Splątanie kwantowe bez zamieszania - co to jest. Świat kwantowy

Kiedy Albert Einstein zachwycał się „upiornym” sprzężeniem dalekiego zasięgu pomiędzy cząstkami, nie myślał o swojej ogólnej teorii względności. Odwieczna teoria Einsteina opisuje, jak powstaje grawitacja, gdy masywne obiekty zakrzywiają strukturę czasu i przestrzeni. Splątanie kwantowe, to przerażające źródło einsteinowskiej paniki zwykle obejmuje maleńkie cząstki, które mają niewielki wpływ na grawitację. Drobinka kurzu deformuje materac dokładnie w taki sam sposób, w jaki cząstka subatomowa zagina przestrzeń.

Jednak fizyk teoretyczny Mark Van Raamsdonck podejrzewa, że splątanie i czasoprzestrzeń są w rzeczywistości powiązane. W 2009 roku obliczył, że przestrzeń bez splątania nie byłaby w stanie się utrzymać. Napisał artykuł, w którym wykazał, że splątanie kwantowe jest igłą zszywającą gobelin kosmicznej czasoprzestrzeni.

Wiele czasopism odmówiło publikacji jego prac. Jednak po latach początkowego sceptycyzmu zgłębianie idei kształtowania czasoprzestrzeni przez splątanie stało się jednym z najgorętszych trendów w fizyce.

„Z głębokich podstaw fizyki wszystko wskazuje na splątanie przestrzeni” – mówi John Preskill, fizyk teoretyczny z Caltech.

W 2012 roku ukazała się kolejna prowokacyjna praca przedstawiająca paradoks splątanych cząstek wewnątrz i na zewnątrz czarnej dziury. Niecały rok później dwóch ekspertów w tej dziedzinie zaproponowało radykalne rozwiązanie: splątane cząstki zostały połączone tunelami czasoprzestrzennymi – wprowadzonymi przez Einsteina tunelami czasoprzestrzeni, które obecnie równie często pojawiają się na łamach czasopism fizyki i w fantastyka naukowa. Jeśli to założenie jest prawidłowe, splątanie nie jest przerażającym połączeniem dalekiego zasięgu, o którym myślał Einstein, ale bardzo realnym mostem łączącym odległe punkty w przestrzeni.

Wielu naukowców uważa te pomysły za godne uwagi. W ostatnie lata fizycy o pozornie niezwiązanych ze sobą specjalnościach skupili się na tej dziedzinie splątania, przestrzeni i tuneli czasoprzestrzennych. Naukowcy, którzy kiedyś skupiali się na tworzeniu bezbłędnych komputerów kwantowych, obecnie zastanawiają się, czy sam Wszechświat jest komputerem kwantowym, po cichu programującym czasoprzestrzeń w złożonej sieci splątań. „Wszystko rozwija się w niesamowity sposób” – mówi Van Raamsdonk z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver.

Fizycy pokładają duże nadzieje w tym, dokąd zaprowadzi ich mariaż czasoprzestrzeni i splątania. Ogólna teoria względności znakomicie opisuje działanie czasoprzestrzeni; nowe badania mogą odsłonić zasłonę tego, skąd pochodzi czasoprzestrzeń i jak ona wygląda w najmniejszych skalach rządzących mechanika kwantowa. Splątanie może być sekretnym składnikiem, który zjednoczy te dotychczas odmienne pola w teorię grawitacji kwantowej, pozwalając naukowcom zrozumieć warunki panujące wewnątrz czarnej dziury i stan wszechświata w pierwszych chwilach po Wielki Wybuch.

Hologramy i puszki z zupą

Objawienie Van Raamsdonka w 2009 roku nie pojawiło się znikąd. Opiera się na zasadzie holograficznej, czyli idei, że granica ograniczająca objętość przestrzeni może zawierać całą zawartą w niej informację. Jeśli zastosujemy zasadę holograficzną do życie codzienne, wówczas ciekawski pracownik może doskonale odtworzyć wszystko, co znajduje się w biurze – stosy papierów, zdjęcia rodzinne, zabawki w kącie, a nawet pliki na dysku twardym komputera - wystarczy spojrzeć na zewnętrzne ściany kwadratowego biura.

Pomysł ten jest sprzeczny, biorąc pod uwagę, że ściany mają dwa wymiary, a wnętrze biura trzy. Jednak w 1997 roku Juan Maldacena, wówczas teoretyk strun na Harvardzie, podał intrygujący przykład tego, co zasada holograficzna może odkryć na temat wszechświata.

Zaczął od przestrzeni anty-de Sittera, która przypomina czasoprzestrzeń zdominowaną przez grawitację, ale ma wiele dziwnych cech. Jest zakrzywiony w taki sposób, że błysk światła wyemitowany w określonym miejscu ostatecznie powróci tam, skąd pochodzi. I chociaż Wszechświat się rozszerza, przestrzeń anty-de Sittera nie rozciąga się ani nie kurczy. Dzięki takim cechom fragment przestrzeni anty-de Sittera o czterech wymiarach (trzech przestrzennych i jednym czasowym) można otoczyć trójwymiarową granicą.

Maldacena zwróciła się do cylindra czasoprzestrzeni anty-de Sittera. Każdy poziomy wycinek cylindra reprezentuje stan jego przestrzeni w tej chwili, podczas gdy pionowy wymiar cylindra reprezentuje czas. Maldacena otoczył swój cylinder ramką z hologramem; gdyby przestrzeń antyde Sittera była puszką zupy, to granicą byłaby etykieta.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że ta granica (etykieta) nie ma nic wspólnego z napełnieniem cylindra. Na przykład „etykieta” graniczna jest zgodna z zasadami mechaniki kwantowej, a nie grawitacji. Jednak grawitacja opisuje przestrzeń w zawartości „zupy”. Maldacena zeznał, że etykieta i zupa to to samo; oddziaływania kwantowe na granicy doskonale opisują przestrzeń anty-de Sittera, którą obejmuje ta granica.

„Te dwie teorie wydają się zupełnie różne, ale opisują dokładnie to samo” – mówi Preskill.

Maldacena dodała splątanie do równania holograficznego w 2001 roku. Wyobraził sobie przestrzeń w dwóch puszkach po zupie, z których każda zawierała czarną dziurę. Następnie stworzył odpowiednik domowego telefonu z kubkiem, łączący czarne dziury za pomocą tunelu czasoprzestrzennego – tunelu w czasoprzestrzeni, zaproponowanego po raz pierwszy przez Einsteina i Nathana Rosena w 1935 roku. Maldacena szukała sposobu na stworzenie odpowiednika tej relacji czasoprzestrzennej na etykietach puszek. Zrozumiał, że sztuczka polega na zamieszaniu.

Podobnie jak tunel czasoprzestrzenny, splątanie kwantowe łączy obiekty, które nie mają oczywistego związku. Świat kwantowy jest miejscem niejasnym: elektron może obracać się w obu kierunkach jednocześnie, w stanie superpozycji, dopóki pomiary nie dostarczą dokładnej odpowiedzi. Jeśli jednak dwa elektrony są splątane, pomiar spinu jednego pozwala eksperymentatorowi poznać spin drugiego elektronu – nawet jeśli elektron partnerski znajduje się w stanie superpozycji. To połączenie kwantowe pozostaje nawet wtedy, gdy elektrony są od siebie oddalone o metry, kilometry lub lata świetlne.

Maldacena wykazała, że splątując cząsteczki na jednej etykiecie z cząstkami na drugiej, połączenie puszek z tunelem czasoprzestrzennym można doskonale opisać mechaniką kwantową. W kontekście zasady holograficznej splątanie jest równoznaczne z fizycznym związaniem ze sobą fragmentów czasoprzestrzeni.

Zainspirowany tym połączeniem splątania z czasoprzestrzenią Van Raamsdonck zastanawiał się, jak dużą rolę może odegrać splątanie w kształtowaniu czasoprzestrzeni. Wyobraził sobie najczystszą etykietę na puszce zupy kwantowej: białą, odpowiadającą pustemu dyskowi przestrzeni anty-de Sittera. Wiedział jednak, że zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej pusta przestrzeń nigdy nie będzie całkowicie pusta. Jest wypełniony parami cząstek, które unoszą się i znikają. W ten sposób ulotne cząstki zostają splątane.

