Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность лежит в основе квантовой механики, однако она не сразу заняла свое законное место. Великие умы своей эпохи, в том числе и Альберт Эйнштейн, пытались доказать, что подобные состояния невозможны, однако в наши дни можно с уверенностью сказать, что квантовая запутанность реальна1 и может применяться в повседневной жизни. Как и зачем запутываются квантовые частицы, ПостНауке рассказал физик Алексей Рубцов.Это материал изгида Квантовая механика. Партнер гидаАкадемияРосатома.Принцип неопределенностиПринцип неопределенности Гейзенберга в традиционном понимании сформулирован применительно к одной частице. Пожалуй,самый известный его пример это невозможность одновременного измерения координаты и импульса частицы. Выражается это через неравенство p x/2, обозначающее, что произведение погрешности измерения импульса частицы на погрешность измерения координаты частицы не может быть меньше половины приведенной постоянной Планка. Значит, если мы точно измеряем координату (x мало), то полностью разрушаем информацию о том, какой импульс у этой частицы (p велико). В противоположной ситуации, если мы начинаем точно измерять импульс частицыили связанные с ним величины, напримерэнергию кинетического движения или скорость частицы (p мало),мы испортим информацию о координате (x велико). Но мы точно так же можем измерить координату не очень точно и при этом не очень сильно испортить импульс (x и p одинаково плохи), и предел этого нам и задан принципом неопределенности.Принцип суперпозиции в квантовой механикеДавайте сначала поймем, что такое принцип суперпозиции. Он говорит нам о том, что амплитуды (не интенсивности!) волн из двух разных источников складываются и результат этого сложения может привести как к конструктивной, так и деструктивной интерференции, при этом амплитуды могут быть как действительными, так и комплексными. В результате волны могут взаимно усиливаться или ослабляться. Причем волны здесь могут быть любыми: как классическими, напримерэлектромагнитными или просто волнами на воде, так квантово-механическими, то есть волнами де Бройля.Если есть источник одной волны, то принцип суперпозиции можно применить к тому случаю, когда у этой волны есть два (или более) возможных пути дойти от источника до приемника. Если, например, есть какое-то полупрозрачное зеркало, то на его основе можно построить оптический интерферометр, напримеринтерферометр Маха Цендера. Интерферометр это такая конструкция, когда волна сначала расщепляется на две части, а потом собирается вместе. В зависимости от того, какой оптический путь проходит волна в одном плече, а какой в другом плече, с использованием принципа суперпозиции мы можем сказать, что это будто бы две независимых волны, которые складываются конструктивнолибо деструктивно, и, соответственно, мы будем видеть светлую или темную полосу в интерференционной картинке.
В квантовой механике все то же самое, если говорить о волнах де Бройля: они складываются или вычитаются на приемнике в зависимости от фаз. На этом, например, основаны методы электроно- и нейтронографии, в которых электроны и нейтроны когерентно рассеиваются на молекулах и кристаллах, в результате чего возникают интерференционные картины, по которымможно судить о структуре вещества.Но квантовая система может находиться в состоянии суперпозиции двух разных состояний и в более широком смысле. Например, частица может быть в состоянии суперпозиции, когда она находится в одном местеи когда она находится в другом месте. Или же фотон с круговой поляризацией можно рассматриватькак суперпозицию фотона с двумя перпендикулярными линейными поляризациями.Траектории квантовых частицБывают ситуации, когда траектории квантовых частиц можно измерить. Классический пример в эксперименте это треки частиц в пузырьковой камере экспериментальной установке, предназначенной для регистрации элементарных частиц и их превращений. Это камера с перегретой жидкостью, напримержидким водородом, в которой прохождение частицы вызывает вскипание жидкости, что приводит к появлению следа из пузырьков. И таким образом траекторию частицы можно измеритьи даже увидеть глазами. Другое дело, что скорости, а значит, и импульсычастиц, регистрируемые таким образом, и размеры самих устройствнастолько велики, что эффекты от принципа неопределенности Гейзенберга не видны на этих масштабах.
