Розділи статей

Квантове зчеплення, ось у чому справа?

Програми, або квантове зв’язування як корисна річ

Квантове сполучення - це технічна фізична концепція, яку широка громадськість почала застосовувати в останні роки. Граючи ключову роль у квантових комп’ютерах, частота її появи зростатиме. Суворе визначення словника не дуже чітке і не дозволить нам зрозуміти, про що йдеться. Щоб краще зрозуміти, як працює квантове зв’язування і яку роль воно відіграє, ми повинні повернутися до початку 20 століття, одного з найбільш прогресивних періодів у фізиці.

Квантове зчеплення, ось у чому справа?

Професор Стівен Хокінг, один із найвідоміших сучасних фізиків, колись сказав, що філософія мертва. Це твердження перебільшено, але він у чомусь має рацію. Протягом століть філософія йшла рука об руку з наукою, наука досліджувала Всесвіт і філософія наше становище в ньому. Ми виявили, що ми не були центром Всесвіту, а потім задумались, що це означає для нашого існування.

Ці відносини почали руйнуватися на початку 20 століття. Приблизно тоді наука перестала бути людиною - не в негативному, а в позитивному сенсі вона почала залишати кайдани людських почуттів. Мозок, завдяки якому ми сприймаємо реальність навколо нас, еволюціонував, щоб вижити в джунглях. Ми сприймаємо світлові та звукові сигнали та подразники, аналізуємо їх, намагаємося передбачити, що буде, і як це використовувати. Хтось кидає тобі м’яч, ти підсвідомо з’ясовуєш, де воно буде за мить, робиш кілька кроків, простягаєш руку, і м’яч б’є тебе точно по долоні.

Фізичний опис природи був інтуїтивно зрозумілим до 20 століття. Об’єкти діяли один на одного із силами, які визначали, як вони рухатимуться. Всесвіт нагадував фільм, час можна було порізати на окремі кадри. Якщо ми знаємо, що відбувається на першому пострілі, ми можемо підрахувати, що відбувається на другому, третьому, ... (або гармата на нулі, мінус перший і попередній).

Але Всесвіт відрізняється від того, що нам здається. Кольори, які ми бачимо, складають лише невеликий фрагмент усього спектру довжин хвиль. Технології зробили невидиме доступним для нас - темні частини неба оживали рентгенівськими променями, теплокровні істоти з інфрачервоним світлом. Чим далі ми віддалялися від людських ваг, тим більші сюрпризи нас чекали. Речі навколо нас рухаються зі швидкістю кілька метрів в секунду, що становить близько ста мільйонів максимально можливої ​​швидкості - швидкості світла. Якщо ми почнемо наближатися до цієї межі, почнуть відбуватися речі, до яких розум нас не підготував, це було як - предмети почнуть скорочуватися, час почне текти повільніше.

Вихідні про квантову прив'язку


Квантова телепортація - це транспорт майбутнього?

Інтерв’ю з Даніелем Нагаї: Вивчаючи межі квантових комп’ютерів, “я з нетерпінням чекаю їх, але вони не будуть усім”.

Подібним чином, неінтуїтивні речі починають відбуватися, коли предмети стають настільки масивними, що вони починають значно відкладати час і простір у своєму оточенні, як це робить, наприклад, наша Земля, в результаті чого ми відчуваємо силу тяжіння. Альберт Ейнштейн дослідив світ високих швидкостей і великих гравітацій 100 років тому у своїй теорії відносності. Хоча зараз теорія відносності загальновизнана, спочатку вона не була такою, оскільки вона суттєво відрізнялася від загальних уявлень про функціонування світу. Але експерименти говорили чітко - Всесвіт просто інший, ніж ми думали.

Колись Артру Еддінгтону, керівнику одного з цих експериментів, було підлещено, що у світі було лише троє людей, які розуміли теорію Ейнштейна. Відповідь Еддінгтона: «Хто третій?» Був потішений, але не дуже перебільшений. Навіть сьогодні теорія вимагає декількох курсів математики та відновлення інтуїції.

Ще один світ, до якого нам відкрили двері технології, - це світ атомів. Незвичайність цього світу була великим укусом і для Ейнштейна. Це не так дивно, що ми не повністю витратили його до сьогодні. Але експерименти знову зрозумілі - в деяких випадках існує збіг між теорією та експериментом до дванадцяти знаків після коми.

Ключовим поняттям квантової механіки є т. Зв Принцип суперпозиції - частинки можуть перебувати одночасно в декількох станах, вони вибирають один із них лише тоді, коли ми їх вимірюємо. Слово "вибрати" означає метафорично, це не свідоме рішення, результат вимірювання є випадковим.

Давайте продемонструємо це на прикладі, який буде продовжувати супроводжувати нас - частинки хребта, такі як електрон. Він описує напрямок обертання частинки і, як правило, може приймати лише два значення, наприклад вгору a вниз. Ми можемо виміряти результат для різних суперпозицій вгору і вниз з різною ймовірністю. Таким чином, ми можемо створити стан, який матиме значення при вимірюванні вгору завжди, у половині випадків, лише іноді або ніколи - що б ми не вибрали.

Перше вимірювання частки в суперпозиції є випадковим, але всі інші вже дають однаковий результат, тобто якщо ми нічого іншого не робимо з частинкою. Вимірювання змінило суперпозицію на т.зв. різкий стан, тобто такий, вимірювання якого завжди виявляється однаковим. Таким чином, можуть бути результати повторних вимірювань вгору, вгору, вгору, ... Або вниз, вниз, вниз, ... Після першого вимірювання ми вже знаємо, який спін має частинка, і подальші вимірювання не принесуть нічого нового.

Ще однією дивовижною особливістю квантової механіки є принцип невизначеності - існують змінні, значення яких ми можемо знати, але не всі одночасно. Приклад з Гейзенберга добре відомий - ми або точно знаємо, де знаходиться частинка, або з якою швидкістю вона рухається. Це звучить неймовірно, але це можна зрозуміти.

Ми вимірюємо положення частинки, просвічуючи її світлом. Чим точніше вимірювання, яке ми хочемо, тим коротші довжини хвиль ми будемо використовувати. Світло з короткою довжиною хвилі, наприклад рентгенівське, має високу енергію і сильно збиває частинку під час зіткнення - надаючи їй імпульсу. Чим точніше ми вимірюємо положення, тим сильніше удар вдарить частинку і втратить інформацію про її швидкість. Вимірювання вимагає втручання в систему.

Інший приклад несумірних величин - спін у вертикалі (вгору, вниз) та горизонтальний напрямок (зліва, транспортування). Якщо ми виміряємо спін вертикально і виявимо, що він вгору, вимірювання в горизонтальному напрямку буде на рівні 50% зліва і на 50% транспортування.

Уявіть собі, що ми досліджуємо одну частинку і по черзі вимірюємо спін один раз у вертикальному напрямку і один раз у горизонтальному, результати можуть виглядати так: вгору, вліво, вниз, вліво, вгору, вправо, ... Що в цьому особливого? Якби ми вимірювали лише вертикально і перше вимірювання було вгору, в результатах не буде жодного зниження, вони були б лише вгору, вгору, ... Вимірювання знову вплинули на досліджувану систему.

Як бачите, вимірювання квантових частинок дивним чином працює лише з однією частинкою. Речі стануть ще цікавішими, якщо ми з’єднаємо (перемотаємо) її з другою частинкою. Це означає, що якщо ми дізнаємось щось про одного з них, ми можемо сказати щось про іншого - не вимірюючи цього.

Наприклад, у звичайному, неквантовому світі ситуація, коли ви розділите пару рукавичок на дві кишені, відповідала б цьому. Якщо ви подивитесь на першу і побачите в ній ліву рукавичку, ви не дивлячись знаєте, що у вас є права рукавичка у другій кишені.

Якщо ми маємо пов'язані квантові частинки, то це може виглядати, наприклад, що перше вимірювання однієї з них виявляється 50% вгору і на 50% вниз, але другий з них вже дасть 100% протилежний результат.

На перший погляд це не звучить дивно, але насправді це так - і навіть настільки, що засмутило Ейнштейна, Подільського та Розена, які назвали це дивним ефектом на відстані. В чому проблема? Вимірювання першої частинки вплине на можливі результати другої частинки, незалежно від їх віддаленості. Хоча це не порушує обмеження Ейнштейна щодо граничної швидкості світла - ми не можемо активно передавати будь-яку інформацію таким чином, але вона все ще є дуже загадковою.

язок
 Назва статті в "Нью-Йорк Таймс" у 1935 р. (Переклад Ейнштейна напав на квантову теорію) у відповідь на експертну статтю Ейнштейна, Подольського та Розена, в якій вони сформулювали парадокс ЕПР - експериментальний роздум, який показав неповноту квантово-механічної теорії . Пізніше Ейнштейн назвав це "переслідуванням на відстані".


Така річ виступала б як магічний фокус. Як одна частинка може одразу знати на відстані, як вийшло вимірювання іншої? На місці є підозра, як при перегляді спритного ілюзіоніста. Частинки більше не були «узгоджені» заздалегідь, отже, вони не мали прихованої інформації про результати вимірювань з того моменту, як ми їх з’єднали? Хоча результати нам здаються випадковими, вони не були вирішені заздалегідь?

Теорія прихованих змінних, як називають цю ідею, торкається глибокого питання - чи квантово-механічні вимірювання насправді випадкові, чи випадковість лише очевидна, спричинена нашим незнанням? Існує експеримент, розроблений Дж. С. Беллом, який дозволяє розрізнити реальну та видиму випадковість, і результати говорять самі за себе - випадковість у квантовій механіці реальна, а частинки не знають результатів вимірювань заздалегідь.

Ми ще не змогли з’ясувати, як це насправді працює і чому наша інтуїція зазнає збою. Однак це не заважає нам шукати додатки для квантового зв'язку. Це головним чином у галузі квантових комп’ютерів. Експерти вважають їх технологією майбутнього, хоча їх можливості не будуть необмеженими, як це іноді припускають широкий загал, але вони все одно вийдуть далеко за межі нинішніх комп’ютерних технологій.