก เช่น พิกัด เพื่อความง่าย เราสามารถจินตนาการได้ว่าฟังก์ชันคลื่นมีเพียงพิกัดเท่านั้น ปรากฎว่าค่าเฉลี่ยของพิกัดของอนุภาค 1 อยู่ระหว่างขอบเขต 1 และ 2 และมันเกิดขึ้นพร้อมกับค่าเฉลี่ยของอนุภาค 2 นี่เป็นเรื่องจริงตามธรรมชาติ - อนุภาคแยกไม่ออกเราไม่สามารถรู้ได้ว่าอนุภาคใดมีพิกัดที่วัดได้ . โดยทั่วไปแล้วค่าเฉลี่ยทั้งหมดของอนุภาค 1 และ 2 จะเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าโดยการย้ายขอบเขตการแปลของอนุภาค 1 (เช่น อนุภาคถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นภายในข้อบกพร่องในตาข่ายคริสตัล และเราย้ายผลึกทั้งหมด) เรามีอิทธิพลต่ออนุภาค 2 แม้ว่าอนุภาคจะไม่โต้ตอบในความหมายปกติ - ผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น นี่เป็นตัวอย่างง่ายๆ ของการพัวพันเชิงสัมพัทธภาพ

ไม่มีการถ่ายโอนข้อมูลในทันทีเนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคทั้งสอง เครื่องมือของทฤษฎีควอนตัมสัมพัทธภาพเริ่มแรกสร้างขึ้นในลักษณะที่เหตุการณ์ในอวกาศ-เวลาบนด้านตรงข้ามของกรวยแสงไม่สามารถมีอิทธิพลต่อกันและกัน พูดง่ายๆ ก็คือ ไม่มีสัญญาณ ไม่มีอิทธิพลหรือสิ่งรบกวนใดๆ ที่สามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสง จริงๆ แล้วอนุภาคทั้งสองมีสถานะอยู่ในสนามเดียวกัน เช่น อิเล็กตรอน-โพซิตรอน ด้วยการมีอิทธิพลต่อสนาม ณ จุดหนึ่ง (อนุภาค 1) เราสร้างความรบกวนที่แพร่กระจายเหมือนคลื่นบนน้ำ ในกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน ความเร็วแสงถือว่าใหญ่มากอย่างไม่จำกัด ซึ่งทำให้เกิดภาพลวงตาของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทันทีทันใด

สถานการณ์ที่อนุภาคที่ถูกแยกจากกันด้วยระยะทางไกลยังคงเกาะกันเป็นคู่ดูเหมือนจะขัดแย้งกันเนื่องจากแนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับอนุภาค เราต้องจำไว้ว่าไม่ใช่อนุภาคที่มีอยู่จริง แต่เป็นทุ่งนา สิ่งที่เราคิดว่าเป็นอนุภาคเป็นเพียงสถานะของสาขาเหล่านี้ แนวคิดคลาสสิกเกี่ยวกับอนุภาคไม่เหมาะสมอย่างยิ่งในโลกใบเล็ก คำถามเกิดขึ้นทันทีเกี่ยวกับขนาด รูปร่าง วัสดุ และโครงสร้างของอนุภาคมูลฐาน ในความเป็นจริง สถานการณ์ที่ขัดแย้งกันสำหรับการคิดแบบคลาสสิกก็เกิดขึ้นจากอนุภาคเพียงอนุภาคเดียวเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ในการทดลองสเติร์น-เกอร์ลัค อะตอมไฮโดรเจนบินผ่านสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งตั้งฉากกับความเร็ว การหมุนของนิวเคลียสสามารถถูกละเลยได้เนื่องจากแมกนีตันนิวเคลียร์มีขนาดเล็ก แม้ว่าในตอนแรกการหมุนของอิเล็กตรอนจะมุ่งไปตามความเร็วก็ตาม