В других же экспериментах попытка измерить траекторию квантовой частицы приводит к тому, что ее квантовое состояние разрушается, и экспериментальные последствия этого могут быть достаточно радикальные. Например, в эксперименте с оптическим интерферометром, описанном выше, можно попытаться измерить, по какому из двух плеч интерферометра проходят фотоны: через верхнее или через нижнее. Результат таких попыток выглядит довольно парадоксально: когда мы только пытаемся это сделать, у нас разрушается интерференционная картинка на приемнике. Изначальная интерференция появлялась потому, что фотон как бы одновременно проходил по одной из двух траекторий через верхнее и через нижнее плечо и эти две волны складывались или вычитались. Как только мы подглядели (узнали), по какой траектории он прошел, мы эту картинку испортили, поскольку мы точно знаем, что он прошел по одному плечу, а значит, в другом плече ничего не было, поэтому и интерферировать нечему.Перепутанные состоянияПо определениюперепутанные состояниядвух частиц в квантовой механике это состояния, в которых волновая функция не является произведением одночастичных волновых функций, поэтому проще понять, что такое неперепутанное состояние. Неперепутанное состояние это две частицы, которые друг о друге не знают вообще ничего: есть отдельно одна частица, отдельно вторая частица, и каждая из них двигается по какому-то своему закону. Поэтому, видимо, в классической механике только неперепутанные состояния и существуют:есть две или больше частиц, и они двигаются по отдельности, у каждой своя траектория движения своя скорость и координата в данный момент времени.В классическом, неквантовомсмысле перепутанность появляется, если мы рассматриваем не просто две частицы, а некий, как говорят, статистический ансамбль, допустимгазили жидкость. В этом случае появляется взаимосвязь, или, говоря терминологически, корреляция между измерениями различных частиц. Например, можно сказать, что если Иванов не пошел на лекцию, то друг его Петров, наверное, тоже не пошел на лекцию. Они находятся в связанном состоянии, но в классическом смысле, поскольку мы в любой момент точно можем сказать, находится ли на лекции Иванов или Петровили нет.Часто говорят, что квантовые перепутанные состояния двух частиц это суперпозиция двух неперепутанных состояний, когда, например, один фотон находится в состоянии с вертикальной поляризацией, а другой с горизонтальной поляризацией (|1|2), и другого состояния, когда первый имеет горизонтальную, а второй вертикальную (|1|2) поляризацию. Перепутанное же состояние суперпозиции это, например, состояние |1|2+|1|2, в котором с равной вероятностью находится либо первая конфигурация частиц, либо вторая, и заранее нельзя сказать, какая из них получится при измерении, поскольку у нас есть их смесь.Парадокс Эйнштейна Подольского Розена (ЭПР)ЭПР-парадокс это некий мысленный эксперимент, придуманный Эйнштейном, Подольским и Розеном для того, чтобы атаковать копенгагенскую интерпретацию квантовой механики школы Бора. Идея в следующем: давайте рассмотрим дваэлектронаили какие-либо другие микрочастицы, находящиеся в перепутанном состоянии. Если говорить про электроны, у одного спин смотрит вверх (|), а у другого вниз (|), и наоборот (|1|2-|1|2), и эти две частицы летят от источника в разные стороны. Поскольку они находятся в перепутанном состоянии, то, пока эти частицы ни с чем не провзаимодействуют, в этом перепутанном состоянии с точки зрения их спинов они и будут находиться, как бы далеко они ни разлетелись. Когда мы через некоторое время, после того как эти связанные частицы родились, меряем ориентацию спина одной из частиц, мытут же узнаемчто-то про ее волновую функцию, хотя явным образом никаких операций с другой частицей не проводим. Нам становится известно, что у нее спин противоположен тому, что мы измеряли у электрона,полетевшегов другую сторону. С поляризациями у фотонов то же самое.Можно попробовать представить себе аналогичную классическую ситуацию: берем два конверта, в один из них кладем красную бумажку, в другой синюю. Потом заклеиваем эти конверты, хорошо тасуем, так что не знаем, в каком конверте какая бумажка находится. На одном пишем парижский адрес, на другом токийскийи посылаем эти два конверта по почте. Пока они не доберутся до адресатов, у нас они тоже будто находятся в состоянии суперпозиции: мы ничего не знаем о цветах бумажек, пока не откроем один из конвертов, но, как только мы вскроем японский конверт, мы волшебным образом узнаем содержимое парижского конверта, хотя парижский мы не трогали.