Zatem Van Raamsdonck narysował wyimaginowaną dwusieczną na holograficznej etykiecie, a następnie matematycznie rozbił splątanie kwantowe pomiędzy cząstkami na jednej połowie etykiety i cząstkami na drugiej. Odkrył, że odpowiadający mu dysk przestrzeni anty-de Sittera zaczął dzielić się na pół. To tak, jakby splątane cząstki były haczykami utrzymującymi tkaninę przestrzeni i czasu na miejscu; bez nich czasoprzestrzeń się rozpada. W miarę jak Van Raamsdonck zmniejszał stopień splątania, część przestrzeni połączona z oddzielnymi obszarami stawała się cieńsza, niczym gumowa nić rozciągająca się od gumy do żucia.

„Dało mi to do głowy, że obecność przestrzeni zaczyna się od obecności splątania”.

Było to odważne twierdzenie i minęło trochę czasu, zanim praca Van Raamsdoncka, opublikowana w czasopiśmie General Relativity and Gravitation w 2010 roku, przyciągnęła poważną uwagę. Ogień zainteresowania rozbłysnął w 2012 roku, kiedy czterech fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara napisało artykuł kwestionujący konwencjonalną wiedzę na temat horyzontu zdarzeń, czyli punktu, z którego czarna dziura nie ma powrotu.

Prawda za zaporą ogniową

W latach siedemdziesiątych fizyk teoretyczny Stephen Hawking wykazał, że pary splątanych cząstek — tego samego rodzaju, które Van Raamsdonck analizował później w swojej granicy kwantowej — mogą rozpadać się na horyzoncie zdarzeń. Jedna wpada do czarnej dziury, a druga ucieka wraz z tzw. promieniowaniem Hawkinga. Proces ten stopniowo pochłania masę czarnej dziury, ostatecznie prowadząc do jej śmierci. Ale jeśli znikną czarne dziury, znikną także zapisy wszystkiego, co do nich wpadło. Teoria kwantowa twierdzi, że informacji nie można zniszczyć.

W latach 90. kilku fizyków teoretyków, w tym Leonard Susskind ze Stanforda, zaproponowało rozwiązanie tego problemu. Tak, powiedzieli, materia i energia wpadają do czarnej dziury. Jednak z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego materiał ten nigdy nie przekracza horyzontu zdarzeń; zdaje się balansować na krawędzi. W rezultacie horyzont zdarzeń staje się holograficzną granicą zawierającą wszystkie informacje o przestrzeni wewnątrz czarnej dziury. Ostatecznie, gdy czarna dziura wyparuje, informacja ta ucieka w postaci promieniowania Hawkinga. W zasadzie obserwator mógłby zebrać to promieniowanie i zrekonstruować wszystkie informacje o wnętrzu czarnej dziury.

W artykule z 2012 roku fizycy Ahmed Almheiri, Donald Marolf, James Sully i Joseph Polchinsky stwierdzili, że coś jest nie tak ze zdjęciem. Zauważono, że dla obserwatora próbującego poskładać zagadkę tego, co znajduje się wewnątrz czarnej dziury, wszystkie poszczególne elementy układanki – cząstki promieniowania Hawkinga – muszą być ze sobą splątane. Ponadto każda cząstka Hawkinga musi zostać splątana ze swoim pierwotnym partnerem, który wpadł do czarnej dziury.

Niestety samo zamieszanie nie wystarczy. Teoria kwantowa stwierdza, że aby pomiędzy wszystkimi cząstkami znajdującymi się poza czarną dziurą mogło zaistnieć splątanie, należy wykluczyć splątanie tych cząstek z cząstkami znajdującymi się wewnątrz czarnej dziury. Ponadto fizycy odkryli, że pęknięcie jednego ze splątań spowoduje utworzenie nieprzeniknionej ściany energetycznej, tak zwanej zapory ogniowej, na horyzoncie zdarzeń.

Wielu fizyków wątpiło, czy czarne dziury faktycznie odparowują wszystko, co próbuje dostać się do środka. Ale sama możliwość istnienia zapory sieciowej sugeruje niespokojne myśli. Fizycy już wcześniej zastanawiali się, jak wygląda przestrzeń wewnątrz czarnej dziury. Teraz nie są pewni, czy czarne dziury w ogóle mają to „wewnątrz”. Wszyscy wydawali się zrezygnowani, zauważa Preskill.

Ale Susskind nie poddał się. Spędził lata próbując udowodnić, że informacja nie znika w czarnej dziurze; dziś również jest przekonany, że pomysł z zaporą ogniową jest błędny, ale nie udało mu się jeszcze tego udowodnić. Pewnego dnia otrzymał tajemniczy list od Maldaceny: „Nie było w nim zbyt wiele” – mówi Susskind. - Tylko ER = EPR.” Maldacena, obecnie pracujący w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton, zastanawiał się nad swoją pracą z puszkami zupy z 2001 roku i zastanawiał się, czy tunele czasoprzestrzenne mogłyby rozwiązać bałagan wywołany problemem zapory ogniowej. Susskind szybko podchwycił ten pomysł.

W artykule opublikowanym w niemieckim czasopiśmie Fortschritte der Physik w 2013 roku Maldacena i Susskind stwierdzili, że tunel czasoprzestrzenny – technicznie rzecz biorąc most Einsteina-Rosena, w skrócie ER – jest czasoprzestrzennym odpowiednikiem splątania kwantowego. (EPR nawiązuje do eksperymentu Einsteina-Podolskiego-Rosena, który miał rozwiać mitologiczne splątanie kwantowe). Oznacza to, że każda cząstka promieniowania Hawkinga, niezależnie od tego, jak daleko od źródła, jest bezpośrednio połączona z wnętrzem czarnej dziury krótką ścieżką w czasoprzestrzeni.

„Jeśli przejdziesz przez tunel czasoprzestrzenny, odległe rzeczy okazują się wcale nie tak odległe” – mówi Susskind.

Susskind i Maldacena zaproponowali zebranie wszystkich cząstek Hawkinga i rozbicie ich razem, aż zapadną się w czarną dziurę. Ta czarna dziura byłaby splątana, czyli połączona tunelem czasoprzestrzennym z pierwotną czarną dziurą. Sztuczka zamieniła splątany bałagan cząstek Hawkinga – paradoksalnie splątanych z czarną dziurą i między sobą – w dwie czarne dziury połączone tunelem czasoprzestrzennym. Przeciążenie zamieszania zostało rozwiązane i problem z zaporą sieciową został rozwiązany.

Nie wszyscy naukowcy zdecydowali się na modę ER = EPR. Susskind i Maldacena przyznają, że wciąż mają wiele do zrobienia, aby udowodnić równoważność tuneli czasoprzestrzennych i splątania. Jednak po rozważeniu konsekwencji paradoksu zapory ogniowej wielu fizyków zgadza się, że czasoprzestrzeń wewnątrz czarnej dziury zawdzięcza swoje istnienie splątaniu z promieniowaniem na zewnątrz. To ważne spostrzeżenie, zauważa Preskill, ponieważ oznacza ono również, że cała struktura czasoprzestrzeni we wszechświecie, łącznie z obszarem, który zajmujemy, jest produktem kwantowej upiorności.

Kosmiczny komputer

Jedną rzeczą jest stwierdzenie, że wszechświat konstruuje czasoprzestrzeń poprzez splątanie; Całkiem inną sprawą jest pokazanie, jak robi to wszechświat. Ten trudne zadanie Preskill i jego współpracownicy podjęli się tego zadania i postanowili rozważyć przestrzeń kosmiczną jako kolosalny komputer kwantowy. Od prawie dwudziestu lat naukowcy pracują nad budową komputerów kwantowych, które wykorzystują informacje zakodowane w splątanych elementach, takich jak fotony czy maleńkie chipy, do rozwiązywania problemów, których nie potrafią rozwiązać tradycyjne komputery. Zespół Preskill wykorzystuje wiedzę zdobytą w wyniku tych wysiłków, aby przewidzieć, w jaki sposób poszczególne części wnętrze puszki z zupą może być odzwierciedlone na wypełnionej zamieszaniem etykiecie.

Komputery kwantowe działają w oparciu o wykorzystanie komponentów znajdujących się w superpozycji stanów jako nośników danych - mogą one być jednocześnie zerami i jedynkami. Ale stan superpozycji jest bardzo delikatny. Nadmiar ciepła może na przykład zniszczyć stan i całą zawartą w nim informację kwantową. Te straty informacji, które Preskill porównuje do podartych stron książki, wydają się nieuniknione.

Jednak fizycy zareagowali na to, tworząc protokół korekcji błędów kwantowych. Zamiast polegać na pojedynczej cząstce do przechowywania bitu kwantowego, naukowcy dzielą dane pomiędzy wieloma splątanymi cząstkami. Książka napisana w języku kwantowej korekcji błędów byłaby pełna nonsensów, twierdzi Preskill, ale całą jej zawartość można byłoby odzyskać, nawet gdyby brakowało połowy stron.

W ostatnich latach wiele uwagi poświęcono korekcji błędów kwantowych, ale Preskill i jego współpracownicy podejrzewają, że natura wymyśliła ten system dawno temu. W czerwcu w czasopiśmie Journal of High Energy Physics Preskill i jego zespół pokazali, jak splątanie wielu cząstek na granicy holograficznej doskonale opisuje pojedynczą cząstkę przyciąganą przez grawitację wewnątrz fragmentu przestrzeni anty-de Sittera. Maldacena twierdzi, że to odkrycie może pomóc w lepszym zrozumieniu sposobu, w jaki hologram koduje wszystkie szczegóły otaczającej go czasoprzestrzeni.

Fizycy przyznają, że przed ich myśleniem jeszcze długa droga, aby dopasować się do rzeczywistości. Podczas gdy przestrzeń anty-de Sittera oferuje fizykom przewagę w postaci pracy z dobrze określoną granicą, Wszechświat nie ma tak wyraźnej etykiety na puszce zupy. Tkanka czasoprzestrzeni w przestrzeni rozszerza się od Wielkiego Wybuchu i nadal robi to w coraz szybszym tempie. Jeśli wyślesz promień światła w przestrzeń, nie zawróci on i nie wróci; on będzie latał. „Nie jest jasne, jak zdefiniować holograficzną teorię naszego Wszechświata” – napisała Maldacena w 2005 roku. „Po prostu nie ma dogodnego miejsca na umieszczenie hologramu”.

Jednak choć wszystkie te hologramy, puszki z zupą i tunele czasoprzestrzenne brzmią dziwnie, mogą być obiecującymi ścieżkami, które doprowadzą do połączenia kwantowej upiorności z geometrią czasoprzestrzeni. W swoich pracach nad tunelami czasoprzestrzennymi Einstein i Rosen omawiali możliwe implikacje kwantowe, ale nie znaleźli z nimi powiązań. wczesne prace przez zamieszanie. Dziś to połączenie może pomóc w ujednoliceniu mechaniki kwantowej ogólnej teorii względności w teorii grawitacji kwantowej. Uzbrojeni w taką teorię fizycy mogliby rozwikłać tajemnice stanu młodego Wszechświata, gdy materia i energia mieszczą się w nieskończenie małym punkcie przestrzeni. opublikowany

Co to jest splątanie kwantowe w prostych słowach? Teleportacja – czy to możliwe? Czy możliwość teleportacji została udowodniona eksperymentalnie? Jaki jest koszmar Einsteina? W tym artykule znajdziesz odpowiedzi na te pytania.

Z teleportacją często spotykamy się w filmach i książkach science fiction. Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego to, co wymyślili pisarze, w końcu stało się naszą rzeczywistością? Jak udaje im się przewidzieć przyszłość? Myślę, że to nie jest wypadek. Pisarze science fiction często posiadają rozległą wiedzę z zakresu fizyki i innych nauk, co w połączeniu z intuicją i niezwykłą wyobraźnią pomaga im konstruować retrospektywną analizę przeszłości i symulować przyszłe wydarzenia.

Z artykułu dowiesz się:

Co to jest splątanie kwantowe?

Pojęcie „splątanie kwantowe” wynikało z założeń teoretycznych wynikających z równań mechaniki kwantowej. Oznacza to, że jeśli 2 cząstki kwantowe (mogą to być elektrony, fotony) okażą się współzależne (splątane), to połączenie pozostanie, nawet jeśli zostaną rozdzielone na różne części Wszechświata

Odkrycie splątania kwantowego w pewnym stopniu wyjaśnia teoretyczną możliwość teleportacji.

Krótko mówiąc kręcić się cząstki kwantowej (elektronu, fotonu) nazywany jest jej własnym momentem pędu. Spin można przedstawić jako wektor, a samą cząstkę kwantową jako mikroskopijny magnes.

Ważne jest, aby zrozumieć, że jeśli nikt nie obserwuje kwantu, na przykład elektronu, to ma on wszystkie wartości spinu jednocześnie. Ten podstawowa koncepcja mechanika kwantowa nazywana jest „superpozycją”.

Wyobraź sobie, że twój elektron wiruje jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Oznacza to, że znajduje się on w obu stanach spinu jednocześnie (spin wektorowy w górę/spin wektorowy w dół). Wprowadzony? OK. Ale gdy tylko pojawi się obserwator i zmierzy jego stan, elektron sam określa, który wektor spinu powinien przyjąć – w górę czy w dół.

Chcesz wiedzieć, jak mierzony jest spin elektronu? Umieszczony jest w polu magnetycznym: elektrony o spinie przeciwnym do kierunku pola i o spinie w kierunku pola będą odchylane w różnych kierunkach. Spiny fotonów mierzy się kierując je do filtra polaryzacyjnego. Jeśli spin (lub polaryzacja) fotonu wynosi „-1”, to nie przechodzi on przez filtr, a jeśli wynosi „+1”, to tak.

Wznawiać. Kiedy zmierzysz stan jednego elektronu i ustalisz, że jego spin wynosi „+1”, wówczas elektron z nim związany lub „splątany” przyjmuje wartość spinu „-1”. I to natychmiast, nawet jeśli jest na Marsie. Choć przed pomiarem stanu drugiego elektronu miał on jednocześnie obie wartości spinu („+1” i „-1”).

Ten paradoks, udowodniony matematycznie, nie bardzo podobał się Einsteinowi. Ponieważ zaprzeczało to jego odkryciu, że nie ma prędkości większej od prędkości światła. Ale koncepcja splątanych cząstek została udowodniona: jeśli jedna ze splątanych cząstek znajduje się na Ziemi, a druga na Marsie, wówczas pierwsza cząstka w momencie pomiaru jej stanu natychmiast ( większa prędkośćświatło) przekazuje drugiej cząstce informację o tym, jaką wartość spinu powinna przyjąć. Mianowicie: znaczenie przeciwne.

Spór Einsteina z Bohrem. Kto ma rację?

Einstein nazwał „splątaniem kwantowym” SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (niemiecki) lub przerażające, upiorne, nadprzyrodzone działanie na odległość.

Einstein nie zgodził się z interpretacją Bohra dotyczącą splątania cząstek kwantowych. Ponieważ tak jest zaprzeczył jego teorii, że informacja nie może być przesyłana szybciej niż prędkość światła. W 1935 roku opublikował artykuł opisujący eksperyment myślowy. Eksperyment ten nazwano „paradoksem Einsteina-Podolskiego-Rosena”.

Einstein zgodził się, że związane cząstki mogą istnieć, ale zaproponował inne wyjaśnienie natychmiastowego transferu informacji między nimi. Powiedział „splątane cząstki” raczej jak para rękawiczek. Wyobraź sobie, że masz parę rękawiczek. Lewą wkładasz do jednej walizki, prawą do drugiej. Pierwszą walizkę wysłałeś znajomemu, a drugą na Księżyc. Kiedy znajomy otrzyma walizkę, będzie wiedział, że zawiera ona lewą lub prawą rękawiczkę. Kiedy otworzy walizkę i zobaczy, że jest w niej lewa rękawiczka, od razu będzie wiedział, że na Księżycu jest prawa rękawiczka. I nie oznacza to, że przyjaciel miał wpływ na to, że lewa rękawiczka znalazła się w walizce i nie oznacza, że lewa rękawiczka natychmiast przekazała informację prawej. Oznacza to jedynie, że właściwości rękawic były pierwotnie takie same od momentu ich rozdzielenia. Te. splątane cząstki kwantowe początkowo zawierają informację o swoich stanach.

Kto więc miał rację Bohr, sądząc, że związane cząstki natychmiast przekazują sobie informacje, nawet jeśli są oddzielone od siebie na duże odległości? Albo Einstein, który wierzył, że nie ma związku nadprzyrodzonego i wszystko jest z góry ustalone na długo przed momentem pomiaru.

Debata ta przeniosła się na obszar filozofii na 30 lat. Czy od tego czasu spór został rozwiązany?

Twierdzenie Bella. Czy spór został rozwiązany?

John Clauser, będąc jeszcze studentem Uniwersytetu Columbia, w 1967 roku odnalazł zapomniane dzieło irlandzkiego fizyka Johna Bella. Okazało się, że to była sensacja Bellowi udało się przełamać impas między Bohrem a Einsteinem.. Zaproponował eksperymentalne sprawdzenie obu hipotez. W tym celu zaproponował zbudowanie maszyny, która tworzyłaby i porównywała wiele par splątanych cząstek. John Clauser zaczął opracowywać taką maszynę. Jego maszyna potrafiła stworzyć tysiące par splątanych cząstek i porównać je według różnych parametrów. Wyniki eksperymentów wykazały, że Bohr miał rację.

Wkrótce francuski fizyk Alain Aspe przeprowadził eksperymenty, z których jeden dotyczył samej istoty sporu między Einsteinem a Bohrem. W tym eksperymencie pomiar jednej cząstki mógłby bezpośrednio wpłynąć na inną tylko wtedy, gdyby sygnał z pierwszej do drugiej cząstki przeszedł z prędkością przekraczającą prędkość światła. Ale sam Einstein udowodnił, że jest to niemożliwe. Pozostało tylko jedno wyjaśnienie – niewytłumaczalne, nadprzyrodzone połączenie pomiędzy cząsteczkami.

Wyniki eksperymentów wykazały, że teoretyczne założenia mechaniki kwantowej są prawidłowe. Splątanie kwantowe jest rzeczywistością ( Wikipedia o splątaniu kwantowym). Cząstki kwantowe można łączyć pomimo ogromnych odległości. Pomiar stanu jednej cząstki wpływa na stan drugiej cząstki, znajdującej się daleko od niej, tak jakby odległość między nimi nie istniała. Nadprzyrodzona komunikacja na odległość faktycznie ma miejsce.

Pozostaje pytanie, czy teleportacja jest możliwa?

Czy teleportacja została potwierdzona eksperymentalnie?

W 2011 roku japońscy naukowcy jako pierwsi na świecie teleportowali fotony! Promień światła został natychmiast przeniesiony z punktu A do punktu B.

Jeśli chcesz, aby wszystko, co przeczytałeś o splątaniu kwantowym, zostało uporządkowane w 5 minut, obejrzyj ten wspaniały film.

Do zobaczenia wkrótce!

Życzę wszystkim ciekawych, inspirujących projektów!

P.S. Jeśli artykuł był dla Ciebie przydatny i zrozumiały, nie zapomnij go udostępnić.

P.S. Napisz swoje przemyślenia i pytania w komentarzach. Jakie inne pytania dotyczące fizyki kwantowej Cię interesują?

P.S. Zapisz się na bloga - formularz zapisu pod artykułem.

Splątanie kwantowe to zjawisko mechaniki kwantowej, które zaczęto badać w praktyce stosunkowo niedawno – w latach 70. XX wieku. Jest następująco. Wyobraźmy sobie, że w wyniku jakiegoś zdarzenia jednocześnie narodziły się dwa fotony. Parę splątanych kwantowo fotonów można otrzymać na przykład świecąc laserem o określonej charakterystyce na nieliniowy kryształ. Wygenerowane w parze fotony mogą mieć różne częstotliwości (i długości fal), ale suma ich częstotliwości jest równa częstotliwości pierwotnego wzbudzenia. Mają także ortogonalne polaryzacje w podstawie sieć krystaliczna, co ułatwia ich przestrzenną separację. Kiedy rodzi się para cząstek, muszą być spełnione prawa zachowania, co oznacza, że sumaryczna charakterystyka (polaryzacja, częstotliwość) obu cząstek ma z góry znaną, ściśle określoną wartość. Wynika z tego, że znając charakterystykę jednego fotonu, możemy absolutnie dokładnie poznać charakterystykę innego. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, do momentu pomiaru cząstka znajduje się w superpozycji kilku możliwych stanów, a podczas pomiaru superpozycja jest usuwana i cząstka kończy się w jednym stanie. Jeśli przeanalizujesz wiele cząstek, to w każdym stanie będzie pewien procent cząstek odpowiadający prawdopodobieństwu tego stanu w superpozycji.

Co jednak dzieje się z superpozycją stanów splątanych cząstek w momencie pomiaru stanu jednej z nich? Paradoksalny i sprzeczny z intuicją charakter splątania kwantowego polega na tym, że charakterystyka drugiego fotonu jest określona dokładnie w momencie, gdy mierzyliśmy charakterystykę pierwszego. Nie, to nie jest konstrukcja teoretyczna, to brutalna prawda o otaczającym nas świecie, potwierdzona eksperymentalnie. Tak, oznacza to obecność interakcji zachodzącej z nieskończenie dużą prędkością, przekraczającą nawet prędkość światła. Nie jest jeszcze jasne, jak wykorzystać to dla dobra ludzkości. Pojawiają się pomysły na zastosowania w informatyce kwantowej, kryptografii i komunikacji.

Naukowcom z Wiednia udało się opracować zupełnie nową i niezwykle sprzeczną z intuicją technikę obrazowania opartą na kwantowej naturze światła. W ich systemie obraz tworzy światło, które nigdy nie oddziaływało z obiektem. Technologia opiera się na zasadzie splątania kwantowego. Artykuł na ten temat ukazał się w czasopiśmie Nature. W badaniu wzięli udział naukowcy z Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej (IQOQI), Wiedeńskiego Centrum Nauki i Technologii Kwantowej (VCQ) oraz Uniwersytetu Wiedeńskiego.

W eksperymencie wiedeńskich naukowców jeden z pary splątanych fotonów miał długość fali w podczerwonej części widma i to właśnie ten przeszedł przez próbkę. Jego brat miał długość fali odpowiadającą światłu czerwonemu i mógł zostać wykryty przez kamerę. Wiązkę światła wygenerowaną przez laser podzielono na dwie połowy, a połówki te skierowano na dwa nieliniowe kryształy. Obiekt umieszczono pomiędzy dwoma kryształami. Była to wyrzeźbiona sylwetka kota – na cześć charakteru spekulatywnego eksperymentu Erwina Schrödingera, który przeniósł się już do folkloru. Skierowano na niego podczerwoną wiązkę fotonów z pierwszego kryształu. Następnie fotony te przeszły przez drugi kryształ, gdzie fotony, które przeszły przez obraz kota, zostały zmieszane ze świeżo narodzonymi fotonami podczerwieni, tak że całkowicie niemożliwe było zrozumienie, w którym z dwóch kryształów się narodziły. Co więcej, kamera w ogóle nie wykryła fotonów w podczerwieni. Obie wiązki czerwonych fotonów połączono i przesłano do urządzenia odbiorczego. Okazało się, że dzięki efektowi splątania kwantowego przechowywały wszystkie informacje o obiekcie niezbędne do stworzenia obrazu.

Podobne wyniki uzyskano w eksperymencie, w którym obrazem nie była nieprzezroczysta płyta z wyciętym konturem, ale wolumetryczny obraz silikonowy, który nie absorbował światła, ale spowalniał przejście fotonu podczerwieni i tworzył różnicę fazową między fotonami przechodząc przez różne części obrazu. Okazało się, że taka plastyczność wpływa również na fazę fotonów czerwieni, które znajdowały się w stanie splątania kwantowego z fotonami podczerwieni, ale nigdy nie przechodziły przez obraz.

Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym podukłady jakiegoś wcześniej zunifikowanego układu mechaniki kwantowej, oddalone od siebie o odległość, w dalszym ciągu na siebie wpływają. W takim przypadku zmiana stanu jednego systemu wpływa na inny system. Zjawisko to ma zasadniczo charakter kwantowy i nie ma klasycznego odpowiednika.

Kawa stygnie, budynki się zawalają, jaja pękają, a gwiazdy gasną we Wszechświecie, który wydaje się skazany na degradację do stanu jednolitej szarości, znanego jako równowaga termiczna. Astronom i filozof Sir Arthur Eddington w 1927 roku przytoczył stopniowe rozprzestrzenianie się energii jako dowód nieodwracalnej „strzałki czasu”.

Jednak ku zdumieniu pokoleń fizyków strzałka czasu nie wydaje się wynikać z podstawowych praw fizyki, według których przesuwanie się w czasie do przodu jest tym samym, co cofanie się. Zgodnie z tymi prawami, jeśli zna się ścieżki wszystkich cząstek we wszechświecie i odwraca je, energia będzie się gromadzić, a nie rozpraszać: zimna kawa samoistnie się nagrzeje, budynki zostaną zbudowane z gruzu, a światło słoneczne zostanie zebrane z powrotem do słoneczny.

„Jesteśmy silni w fizyce klasycznej” – powiedział QuantaMagazine Sandu Popescu, profesor fizyki na Uniwersytecie w Bristolu w Wielkiej Brytanii. „Gdybym wiedział więcej, czy mógłbym odwrócić bieg wydarzeń i poskładać wszystkie cząsteczki rozbitego jajka?” Profesor twierdzi oczywiście, że strzałka czasu nie jest kontrolowana przez ludzką niewiedzę. A jednak od narodzin termodynamiki w latach pięćdziesiątych XIX wieku jedynym znanym podejściem do obliczania propagacji energii było sformułowanie statystycznego rozkładu nieznanych trajektorii cząstek i wykazanie, że z biegiem czasu niewiedza zaciera obraz rzeczy.

Fizycy zidentyfikowali teraz podstawowe źródło strzałki czasu. Mówią, że energia ulega rozproszeniu, a obiekty osiągają równowagę, ponieważ cząstki elementarne splatają się ze sobą podczas interakcji – dziwny efekt zwany splątaniem kwantowym. „W końcu możemy zrozumieć, dlaczego filiżanka kawy utrzymuje równowagę w pomieszczeniu” – mówi Tony Short, fizyk kwantowy z Bristolu. „Narasta zamieszanie pomiędzy stanem filiżanki kawy a stanem pokoju.” Popescu, Short i ich współpracownicy Noah Linden i Andreas Winter opisali odkrycie w czasopiśmie Physical Review E w 2009 roku, argumentując, że obiekty osiągają równowagę, czyli stan równomiernego rozkładu energii, przez nieskończony czas dzięki splątaniu mechaniki kwantowej ze swoimi środowisko. Podobne odkrycie opublikował kilka miesięcy wcześniej w czasopiśmie Physical Review Letters Peter Reiman z Uniwersytetu w Bielefeld w Niemczech. Short i współpracownicy wzmocnili ten argument w 2012 roku, pokazując, że splątanie powoduje równowagę w skończonym czasie. Również w pracy opublikowanej nt arXiv.org w lutym dwie oddzielne grupy wykonały kolejny krok i obliczyły, że większość systemów fizycznych szybko osiąga stan równowagi w czasie proporcjonalnym do ich wielkości.

Jeśli nowy kierunek badań jest słuszny, historia strzałki czasu zaczyna się od koncepcji mechaniki kwantowej, że w swej istocie natura jest z natury niepewna. Cząstce elementarnej brakuje swoistości właściwości fizyczne i jest ona określona jedynie przez prawdopodobieństwo przebywania w określonych stanach. Na przykład w pewnym momencie cząstka może mieć 50% szans na obrót w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i 50% szans na obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Potwierdzone eksperymentalnie twierdzenie północnoirlandzkiego fizyka Johna Bella stwierdza, że nie ma „prawdziwego” stanu cząstki; Prawdopodobieństwa to jedyna rzecz, której można użyć do opisania tego. Kwantowa niepewność nieuchronnie prowadzi do splątania, rzekomego źródła strzałki czasu.

Kiedy dwie cząstki oddziałują na siebie, nie można ich już opisać za pomocą oddzielnych, niezależnie ewoluujących prawdopodobieństw, zwanych „stanami czystymi”. Zamiast tego stają się splątanymi składnikami bardziej złożonego rozkładu prawdopodobieństwa, który jest opisywany razem przez dwie cząstki. Układ jako całość jest w stanie czystym, ale stan każdej z poszczególnych cząstek jest „mieszany”. Obie cząstki mogą być oddalone od siebie o lata świetlne, ale spin każdej cząstki będzie skorelowany z drugą. Albert Einstein dobrze to opisał jako „upiorne działanie na odległość”. „Splątanie jest w pewnym sensie istotą mechaniki kwantowej”, czyli praw rządzących oddziaływaniami w skalach subatomowych, mówi Brunner. Zjawisko to leży u podstaw obliczeń kwantowych, kryptografii kwantowej i teleportacji kwantowej.

Pomysł, że splątanie może wyjaśnić strzałkę czasu, po raz pierwszy przyszedł do głowy Sethowi Lloydowi trzydzieści lat temu, kiedy był 23-letnim absolwentem filozofii na Uniwersytecie w Cambridge i uzyskał dyplom z fizyki na Harvardzie. Lloyd zdał sobie sprawę, że niepewność kwantowa i jej rozprzestrzenianie się w miarę coraz większego splątania cząstek może zastąpić ludzką niepewność (lub ignorancję) w starych klasycznych dowodach jako prawdziwe źródło strzałki czasu. Stosując dobrze znane podejście mechaniki kwantowej, w którym podstawowymi cegiełkami są jednostki informacji, Lloyd spędził kilka lat badając ewolucję cząstek pod kątem mieszania jedynek (1) i zer (0). Odkrył, że w miarę jak cząstki stają się coraz bardziej splątane ze sobą, informacja je opisująca (na przykład 1 dla spinu zgodnego z ruchem wskazówek zegara i 0 dla spinu przeciwnego do ruchu wskazówek zegara) zostanie przeniesiona do opisu układu splątanych cząstek jako całości. To tak, jakby cząstki stopniowo traciły swoją indywidualną autonomię i stały się pionkami państwa zbiorowego. W tym momencie, jak odkrył Lloyd, cząstki wchodzą w stan równowagi, a ich stany przestają się zmieniać, jak filiżanka kawy schładzająca się do temperatury pokojowej. „Co się naprawdę dzieje? Sprawy stają się coraz bardziej powiązane. Strzałka czasu jest strzałką rosnących korelacji.”

„Kiedy Lloyd zaproponował ten pomysł w swojej pracy magisterskiej, świat nie był gotowy” – mówi Renato Renner, dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej w ETH Zurich. - Nikt go nie rozumiał. Czasami potrzebujesz pomysłów, które same do ciebie przyjdą właściwy czas" W 2009 roku dowód przeprowadzony przez zespół fizyków z Bristolu trafił w gust teoretyków informacji kwantowej, otwierając nowe sposoby zastosowania ich metod.

Pokazało, że gdy przedmioty wchodzą w interakcję z otoczeniem – na przykład w sposób, w jaki cząsteczki w filiżance kawy wchodzą w interakcję z powietrzem – informacja o ich właściwościach „wycieka i zostaje rozmazana przez otoczenie” – wyjaśnia Popescu. Ta lokalna utrata informacji powoduje stagnację stanu kawy, pomimo ciągłych zmian stanu netto całego pomieszczenia. Naukowiec twierdzi, że z wyjątkiem rzadkich przypadkowych wahań „jego stan z biegiem czasu przestaje się zmieniać”. Okazuje się, że filiżanka zimnej kawy nie może samoczynnie się nagrzać. Zasadniczo, w miarę ewolucji czystego stanu pomieszczenia, kawa może nagle „nie wymieszać się” z powietrzem i wejść w stan czysty. Jednak w kawie dostępnych jest o wiele więcej stanów mieszanych niż czystych, że prawie nigdy tak się nie stanie – wszechświat skończy się szybciej, niż będziemy tego świadkami. To statystyczne nieprawdopodobieństwo sprawia, że strzałka czasu jest nieodwracalna.
„Zasadniczo splątanie otwiera przed tobą ogromną przestrzeń” – komentuje Popescu. - Wyobraź sobie, że jesteś w parku, przed tobą jest brama. Gdy tylko wejdziesz do nich, znajdziesz się w ogromnej przestrzeni i zagubisz się w niej. Ty też nigdy nie wrócisz do bramy. W nowa historia

strzałek czasu, informacje są tracone w procesie splątania kwantowego, a nie z powodu subiektywnego braku ludzkiej wiedzy, co skutkuje zrównoważeniem filiżanki kawy i pokoju. Pomieszczenie ostatecznie równoważy się ze środowiskiem zewnętrznym, a środowisko – jeszcze wolniej – dryfuje w kierunku równowagi z resztą wszechświata. Termodynamiczni giganci XIX wieku postrzegali ten proces jako stopniowe rozpraszanie energii, które zwiększa ogólną entropię, czyli chaos we wszechświecie. Dziś Lloyd, Popescu i inni specjaliści w tej dziedzinie postrzegają strzałkę czasu inaczej. Ich zdaniem informacja staje się coraz bardziej rozproszona, ale nigdy całkowicie nie znika. Chociaż entropia wzrasta lokalnie, ogólna entropia wszechświata pozostaje stała i równa zeru.

„W tych pracach nie ma nic, co wyjaśniałoby, dlaczego zaczyna się od bramy” – mówi Popescu, wracając do analogii z parkiem. „Innymi słowy, nie wyjaśniają, dlaczego pierwotny stan Wszechświata był daleki od równowagi”. Naukowiec sugeruje, że to pytanie ma związek z naturą Wielkiego Wybuchu.
Pomimo niedawnego postępu w obliczaniu czasów równoważenia, nowe podejście nadal nie może stać się narzędziem do obliczania właściwości termodynamicznych konkretnych rzeczy, takich jak kawa, szkło czy egzotyczne stany materii.

„Chodzi o to, że musisz znaleźć kryteria, według których rzeczy zachowują się tak, jak szyba okienna lub filiżankę herbaty” – mówi Renner. „Myślę, że będę musiał wykonać więcej pracy w tym kierunku, ale przed nami jeszcze wiele pracy”.
Niektórzy badacze wyrazili wątpliwość, czy to abstrakcyjne podejście do termodynamiki będzie kiedykolwiek w stanie dokładnie wyjaśnić zachowanie konkretnych obserwowalnych obiektów. Jednak postęp koncepcyjny i nowy formalizm matematyczny już pomagają badaczom w stawianiu pytań teoretycznych z zakresu termodynamiki, takich jak podstawowe ograniczenia komputerów kwantowych, a nawet ostateczny los wszechświata.

Dwadzieścia sześć lat po epickiej porażce pomysłu Lloyda na strzałkę czasu z radością obserwuje jej powstanie i próbuje zastosować idee swojego ostatniego dzieła do paradoksu informacji wpadającej do czarnej dziury.

Według naukowców naszą zdolność zapamiętywania przeszłości, ale nie przyszłości, co jest kolejnym przejawem strzałki czasu, można również postrzegać jako rosnące korelacje między oddziałującymi cząstkami. Kiedy czytasz coś z kartki papieru, mózg koreluje informacje za pomocą fotonów docierających do oczu. Dopiero od tego momentu będziesz w stanie zapamiętać, co jest zapisane na papierze. Jak zauważa Lloyd: „Teraźniejszość można zdefiniować jako proces nawiązywania relacji (lub tworzenia korelacji) z otoczeniem”. Tłem dla stałego wzrostu splotów w całym wszechświecie jest oczywiście sam czas. Fizycy podkreślają, że pomimo wielki sukces jeśli chodzi o zrozumienie, w jaki sposób zachodzą zmiany w czasie, nie są ani o jotę bliżej zrozumienia natury samego czasu ani tego, dlaczego różni się on od pozostałych trzech wymiarów przestrzeni. Popescu nazywa tę tajemnicę „jedną z największych tajemnic fizyki”.

„Możemy omówić fakt, że godzinę temu nasz mózg był w stanie, który korelował z mniejszą liczbą rzeczy” – mówi. - Ale nasze postrzeganie czego czas mija- to zupełnie inna sprawa. Najprawdopodobniej będziemy potrzebować rewolucji w fizyce, która odsłoni przed nami ten sekret.”

To elegancka i potężna koncepcja. Sugeruje to, że czas jest zjawiskiem wyłaniającym się, które pojawia się w rzeczywistości ze względu na naturę splątania kwantowego. I istnieje tylko dla obserwatorów wewnątrz naszego wszechświata. Każdy boski obserwator znajdujący się poza nim zobaczy statyczny, niezmienny wszechświat, jak przewidywało wcześniejsze kwantowe równanie Wheelera-DeWitta. Oczywiście nie mamy możliwości pozyskania obserwatora spoza naszego wszechświata i nie mamy szans, aby kiedykolwiek potwierdzić tę teorię. Przez co najmniej i tak było do dzisiaj. Niedawno Ekaterina Moreva z Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica w Turynie we Włoszech wraz z kilkoma jej kolegami miała możliwość po raz pierwszy eksperymentalnie przetestować pomysły Page'a i Woutersa. Wykazali także, że czas rzeczywiście jest zjawiskiem wyłaniającym się dla obserwatorów wewnętrznych, ale nie istnieje dla obserwatorów zewnętrznych.

Eksperyment ten polega na stworzeniu zabawkowego wszechświata składającego się z pary splątanych fotonów i obserwatora, który może zmierzyć ich stan na jeden z dwóch sposobów. W pierwszym obserwator mierzy ewolucję systemu, splątując się z nim. W drugim, boski obserwator mierzy ewolucję według zewnętrznego zegara, całkowicie niezależnego od wszechświata zabawek.

Sam eksperyment jest dość prosty. Każdy ze splątanych fotonów ma polaryzację, którą można zmienić przechodząc przez płytkę dwójłomną. W pierwszym przypadku obserwator mierzy polaryzację jednego fotonu, w ten sposób splątując się z nim. Następnie porównuje wynik z polaryzacją drugiego fotonu. Różnica, jaką otrzyma, będzie miarą czasu.

W drugim przypadku oba fotony również przechodzą przez płytki dwójłomne, które zmieniają swoją polaryzację. Jednak w tym przypadku obserwator mierzy jedynie globalne właściwości obu fotonów, porównując je z niezależnym zegarem.

W tym przypadku obserwator nie może zauważyć żadnej różnicy pomiędzy fotonami, bez pomieszania się z jednym z nich. A jeśli nie ma różnicy, system wydaje mu się statyczny. Inaczej mówiąc, czas w nim nie powstaje.

To bardzo imponujący eksperyment. Wygląd jest pojęciem popularnym w nauce. W szczególności fizycy zainteresowali się ostatnio koncepcją, że grawitacja również jest takim zjawiskiem. A stąd już tylko krok pozostał do pomysłu podobnego mechanizmu powstawania czasu. Grawitacji wschodzącej brakuje oczywiście eksperymentalnej demonstracji pokazującej, jak działa ona w praktyce. Dlatego właśnie praca Morevy jest tak ważna – jako pierwsza na świecie opiera abstrakcyjną i egzotyczną ideę na stabilnych podstawach eksperymentalnych. Być może najważniejszym rezultatem tej pracy jest to, że jako pierwsza wykazała, że mechanika kwantowa i ogólna teoria względności nie są tak sprzeczne.

Następnym krokiem będzie dalszy rozwój pomysłów, w szczególności na poziomie makroskopowym. Czym innym jest pokazanie, jak czas powstaje w fotonach, a czym innym zrozumienie, w jaki sposób powstaje on dla ludzi. Mechanika kwantowa wniknęła już dość głęboko w pokrewne dziedziny nauki. Próbując wyjaśnić samo życie w kategoriach teorii kwantowej, dało ono nawet początek własnej biologii. Ale jak dotąd nikt nie odważył się wprost stwierdzić, że efekt splątania leży w samym jądrze żywych istot – wewnątrz helisy DNA.

Nowo narodzony biologia kwantowa(biologia kwantowa) nie jest oficjalnie uznawana za dyscyplinę naukową. Jednak stała się już jednym z najciekawszych i ekscytujących tematów zaawansowanych badań. Na przykład odkrywcze ważną rolę efekty kwantowe w szeregu procesów biologicznych, np. w fotosyntezie. Nowe badanie przeprowadziła grupa fizyków z m.in Uniwersytet Narodowy Singapur (NSU). Elizabeth Rieper i jej współpracownicy wyszli z założenia, że podwójna helisa DNA nie rozpada się dokładnie ze względu na zasadę splątania kwantowego.

Aby przetestować swoją śmiałą teorię, naukowcy zbudowali na komputerze uproszczony teoretyczny model DNA. W nim każdy nukleotyd składa się z chmury elektronów wokół centralnego, dodatnio naładowanego jądra. Ta „ujemna” chmura może poruszać się względem rdzenia, tworząc dipol. W tym przypadku przemieszczanie się chmury tam i z powrotem prowadzi do powstania oscylatora harmonicznego.

Ripert i jego współpracownicy zainteresowali się tym, co stanie się z wibracjami chmur (fononami), gdy pary zasad utworzą podwójną helisę DNA. Zdaniem naukowców, gdy tworzą się pary nukleotydów, ich połączone chmury powinny teoretycznie wibrować w kierunku przeciwnym do chmury z sąsiedniej pary, aby zapewnić stabilność całej struktury. Ponieważ fonony są zasadniczo obiektami kwantowymi, mogą istnieć jako superpozycja stanów i mogą ulegać splątaniu. Naukowcy zaczęli od założenia braku jakichkolwiek efektów termicznych wpływających na spiralę z zewnątrz. „Jest oczywiste, że łańcuchy połączonych parami oscylatorów harmonicznych można splątać tylko w temperaturze zerowej” – mówi Ripert. W swoim jeszcze niepublikowanym publikacje naukowe W artykule fizycy dostarczają dowodów na to, że efekt splątania w zasadzie może wystąpić w temperaturze pokojowej. Być może dzieje się tak dlatego, że długość fali opisywanych fononów jest zbliżona do wielkości helisy DNA. Umożliwia to powstawanie tak zwanych fal stojących (zjawisko znane jako wychwytywanie fononów). Następnie fonony nie mogą „uciec”. Efekt ten nie będzie szczególnie znaczący w przypadku gigantycznej cząsteczki, chyba że rozciąga się na całą helisę. Jednak modelowanie komputerowe przeprowadzone przez Riperta i jego przyjaciół pokazuje, że efekt jest naprawdę kolosalny.

Każda chmura elektronów w parze zasad nie tylko wibruje zgodnie z ruchami swoich sąsiadów – fonony znajdują się w superpozycji stanów. A duży obraz Wszystkie takie oscylacje w DNA opisane są prawami kwantowymi: wzdłuż całego łańcucha oscylatory nukleotydowe oscylują synchronicznie - jest to przejaw splątania kwantowego. Ogólny ruch spirali okazuje się być równy zeru.

Model helisy DNA z fragmentem z dwiema sąsiadującymi parami zasad w powiększeniu. Chmury elektronów w dwóch skrajnych pozycjach ich oscylacji zaznaczono na niebiesko, a ich kierunki zaznaczono strzałkami (ilustracja: Rieper i in.). Jeśli spróbujesz opisać ten model wyłącznie w ramach fizyki klasycznej, to nic z powyższych nie może się wydarzyć: „klasyczna” spirala powinna chaotycznie wibrować i rozpadać się. Zdaniem badaczy to właśnie efekty kwantowe odpowiadają za „sklejanie” DNA. Ale podobnie jak w przypadku teorii kosmicznych zmarszczek – ambitnej „siostry bliźniaczki” obecnego dzieła (choć zajętej obiektami makrokosmosu) – główne pytanie nieoryginalny: jak udowodnić ten wniosek? Jeszcze nie ma odpowiedzi. Zespół Riperta kończy swój artykuł intrygującą koncepcją, że splątanie w jakiś sposób bezpośrednio wpływa na sposób „odczytywania” informacji z DNA. Mówią, że w przyszłości zostanie to przetestowane i wykorzystane eksperymentalnie. Jak dokładnie – nikt jeszcze nawet nie jest w stanie zgadnąć.

Pomimo pewnego stopnia spekulacji, założenie wysunięte przez fizyków podekscytowało wiele umysłów. Przecież efekty kwantowe odkryto już w najbardziej nieoczekiwanych miejscach, na przykład w obwodzie elektrycznym, ale jak dotąd nikt nie przedstawił twierdzeń na taką skalę - mikroskopijną, a jednocześnie niezwykle ważną.

W świetle powyższego osoba, która wiele wysiłku wkłada w splątanie kilku kubitów w ciało stałe, wygląda śmiesznie, ponieważ nie podejrzewa, że najbardziej uderzającym przykładem takiego układu jest on sam.

Złote jesienne liście drzew świeciły jasno. Promienie wieczornego słońca dotknęły przerzedzonych szczytów. Światło przedarło się przez gałęzie i stworzyło spektakl przedziwnych postaci migoczących na ścianie uniwersyteckiego „kampera”.

Zamyślony wzrok Sir Hamiltona powoli przesunął się, obserwując grę światłocienia. W głowie irlandzkiego matematyka dział się prawdziwy tygiel myśli, pomysłów i wniosków. Doskonale rozumiał, że wyjaśnianie wielu zjawisk za pomocą mechaniki Newtona jest jak gra cieni na ścianie, zwodniczo splatających postacie i pozostawiających wiele pytań bez odpowiedzi. „Być może jest to fala... a może strumień cząstek” – pomyślał naukowiec, „a może światło jest przejawem obu zjawisk. Jak postacie utkane z cienia i światła.”

Początki fizyki kwantowej

Ciekawie jest obserwować wielkich ludzi i próbować zrozumieć, jak rodzą się wspaniałe idee, które zmieniają bieg ewolucji całej ludzkości. Hamilton jest jednym z tych, którzy stali u początków fizyki kwantowej. Pięćdziesiąt lat później, na początku XX wieku, rozpoczęto badania cząstki elementarne badało wielu naukowców. Zdobyta wiedza była sprzeczna i nieopracowana. Jednak pierwsze chwiejne kroki zostały podjęte.

Zrozumienie mikroświata na początku XX wieku

W 1901 roku przedstawiono pierwszy model atomu i wykazano jego niespójność z punktu widzenia elektrodynamiki konwencjonalnej. W tym samym okresie Max Planck i Niels Bohr opublikowali wiele prac na temat natury atomu. Pomimo ich żmudnej pracy nie udało się w pełni zrozumieć struktury atomu.

Kilka lat później, w 1905 roku, mało znany niemiecki naukowiec Albert Einstein opublikował raport na temat możliwości istnienia kwantu światła w dwóch stanach - falowym i korpuskularnym (cząstki). W swojej pracy podano argumenty wyjaśniające przyczynę niepowodzenia modelu. Jednak wizja Einsteina była ograniczona starym rozumieniem modelu atomowego.

Po licznych pracach Nielsa Bohra i jego współpracowników w 1925 roku narodził się nowy kierunek - coś w rodzaju mechaniki kwantowej. Powszechne wyrażenie „mechanika kwantowa” pojawiło się trzydzieści lat później.

Co wiemy o kwantach i ich dziwactwach?

Dzisiaj fizyka kwantowa zaszła dość daleko. Odkryto wiele różnych zjawisk. Ale co tak naprawdę wiemy? Odpowiedź podaje jeden ze współczesnych naukowców. „Możesz albo wierzyć w fizykę kwantową, albo jej nie rozumieć” – brzmi definicja. Pomyśl o tym sam. Wystarczy wspomnieć o takim zjawisku, jak kwantowe splątanie cząstek. Zjawisko to pogrążyło świat naukowy w stanie całkowitego zdezorientowania. Jeszcze większym szokiem było to, że powstały paradoks był niezgodny z paradoksem Einsteina.

Efekt splątania kwantowego fotonów został po raz pierwszy omówiony w 1927 roku na Piątym Kongresie Solvaya. Między Nielsem Bohrem a Einsteinem wybuchła gorąca dyskusja. Paradoks splątania kwantowego całkowicie zmienił rozumienie istoty świata materialnego.

Wiadomo, że wszystkie ciała składają się z cząstek elementarnych. W związku z tym wszystkie zjawiska mechaniki kwantowej znajdują odzwierciedlenie w zwyczajny świat. Niels Bohr powiedział, że jeśli nie patrzymy na Księżyc, to go nie ma. Einstein uznał to za nierozsądne i uważał, że obiekt istnieje niezależnie od obserwatora.

Studiując problemy mechaniki kwantowej, należy zrozumieć, że jej mechanizmy i prawa są ze sobą powiązane i nie są zgodne z fizyką klasyczną. Spróbujmy zrozumieć najbardziej kontrowersyjny obszar - kwantowe splątanie cząstek.

Kwantowa teoria splątania

Na początek warto zrozumieć, że fizyka kwantowa jest jak studnia bez dna, w której można znaleźć wszystko. Zjawisko splątania kwantowego na początku ubiegłego wieku badali Einstein, Bohr, Maxwell, Boyle, Bell, Planck i wielu innych fizyków. Przez cały XX wiek tysiące naukowców na całym świecie aktywnie badało i eksperymentowało z tym zjawiskiem.

Świat podlega ścisłym prawom fizyki

Skąd takie zainteresowanie paradoksami mechaniki kwantowej? To bardzo proste: żyjemy według pewnych praw świat fizyczny. Możliwość „ominięcia” predestynacji otwiera magiczne drzwi, za którymi wszystko staje się możliwe. Na przykład koncepcja „Kota Schrodingera” prowadzi do kontroli materii. Możliwe stanie się także teleportowanie informacji, co jest spowodowane splątaniem kwantowym. Przesyłanie informacji stanie się natychmiastowe, niezależnie od odległości.
Kwestia ta jest nadal badana, ale wykazuje pozytywną tendencję.

Analogia i zrozumienie

Co jest wyjątkowego w splątaniu kwantowym, jak je zrozumieć i co się dzieje, gdy to się dzieje? Spróbujmy to rozgryźć. Aby to zrobić, musisz przeprowadzić pewien eksperyment myślowy. Wyobraź sobie, że masz w rękach dwa pudełka. W każdym z nich znajduje się jedna kula z paskiem. Teraz dajemy jedno pudełko astronautowi, a on leci na Marsa. Gdy tylko otworzysz pudełko i zobaczysz, że pasek na piłce jest poziomy, w innym pudełku piłka automatycznie będzie miała pionowy pasek. Będzie to splątanie kwantowe wyrażone prostymi słowami: jeden obiekt z góry określa położenie drugiego.

Należy jednak rozumieć, że jest to jedynie powierzchowne wyjaśnienie. Aby uzyskać splątanie kwantowe, cząstki muszą mieć to samo pochodzenie, jak bliźniaki.

Bardzo ważne jest, aby zrozumieć, że eksperyment zostanie przerwany, jeśli ktoś przed tobą miał okazję przyjrzeć się przynajmniej jednemu z obiektów.

Gdzie można zastosować splątanie kwantowe?

Zasada splątania kwantowego może zostać wykorzystana do natychmiastowego przesyłania informacji na duże odległości. Taki wniosek jest sprzeczny z teorią względności Einsteina. Mówi, że maksymalna prędkość ruchu jest nieodłączna tylko od światła - trzysta tysięcy kilometrów na sekundę. Taki transfer informacji umożliwia istnienie fizycznej teleportacji.

Wszystko na świecie jest informacją, łącznie z materią. Do takiego wniosku doszli fizycy kwantowi. W 2008 roku na podstawie teoretycznej bazy danych udało się zaobserwować splątanie kwantowe gołym okiem.

To po raz kolejny sugeruje, że jesteśmy u progu wielkich odkryć – ruchu w przestrzeni i czasie. Czas we Wszechświecie jest dyskretny, dlatego natychmiastowy ruch na duże odległości pozwala na dostanie się do różnych gęstości czasu (w oparciu o hipotezy Einsteina i Bohra). Być może w przyszłości będzie to rzeczywistość podobna telefon komórkowy Dzisiaj.

Eterdynamika i splątanie kwantowe

Według niektórych czołowych naukowców splątanie kwantowe tłumaczy się faktem, że przestrzeń wypełniona jest rodzajem eteru – czarnej materii. Jak wiemy, każda cząstka elementarna istnieje w postaci fali i korpuskuły (cząstki). Niektórzy naukowcy uważają, że wszystkie cząstki znajdują się na „płótnie” ciemnej energii. Nie jest to łatwe do zrozumienia. Spróbujmy to rozgryźć w inny sposób - przez skojarzenie.

Wyobraź sobie siebie na brzegu morza. Lekki wiatr i słaby wiatr. Czy widzisz fale? A gdzieś w oddali, w odbiciach promieni słońca, widać żaglówkę.
Statek będzie naszą cząstką elementarną, a morze będzie eterem (ciemną energią).
Morze może być w ruchu w formie widoczne fale i krople wody. W ten sam sposób wszystkie cząstki elementarne mogą być po prostu morzem (jego integralną częścią) lub odrębną cząstką - kroplą.

To uproszczony przykład, wszystko jest nieco bardziej skomplikowane. Cząstki bez obecności obserwatora mają postać fali i nie mają określonego położenia.

Biała żaglówka to odrębny obiekt, różniący się od powierzchni i struktury wody morskiej. Podobnie w oceanie energii występują „szczyty”, które możemy postrzegać jako przejaw znanych nam sił, które ukształtowały materialną część świata.

Mikroświat żyje według własnych praw

Zasadę splątania kwantowego można zrozumieć, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że cząstki elementarne mają postać fal. Nie mając określonej lokalizacji ani cech, obie cząstki znajdują się w oceanie energii. W momencie pojawienia się obserwatora fala „przemienia się” w obiekt dostępny w dotyku. Druga cząstka, obserwując układ równowagi, nabiera przeciwnych właściwości.

Opisywany artykuł nie jest nastawiony na pojemny opisy naukoweświat kwantowy. Możliwość refleksji zwykła osoba opiera się na dostępności prezentowanego materiału.

Fizyka cząstek bada splątanie stanów kwantowych w oparciu o spin (rotację) cząstki elementarnej.

W języku naukowym (w uproszczeniu) - splątanie kwantowe definiuje się za pomocą różnych spinów. Podczas obserwacji obiektów naukowcy zauważyli, że mogą istnieć tylko dwa spiny - wzdłuż i w poprzek. Co dziwne, w innych pozycjach cząstki nie „pozują” obserwatorowi.

Nowa hipoteza - nowe spojrzenie na świat

Badanie mikrokosmosu – przestrzeni cząstek elementarnych – dało początek wielu hipotezom i przypuszczeniom. Efekt splątania kwantowego skłonił naukowców do zastanowienia się nad istnieniem pewnego rodzaju mikrosieci kwantowej. Ich zdaniem w każdym węźle – punkcie przecięcia – znajduje się kwant. Cała energia jest integralną siecią, a manifestacja i ruch cząstek jest możliwy tylko poprzez węzły sieci.

Rozmiar „okna” takiej kraty jest dość mały, a pomiar za pomocą nowoczesnego sprzętu jest niemożliwy. Aby jednak potwierdzić lub obalić tę hipotezę, naukowcy postanowili zbadać ruch fotonów w przestrzennej sieci kwantowej. Rzecz w tym, że foton może poruszać się albo prosto, albo po zygzakach - wzdłuż przekątnej sieci. W drugim przypadku, po przebyciu większej odległości, wyda więcej energii. W związku z tym będzie się różnić od fotonu poruszającego się po linii prostej.

Być może z czasem dowiemy się, że żyjemy w przestrzennej sieci kwantowej. Lub to założenie może okazać się błędne. Jednak to zasada splątania kwantowego wskazuje na możliwość istnienia sieci.

Mówiąc prościej, w hipotetycznym przestrzennym „sześcianie” definicja jednej ściany niesie ze sobą wyraźnie przeciwne znaczenie drugiej. Jest to zasada zachowania struktury czasoprzestrzeni.

Epilog

Aby zrozumieć magiczny i tajemniczy świat fizyki kwantowej, warto przyjrzeć się bliżej rozwojowi nauki na przestrzeni ostatnich pięciuset lat. Wcześniej wierzono, że Ziemia jest płaska, a nie kulista. Powód jest oczywisty: jeśli przyjmiesz jego kształt jako okrągły, woda i ludzie nie będą w stanie się utrzymać.

Jak widać, problem tkwił w braku pełnej wizji wszystkiego siły aktywne. Możliwe, że współczesna nauka nie ma wystarczającej wizji wszystkich działających sił, aby zrozumieć fizykę kwantową. Luki w wizji rodzą system sprzeczności i paradoksów. Być może magiczny świat mechaniki kwantowej zawiera odpowiedzi na postawione pytania.