วิวัฒนาการของฟังก์ชันคลื่นของอะตอมนั้นคำนวณได้ไม่ยาก แพ็กเก็ตคลื่นที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นเริ่มต้นจะแบ่งออกเป็นสองแพ็กเก็ตที่เหมือนกัน โดยบินอย่างสมมาตรในมุมหนึ่งไปยังทิศทางเดิม กล่าวคือ อะตอม ซึ่งเป็นอนุภาคหนัก ซึ่งปกติถือว่าเป็นอนุภาคคลาสสิกที่มีวิถีโคจรแบบคลาสสิก แบ่งออกเป็นสองกลุ่มคลื่นที่สามารถแยกออกจากกันในระยะทางที่มองเห็นได้ในระดับมหภาค ในเวลาเดียวกัน ฉันจะสังเกตว่าจากการคำนวณ แม้แต่การทดลองสเติร์น-เกอร์ลัคในอุดมคติก็ไม่สามารถวัดการหมุนของอนุภาคได้

หากเครื่องตรวจจับจับอะตอมไฮโดรเจนในทางเคมี "ครึ่งหนึ่ง" ซึ่งเป็นแพ็กเก็ตคลื่นที่กระจัดกระจายสองอันจะถูกรวบรวมเป็นอันเดียว การที่อนุภาคที่มีรอยเปื้อนเกิดขึ้นเฉพาะที่นั้นเป็นทฤษฎีแยกต่างหากที่ฉันไม่เข้าใจ ผู้ที่สนใจสามารถค้นหาวรรณกรรมมากมายเกี่ยวกับประเด็นนี้

บทสรุป

คำถามเกิดขึ้น: อะไรคือความหมายของการทดลองจำนวนมากที่แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคในระยะไกล? นอกเหนือจากการยืนยันกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งไม่มีนักฟิสิกส์ทั่วไปคนใดสงสัยมานานแล้ว นี่คือการสาธิตที่น่าทึ่งซึ่งสร้างความประทับใจให้กับเจ้าหน้าที่สาธารณะและสมัครเล่นที่จัดสรรเงินทุนสำหรับวิทยาศาสตร์ (เช่น การพัฒนาสายการสื่อสารควอนตัมได้รับการสนับสนุนจาก Gazprombank) สำหรับฟิสิกส์ การสาธิตที่มีราคาแพงเหล่านี้ไม่ได้ให้ผลอะไรเลย แม้ว่าจะอนุญาตให้มีการพัฒนาเทคนิคการทดลองก็ตาม

วรรณกรรม
1. Landau, L. D. , Lifshits, E. M. กลศาสตร์ควอนตัม (ทฤษฎีไม่สัมพันธ์กัน) - ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 3 แก้ไขและขยายความ - อ.: Nauka, 2517. - 752 น. - (“ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี” เล่มที่ 3)
2. Eberhard, P.H., “ทฤษฎีบทของเบลล์และแนวคิดที่แตกต่างของการไม่อยู่ในท้องถิ่น” Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

คุณสามารถช่วยเหลือและโอนเงินบางส่วนเพื่อการพัฒนาเว็บไซต์ได้

สิ่งที่มาจากกลศาสตร์ควอนตัม

บทสรุป

ในช่วงศตวรรษครึ่งที่ผ่านมา การพัฒนาของมนุษย์มีการก้าวกระโดดครั้งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาฟิสิกส์พื้นฐาน ก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะมีเวลาศึกษาฟิสิกส์ของอะตอม โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้เริ่มถูกสร้างขึ้นแล้ว การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ที่ดำเนินการโดยไอน์สไตน์ได้นำเราไปสู่โลกาภิวัตน์โดยสมบูรณ์ด้วยดาวเทียมมากกว่าหนึ่งพันดวงในวงโคจรของโลก มีตัวอย่างมากมาย แต่ยังมีปัญหาที่แก้ไม่ได้และปรากฏการณ์ที่อธิบายไม่ได้อีกมากมาย หนึ่งในปรากฏการณ์เหล่านี้ซ่อนอยู่ในพิภพเล็ก ๆ ของกระบวนการควอนตัม กล่าวคือ การพัวพันกับควอนตัม คืออะไร เหตุใดจึงสำคัญและมีการวิจัยอะไรบ้างเพื่อแก้ไขปัญหานี้ - เราจะหารือในบทความนี้

ก่อนอื่น เรามานิยามแนวคิดของ "การพัวพันกับควอนตัม" กันก่อน ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับวัตถุในไมโครเวิลด์อธิบายได้ด้วยสถานะนามธรรม (ทางคณิตศาสตร์) ซึ่งรวมถึง ความน่าจะเป็นในการตรวจจับอนุภาคในปริมาตรที่กำหนด โมเมนตัมของอนุภาค ประจุหรือการหมุนของอนุภาค เป็นต้น "สถานะ" ดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยสมการทางกายภาพซึ่งแม้จะมีนามธรรมและซับซ้อน แต่ก็ยังสามารถทำนายผลลัพธ์ของการทดลองได้

การพันกันของควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่สถานะควอนตัมของอนุภาคตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเชื่อมโยงถึงกัน นั่นคือด้วยการกำหนดสถานะของอนุภาคหนึ่ง จึงเป็นไปได้ที่จะทำนายลักษณะบางอย่างของอีกอนุภาคหนึ่งได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์บางตัวของอนุภาคหนึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์บางตัวของอนุภาคอื่น โดยไม่คำนึงถึงระยะห่าง

ขัดแย้งกับ “หลักท้องถิ่น”

ดังที่ทราบจากผลงานของไอน์สไตน์ โดยธรรมชาติแล้วมีสิ่งที่เรียกว่า "หลักการของท้องถิ่น" ซึ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายไม่สามารถเกิดขึ้นได้ทันที แต่จะถูกส่งผ่านตัวกลาง ความเร็วในการส่งของการโต้ตอบนี้ไม่ควรเกินความเร็วแสงในสุญญากาศ ในเวลาเดียวกันดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความยุ่งเหยิงของควอนตัมสามารถสังเกตได้ในระยะทางอันกว้างใหญ่ด้วย "การถ่ายโอนข้อมูลทันที" ซึ่งเป็นการละเมิดหลักการของท้องถิ่นโดยตรง

ไอน์สไตน์ นีลส์ บอร์ และกลศาสตร์ควอนตัม

ในปีพ.ศ. 2470 การประชุม Fifth Solvay Congress จัดขึ้นที่กรุงบรัสเซลส์ ซึ่งเป็นการประชุมระดับนานาชาติเกี่ยวกับปัญหาปัจจุบันในสาขาฟิสิกส์และเคมี หนึ่งในการอภิปรายที่เกิดขึ้นคือหัวข้อที่เรียกว่าการตีความกลศาสตร์ควอนตัมของโคเปนเฮเกน

ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาโดย Niels Bohr และ Werner Heisenberg และกล่าวถึงลักษณะความน่าจะเป็นของฟังก์ชันคลื่น แม้จะมีวิธีแก้ปัญหาบางอย่างในฟิสิกส์ในขณะนั้น เช่น ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค ทฤษฎีนี้ก็ทำให้เกิดคำถามมากมายเช่นกัน ประการแรกความคิดของวัตถุที่มีแรงกระตุ้นที่รู้จักซึ่งไม่มีพิกัดเฉพาะ แต่มีเพียงความน่าจะเป็นของการตรวจจับ ณ จุดที่กำหนดเท่านั้นที่ขัดแย้งกับประสบการณ์ชีวิตของเราในโลกมาโคร นอกจากนี้ ทฤษฎีนี้ยังบอกเป็นนัยถึงความไม่แน่นอนในตำแหน่งของอนุภาคจนกว่าจะทำการวัด

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ไม่สามารถยอมรับการตีความนี้ได้ ทำให้เกิดวลีอันโด่งดังของเขาว่า "พระเจ้าไม่เล่นลูกเต๋า" ซึ่งนีลส์ บอร์ตอบว่า "อัลเบิร์ต อย่าบอกพระเจ้าว่าต้องทำอะไร" ความขัดแย้งอันยาวนานระหว่างไอน์สไตน์และบอร์จึงเริ่มต้นขึ้น

คำตอบของไอน์สไตน์เกิดขึ้นในปี 1935 เมื่อเขาร่วมกับบอริส โพโดลสกี และนาธาน โรเซน ตีพิมพ์บทความเรื่อง "คำอธิบายทางกลควอนตัมของความเป็นจริงทางกายภาพถือว่าสมบูรณ์ได้หรือไม่" บทความนี้นำเสนอการทดลองทางความคิดที่เรียกว่า “ความขัดแย้งของไอน์สไตน์-โพโดลสกี-โรเซน” (EPR Paradox)

การทดลองนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อหักล้างข้อความพื้นฐานสำหรับกลศาสตร์ควอนตัมเช่นเดียวกับหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ซึ่งระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะวัดคุณลักษณะสองประการของอนุภาคพร้อมกัน ซึ่งมักหมายถึงโมเมนตัมและตำแหน่ง

EPR Paradox ดำเนินไปเช่นนี้ ปล่อยให้อนุภาคชนิดเดียวกันสองตัวเกิดขึ้นเนื่องจากการสลายของอนุภาคที่สาม จากนั้นผลรวมของโมเมนตัมจะเท่ากับโมเมนตัมของอนุภาคดั้งเดิมตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ต่อไป เมื่อทราบโมเมนตัมของอนุภาคดั้งเดิม (ซึ่งผู้ทดลองจะเตรียมล่วงหน้า) และการวัดโมเมนตัมของอนุภาคที่สอง คุณก็จะสามารถคำนวณโมเมนตัมของอนุภาคแรกได้ นั่นคือจากการวัดเราได้รับคุณลักษณะของอนุภาคแรกเป็นโมเมนตัม ตอนนี้เราวัดพิกัดของอนุภาคที่สอง และด้วยผลที่ตามมา เราจะมีลักษณะเฉพาะที่วัดได้สองประการของอนุภาคหนึ่ง ซึ่งขัดแย้งโดยตรงกับหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก

อย่างไรก็ตาม ในกลศาสตร์ควอนตัมเองก็มีวิธีแก้ไขความขัดแย้งนี้เช่นกัน ตามกฎของโลกควอนตัม การวัดใดๆ จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในลักษณะของวัตถุที่วัดได้ จากนั้น ก่อนที่จะวัดพิกัดของอนุภาคที่สอง โมเมนตัมที่แน่นอนสามารถเกิดขึ้นได้ แต่ในขณะที่ทำการวัดพิกัด สถานะของอนุภาคจะเปลี่ยนไป และไม่สามารถพูดได้ว่าคุณลักษณะเหล่านี้ถูกวัดพร้อมกัน

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค เมื่ออยู่ในระยะห่างที่กำหนด อนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้จึงมีสถานะที่อธิบายโดยฟังก์ชันคลื่นเดี่ยว จากนี้ไปการวัด (และการเปลี่ยนแปลง) โมเมนตัมของอนุภาคหนึ่งยังนำไปสู่การวัดโมเมนตัมของอีกอนุภาคหนึ่งด้วย ยิ่งกว่านั้นไม่อนุญาตให้เพิ่มระยะห่างระหว่างอนุภาคเหล่านี้ซึ่งขัดแย้งกับหลักการของท้องถิ่นอีกครั้ง

ทฤษฎีบทของเบลล์

เป็นเรื่องยากสำหรับบุคคลที่มีอยู่ตลอดประวัติศาสตร์ในระดับมหภาคที่จะเข้าใจกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมักจะขัดแย้งกับการสังเกตในจักรวาลมหภาค นี่คือที่มาของทฤษฎีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่ ซึ่งปฏิสัมพันธ์ระยะยาวระหว่างอนุภาคที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้อาจเกิดจากการมีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่ในตอนแรกของอนุภาค พูดง่ายๆ ก็คือ การวัดอนุภาคหนึ่งไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะของอีกอนุภาคหนึ่ง และทั้งสองสถานะนี้เกิดขึ้นพร้อมกับอนุภาคเหล่านี้ ในขณะที่อนุภาคดั้งเดิมสลายตัว คำอธิบายตามสัญชาตญาณดังกล่าวจะทำให้จิตใจมนุษย์พึงพอใจ

ในปี 1964 จอห์น สจ๊วต เบลล์ ได้กำหนดความไม่เท่าเทียมกันของเขา ซึ่งต่อมาเรียกว่าทฤษฎีบท ซึ่งช่วยให้สามารถทำการทดลองเพื่อระบุได้อย่างแม่นยำว่ามีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่อยู่หรือไม่ นั่นคือถ้าอนุภาคมีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่ก่อนการแยกตัว ความไม่เท่าเทียมกันหนึ่งจะเกิดขึ้น และหากสถานะของพวกมันเชื่อมโยงกันและไม่แน่นอนก่อนการวัดอนุภาคตัวใดตัวหนึ่ง ความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์อีกอันหนึ่งก็จะคงอยู่

ในปี 1972 ฟรีดแมนและเคลาเซอร์ทำการทดลองที่คล้ายกัน และผลลัพธ์บ่งชี้ว่ามีความไม่แน่นอนในรัฐก่อนการวัด อย่างไรก็ตาม ชุมชนวิทยาศาสตร์มองว่าปรากฏการณ์นี้เป็นความลำบากใจที่จะได้รับการแก้ไขไม่ช้าก็เร็ว อย่างไรก็ตาม ในปี 1981 ทฤษฎีฟิสิกส์เกิดระเบิดขึ้นครั้งที่สอง - การทดลองของ Allen Aspe การทดลองที่ได้รับความนิยมอย่างมากนี้กลายเป็นข้อโต้แย้งล่าสุดที่สนับสนุนการพัวพันของควอนตัมและสิ่งที่เรียกว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" และถึงแม้จะไม่สามารถยุติปัญหานี้ได้ในที่สุด แต่ผลลัพธ์ก็น่าเชื่อมากจนนักวิทยาศาสตร์ต้องยอมรับคุณลักษณะนี้ของโลกควอนตัม

การวิจัยพัวพันควอนตัม

ทำไมหัวข้อที่รู้กันมานานนี้ถึงถูกหยิบยกขึ้นมาอีกครั้ง? ความจริงก็คือในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาในด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานบนพื้นฐานของการพัวพันกับควอนตัมนั้นมีความก้าวหน้าอย่างมาก ดังนั้นในเดือนมีนาคม 2018 Google จึงประกาศความสำเร็จในการสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัม 72 คิวบิตที่เรียกว่า Bristlecone ซึ่งบรรลุ "อำนาจสูงสุดของควอนตัม" นั่นคือสามารถทำงานที่ไม่สามารถเข้าถึงได้จากคอมพิวเตอร์ทั่วไป

นอกจากนี้ในฤดูร้อนปี 2561 มีการตีพิมพ์ผลงานทางวิทยาศาสตร์ในวารสาร Nature ซึ่งพูดถึงการสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมเครื่องแรกที่มีหน่วยความจำระยะยาว ก่อนหน้านี้ในปี 2558 กลุ่มวิจัยเดียวกันจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ ร่วมกับโรนัลด์ แฮนสัน หัวหน้าองค์กร QUTech ได้นำเสนอหลักฐานที่น่าเชื่อถือยิ่งขึ้นของการมีอยู่ของการพัวพันกับควอนตัม

เกี่ยวกับการทดลองที่ TU Delft

การทดลองซึ่งเผยแพร่ผลในปี 2558 ดำเนินการดังนี้ การทดลองใช้แผ่นเพชรที่มีโพรงโพรงที่เต็มไปด้วยไนโตรเจน เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ในปี 2010 คริสตัลเพชรสองเม็ดดังกล่าวถูกวางไว้ที่ระยะห่างกัน 1.3 กม. จากการฉายรังสีของทั้งสองแผ่นด้วยรังสีไมโครเวฟและเลเซอร์ อิเล็กตรอนของ "กับดักเพชร" เหล่านี้จึงเข้าสู่สภาวะตื่นเต้นและปล่อยโฟตอนคู่หนึ่งซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์นี้ ความพัวพันของควอนตัมเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนที่ปล่อยโฟตอนเหล่านี้

เพื่อตรวจจับปรากฏการณ์นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจวัดการหมุนของอิเล็กตรอนจากแผ่นเปลือกโลกต่างๆ เกือบจะพร้อมๆ กัน ซึ่งจะทำให้ไม่สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างแผ่นเหล่านั้นด้วยความเร็วแสงได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อปรากฏออกมา การหมุนของอิเล็กตรอนทั้งสองถูกซิงโครไนซ์ ซึ่งบ่งชี้ถึงการถ่ายโอนข้อมูลในลักษณะใดลักษณะหนึ่งที่ทำให้สามารถเกินความเร็วแสงได้ แน่นอนว่าขั้นตอนการกำหนดคุณลักษณะของอิเล็กตรอนนั้นซับซ้อนกว่ามากและจำเป็นต้องมีการคำนวณและเปรียบเทียบฟังก์ชันคลื่นจำนวนมาก แม้จะมีความยากลำบากในการทดลอง แต่ก็มีการดำเนินการ 245 ครั้งในช่วง 18 วัน และได้รับการวางแผนเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมด ทั้งจากเครื่องมือวัดและจากสิ่งแวดล้อม

การทดลองสำคัญในอนาคตที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในอีกสามปีข้างหน้าจะปิดหัวข้อนี้ในที่สุด ทีมวิจัยวางแผนที่จะรวบรวมรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากพัลซาร์ รวมถึงแสงที่มาจากกาแลคซีไกลโพ้น การทดลองดังกล่าวจะหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อระหว่างเครื่องมือวัดและแหล่งสัญญาณ จึงขจัดความเป็นไปได้สุดท้ายที่จะมีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่

การพัฒนาของ QUTech ก้าวไปไกลกว่าฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและก้าวไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังนั้น ในปี 2012 กลุ่มวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มได้พัฒนาโปรเซสเซอร์ควอนตัมขนาด 2 คิวบิตโดยใช้คริสตัลที่กล่าวมาข้างต้น และในปี 2018 ได้มีการตีพิมพ์บทความซึ่งนักวิจัยได้บรรยายถึงโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่พวกเขาสร้างขึ้นด้วยหน่วยความจำระยะยาว ปัญหาในการสร้างโปรเซสเซอร์ดังกล่าวคือการเชื่อมต่อระหว่างควอนตัมบิต (“คิวบิต”) หายไปเร็วกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะตรวจพบได้ การทดลองอีกครั้งที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์แสดงให้เห็นว่าโปรเซสเซอร์ใหม่ไม่มีปัญหานี้

ทีมวิจัยใช้แผ่นเพชรดังกล่าวซึ่งมีอะตอมไนโตรเจน "ซ่อน" อยู่ในอะตอมของคาร์บอน ตำแหน่งที่อะตอมไนโตรเจนตั้งอยู่นั้นมีคุณสมบัติเฉพาะราวกับว่ามีอะตอมของคาร์บอนอยู่ในเซลล์ของโครงตาข่ายคริสตัลนี้ แต่อยู่ในสถานะ "แช่แข็ง" วิธีการนี้ช่วยยืดอายุของคิวบิตเพชรได้อย่างมาก (300-500 มิลลิวินาที) นอกจากนี้ ยังได้พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับ "พันกัน" อิเล็กตรอนที่จุดบกพร่องเหล่านี้

เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงเป็นความก้าวหน้าในด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังนำเราเข้าใกล้อินเทอร์เน็ตควอนตัมอีกก้าวหนึ่งอีกด้วย ปฏิสัมพันธ์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมหลายเครื่องจะทำให้สามารถจัดระเบียบเครือข่ายระหว่างคอมพิวเตอร์เหล่านั้นได้ ซึ่งทำงานโดยการถ่ายโอนคิวบิตที่พันกัน ข้อดีคือความเร็ว: มีคอมพิวเตอร์ควอนตัม k เครื่อง แต่ละเครื่องประกอบด้วย n คิวบิต จากนั้น ในการส่งข้อมูลสถานะที่สมบูรณ์ของคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งผ่านเครือข่ายทั่วไป จำเป็นต้องใช้ข้อมูล 2n บิต ในขณะที่เครือข่ายควอนตัมต้องใช้เพียง n คิวบิตเท่านั้น การพัวพันระหว่างคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องในระดับเครือข่ายทั้งหมดทำให้เกิดข้อได้เปรียบในด้านความเร็วของการถ่ายโอนข้อมูลตามขนาดต่างๆ

ผลลัพธ์

แม้ว่าโลกควอนตัมจะสร้างความตื่นเต้นให้กับจิตใจหลายๆ คนทั่วโลก แต่การพัวพันกับควอนตัมในปัจจุบันก็เป็นปรากฏการณ์ที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ซึ่งไม่เพียงแต่สังเกตได้จากการทดลองเท่านั้น แต่ยังใช้ในกระบวนการทางเทคโนโลยีด้วย การใช้ควอนตัมพัวพันเพิ่มเติมอาจทำให้มนุษยชาติก้าวไปสู่ระดับการพัฒนาที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์และอินเทอร์เน็ตที่รวดเร็วเกินจินตนาการ