Парадокс Эйнштейна Подольского Розена выглядит точно так же, и выглядит это действительно парадоксально в том смысле, что заведомо ничего физического произойти со второй частицей не может, поскольку мы находимся за пределами светового конуса, а значит, информация о том, что мы что-то померили, так быстро добраться до второй частицы просто не способна. Однако принципиальная разница между квантовыми частицами и конвертами в том, что в случае с конвертамис разными бумажками какое-то сверхъестественное существо, которое наблюдает за тем, что происходит в нашем мире, конечно, могло бы за всем проследитьи, следовательно, знать заранее, какая бумажка в каком конверте находится, а загадка этатолько для нас, потому что мы тасовали конверты. И собственно квантово-механический парадокс состоит в том, что в соответствии с принципами квантовой механики о результате в принципе никто не может знать до измерения: во Вселенной нет информации о том, как сориентирован спин частицы, полетевшей налево, до тех пор пока мы не измерили состояние спина частицы, полетевшей направо, но, как только мы измеримспин одной, мы тут же узнаем спин другой. Это ровно то, с чем не мог смириться Эйнштейн, когда говорил про квантовую механику.Неравенство БеллаНадо подчеркнуть, что, когда речь заходит про Эйнштейна и Бора, было бы глупо думать, что Эйнштейн не верил в квантовую механику. Уже в 1930-е годы всем было ясно, что квантовая механика описывает огромное количество экспериментальных данных, поэтому в этом смысле ее уравнения, конечно же, являются правильными. Эйнштейн же полагал, что квантовая механика это не окончательная теория, что есть так называемые локальные скрытые параметры. В наших терминах: если сверхъестественное существо могло бы подсмотреть внутрь этих частиц, то увидело бы некую внутреннюю переменную, про которую мы, люди, просто не знаем, и, имея информацию об этой переменной, оно могло сразу сказать, какой спин у частиц мы измерим, как только эти частицы разбежались.Физик Джон Белл в 1964году предложил неравенство для проверки этой гипотезы локальной теории со скрытыми параметрами. В математике существуют так называемые теоремы запрета (no-go theorems), которые указывают, что что-то сделать нельзя в принципе, и неравенство Белла это одна из таких теорем. Неравенство будет нарушаться, только если скрытые параметры не существуют. В результате получается экспериментальный способ не что-то установить, а что-то опровергнуть, совершенно другой способ взглянуть на наш мир. Чтобы проверить неравенство Белла, надо делать три класса измерений. В случае фотонов, например, можно измерять поляризацию горизонтальную, вертикальнуюи еще в каком-нибудь промежуточном направлении, например повернутом на 45. Экспериментальный ответ из экспериментальных проверок неравенств Белла состоит в том, что неравенства эти нарушаются, а значит, никаких локальных скрытых параметров не существует.Как можно получить запутанные состояния?Самое простое заставить две частицы провзаимодействовать. Возьмем и столкнем две заряженных частицы, скажем два электрона. После столкновения они куда-то полетят. Если мы знаем, что их суммарный импульс равен нулю, то мы не знаем, куда полетела одна частица, а куда полетела вторая, но мы точно знаем, что они полетели в противоположные стороны, это немного утрированно, но в принципе правильно. Когда они улетят достаточно далеко друг от друга, что взаимодействовать между собой уже не будут, мы точно будем знать, что если одна частица поймана в одном месте, то вторую надо искать в противоположном направлении относительно места столкновения. Это тоже пример перепутанного состояния, но не со спиновыми переменными, а с обычными координатами.С практической же точки зрения в современной физике важен особый класс систем бифотоны. Это фотоны, рождающиеся парами и знающие о состоянии друг друга: у них известна сумма частот, заданы конфигурации взаимных поляризаций. Вобщем, это единое целое два перепутанных фотона, летящие в разные стороны. Такие пары рождаются, например, в нелинейных кристаллах при распаде одного фотона на два. Поэтому, говоря про ЭПР-парадокс, сейчас в первую очередь имеют в виду бифотоны.Для чего используются запутанные состояния?Область применения, для которой очень важная квантовая запутанность, это квантовые компьютеры. По определениюквантовый компьютер это система, в которой носители квантовой информации, кубиты, находятся в перепутанном состоянии. Этих кубитов желательно должно быть не два, а, условно говоря, 20, а ещелучше 200.Бифотонам можно тоже придумать достаточно простое применение. Чем отличается бифотон от обычного фотона? Тем, что если мы один из фотонов задетектировали, то мы точно знаем, что где-то еще есть второй. Таким образом, если у нас ситуация какой-то сильной засветки, когда есть много внешних фотонов, откуда-то прилетающих, мы можем родные фотоны, испущенные нашей установкой, зафиксировать просто по моменту их регистрации. На основе этой идеи пытаются строить фотодетекторы, лидары, устройства, которые ставят, например, на беспилотные автомобили. Если собственное излучение этого детектора очень хорошо отличается от любых внешних засветок, тогда нам совершенно неважно, каким светом нас будут слепить другие машины: мы все равно надежно поймаем собственный источник. Но на самом деле, конечно, чаще говорят о военном применении подобных устройств в качестве помехозащищенных радаров.Что почитатьНиколяЖизан,Квантовая случайность.Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса,2016
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 21.12.2020 12:09:29
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru