Содержание
квантовая запутанность — Телеканал «Наука»
«Бог не играет в кости» — «Не указывайте Богу, что ему делать». Квантовая запутанность породила спор Эйнштейна и Бора.
Запутанность — пожалуй, самое интересное свойство, отличающее квантовый мир от классического. Оно лежит в основе доказательства принципиальной неопределенности событий в квантовом мире, и на нем основаны современные квантовые технологии, такие как квантовая связь, квантовые вычисления и сверхточные квантовые измерительные приборы.
Буквально на днях американские физики изобрели сверхточные атомные часы на базе квантово-запутанных атомов, а группа китайских ученых продемонстрировала оптический квантовый вычислитель, работающий во много раз быстрее самого быстрого классического суперкомпьютера.
Само понятие «запутывание» ввел Эрвин Шредингер в 1935 году — тот самый физик-теоретик, который «мучил» воображаемого кота.
Однако в широкое употребление понятие вошло лишь в 1990-е годы, с появлением первых систем квантовой связи и прототипов квантовых компьютеров.
Что же такое квантовая запутанность? Мы побеседовали о ней с Константином Катамадзе, кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН РАН и лаборатории квантовых оптических технологий физического факультета МГУ.
— Константин, можно ли просто и понятно объяснить, что такое квантовая запутанность?
— Давайте для начала поясним, что такое запутанное состояние (или перепутанное, сцепленное, связанное, переплетенное — в русском языке есть много вариантов перевода термина entangle). Начнем с того, что квантовая запутанность — это всегда история о двухчастичной системе — один атом или фотон не может быть перепутанным. Система может быть и многочастичной, но тогда для определения ее запутанности все равно нужно разделить ее на две подсистемы и рассматривать их корреляции.
Чтобы частицы были перепутанными, они должны были когда-то провзаимодействовать. Если они никогда не взаимодействовали, значит, они не перепутаны. Как пример: две частицы образовались в результате распада одной частицы. Но дальше они физически не взаимодействуют, никаких сил между ними нет. Просто их состояние таково, что они проявляют корреляции в разных измерениях, которые нельзя описать с точки зрения классической физики.
— Математически это выражается в каком-то уравнении?
— Квантовые состояния описываются волновой функцией. Соответственно, если у нас есть две системы, то они описываются совместной волновой функцией Ψ (x1, x2), которая зависит от параметров первой системы (x1) и второй системы (x2). И если эту совместную волновую функцию нельзя представить в виде произведения волновых функций ее подсистем, то такое состояние называется запутанным. Физически это означает, что параметры этих систем связаны друг с другом.
И если я измеряю параметр одной системы, то я сразу получаю информацию о параметре другой системы.
Важно отличать перепутанные состояния от состояний, проявляющих классические корреляции. Приведу простой пример классических корреляций. У нас есть пьяный стрелок с двуствольным ружьем. Он случайным образом палит во все стороны. И понятно, что каждая пуля — независимо от того, из какого дула она вышла, — может попасть в любую сторону. Но поскольку стрелок одновременно выпускает две пули, то куда пошла одна пуля, туда же примерно пойдет и другая. Эти пули друг с другом более-менее связаны, и если я измерю координаты одной, то примерно смогу понять, куда попала другая.
Еще пример классической корреляции. У меня есть пара сапог из одной коробки. Я случайным образом кладу один в одну коробку, другой — в другую. Один отправляется коллеге на Марс, другой — на Венеру. Они получают их, открывают коробки и видят: «Ага, у меня сапог левый, значит, у него правый». И наоборот: «Ага, у меня правый, значит, у него левый!» То есть, измерив состояние сапога в своей коробке, они могут понять состояние сапога у коллеги на другой планете.
— Понятно. А что же такое неклассические корреляции, которые проявляются при перепутанности?
— Представьте, что мы с сапогами можем проводить некий другой тип измерения, который одинаково — что для правого, что для левого — давал бы с равной вероятностью разные результаты. Например, я могу брать сапог, подбрасывать и смотреть, куда он упадет: направо или налево — так раньше гадали. И вот мои экспериментаторы на Марсе и Венере так же сапоги подбрасывают, и если их сапоги падают в одну и ту же сторону, то получается, что результаты их измерений связаны независимо от того, какой тип измерений они проводят. Вот такие неклассические корреляции и называются запутанностью.
— Зачем вся эта запутанность вообще была нужна и что она порождает?
— Начнем с фундаментальной истории, которая называется «проверка нарушений неравенства Белла». Что это такое? Существует глубокий философский вопрос о том, предсказуем наш мир или нет, принцип детерминизма.
Можно ли определить, как все дальше будет развиваться, или это невозможно и есть принципиальная неопределенность? Долгое время разные ученые и философы считали, что мир предсказуем. Грубо говоря, еще в школе нас учили: если мы кинем шар под углом к горизонту с такой-то скоростью, траекторию можно посчитать. А когда человечество столкнулось с квантовой физикой, выяснилось, что квантовая теория не дает ответа на вопрос, как будет вести себя результат измерения в каждом конкретном эксперименте.
Допустим, фотон летит на светоделитель (полупрозрачную пластинку). С вероятностью 50% он отразится, с вероятностью 50% пройдет. Но квантовая физика не дает ответа на вопрос, как он поведет себя в каждом конкретном эксперименте. И многие отцы-основатели квантовой физики были с этим не согласны, считали, что это какой-то косяк этой теории. В частности, Эйнштейн считал, что это неполнота теории, что эта теория плохая и скоро придумают «нормальную» теорию, которая будет все хорошо описывать. То, что теория не может ответить, что будет в каждом конкретном случае, — это бред какой-то, так быть не может! У Эйнштейна была большая полемическая переписка с Нильсом Бором.
Он писал: «Бог не играет в кости», на что Бор отвечал: «Не указывайте Богу, что ему делать».
И этот вопрос глубоко философский, на самом деле. Оказывается, его можно решить, как раз проводя эксперименты над перепутанными состояниями. И такой эксперимент называется «проверка нарушений неравенства Белла». Этот эксперимент показывает, что мир не детерминирован. Впервые такой эксперимент был проведен в 1972 году, но с тех пор разные ученые продолжают спорить о его результатах, искать возможные дыры в методике его проведения, и последний масштабный эксперимент такого рода, в котором вроде бы все известные дыры были закрыты, был проведен в 2015 году.
— Как практически можно применять квантовую запутанность?
— Если говорить про прикладные применения запутанности, то это квантовая метрология, квантовая связь и квантовые вычисления. В разных метрологических приложениях использование перепутанных частиц позволяет точнее измерять время, расстояние, электрические и гравитационные поля и пр.
Перепутанность является ресурсом в квантовых вычислениях. Дело в том, что если у нас есть многочастичная (например, многофотонная) система, то в общем случае состояние такой системы будет перепутано. Оказывается, что для описания такого состояния нужно очень много информации. Если я увеличиваю число квантовых битов, у меня количество коэффициентов будет расти как 2n. То есть это очень быстрый экспоненциальный рост. (Сейчас в связи с ковидной пандемией мы все усвоили, что такое экспоненциальный рост, когда количество зараженных раз в две-три недели удваивалось.) Таким образом, если у меня будет хотя бы 50–60 квантовых битов, то мне никакого компьютера не хватит, чтобы записать туда их состояние.
Если я не могу рассчитать квантовую систему, значит, я могу делать с этой системой что-то, что не может обычный компьютер. Это лежит в основе квантового вычисления. Сейчас разрабатываются разные квантовые вычислители — пока у них довольно ограниченное число квантовых бит, несколько десятков, но, когда их будет несколько сотен или тысяч, тогда уже это будут системы, на которых можно будет решать определенный круг важных задач.
Буквально две недели назад группа китайских ученых продемонстрировала квантовый симулятор, у которого был стоканальный интерферометр, и там на входе были такие хитрые сжатые состояния света (состояния, которые содержат только четное число фотонов). Ученые измеряли число фотонов на его выходах и показали, что получить аналогичные результаты с помощью обычного компьютера невозможно. Даже у суперкомпьютера это займет десятки и сотни лет. Это то, что называется квантовым превосходством.
Впервые аналогичный эксперимент, демонстрирующий квантовое превосходство, провела компания Google, но они использовали не фотоны, а сверхпроводящие кубиты.
Тут, конечно, нужно понимать, что пока такой квантовый симулятор решает лишь одну задачу — симулирует сам себя. Но это первый шаг к квантовым симуляторам, которые смогут решать задачи квантовой химии, логистики и другие полезные задачи.
— Еще всех, конечно же, интересует криптография — передача информации без возможности ее перехватить.
Расскажите о квантовой связи: как она работает?
— Суть квантовой связи состоит в том, что, если мы кодируем информацию квантовыми системами и если кто-то хотел бы ее по дороге послушать и считать, он проведет измерения над этой квантовой системой и неизбежно ее возмутит, изменит ее состояние, и таким образом это прослушивание будет вскрыто.
— Как именно происходит квантовое распределение ключа? Один фотон шифрует сообщение при передаче, а с помощью другого происходит дешифрация на приемнике?
— Смысл процедуры в том, чтобы у Алисы и Боба (так традиционно называют пользователей криптографических систем) была одинаковая последовательность нулей и единиц — ключ. Имея такой ключ, Алиса может зашифровать информацию, передать ее Бобу по открытому информационному каналу, а Боб, имея такой же ключ, сможет ее расшифровать. Доказано, что если длина ключа равна длине сообщения, то расшифровать информацию без ключа невозможно.
Квантовое распределение ключа — это процедура, в результате которой Алиса и Боб получают эту самую последовательность нулей и единиц, которой точно никто другой не обладает.
Один из способов ее получить — это проводить измерения над перепутанными фотонами. Тогда результаты измерений фактически и будут представлять собой эту последовательность. Чтобы убедиться, что процедура распределения ключа происходила правильно, что никто по дороге ничего не подслушивал, Алиса и Боб часть ключа сверяют по открытому каналу и смотрят на процент ошибок. Если ошибок нет, значит, никто ничего не подслушивал, и оставшуюся часть ключа можно использовать для кодирования полезной информации.
К сожалению, пока что системы квантового распределения ключа ограничены по дальности, поскольку квантовые состояния нельзя усилить. Есть идея «квантовых повторителей», но технически они пока что не реализованы.
— Были ли примеры удачной квантовой связи на расстоянии?
— Самый масштабный эксперимент такого рода был поставлен несколько лет назад китайцами. Они со спутника распределяли пары перепутанных фотонов: один фотон летел в один город, другой — в другой город.
Расстояние между городами было более 1000 км. В этих двух городах проводили измерения над этими фотонами, и результаты были коррелированы, их можно было использовать дальше для кодирования информации и передачи секретных сообщений. Но это, конечно, демонстрационный эксперимент. А коммерчески доступные системы квантовой криптографии на сегодня ограничены дальностью около 100 км.
— В научно-популярных роликах нередко говорят о взаимовлиянии одной частицы на другую из запутанной пары. Может ли быть такое, что мы, воздействуя на один фотон, на дальнем расстоянии воздействуем и на другой, если они перепутаны?
— Это распространенное заблуждение. Никакого дальнодействия между перепутанными частицами нет, и никакого взаимодействия — тоже.
Есть такое понятие «квантовая нелокальность». Термин может ввести людей в заблуждение. Обычно нелокальность понимается так: когда я что-то делаю в одной точке, то моментально что-то меняется в другой точке. Вспомним пример с сапогами: я открыл сапог на Венере и узнал, какой сапог на Марсе.
До моего измерения состояние сапога на Марсе не было определено, а после я точно знаю, что он правый. Это является моментальным нелокальным изменением его состояния? Конечно, нет! Измерение сапога на Венере никак не повлияло на результат измерения сапога на Марсе — просто результаты этих измерений будут противоположны друг другу. Даже если у меня есть перепутанные частицы, я не могу сделать что-то в точке А, что приведет к каким-то изменениям в точке B. То есть я не могу передавать информацию быстрее скорости света, как многие думают. Я не меняю состояние системы, но результаты моих измерений коррелированы с результатами измерений в другой точке.
С другой стороны, такая квантовая нелокальность существует «на бумаге». Дело в том, что измерение, проводимое над квантовой системой, изменяет ее квантовое состояние, ее волновую функцию. И если две системы описываются общей волновой функцией, то измерение, проведенное над одной из них, меняет общую волновую функцию и таким образом меняет и волновую функцию второй системы.
Но, как говорил известный ученый Ашер Перес, квантовые явления происходят не в пространстве волновых функций, а в лаборатории, и вот в лаборатории никакой нелокальности не наблюдается.
— А что такое квантовая телепортация? Сам термин звучит интригующе — в духе научной фантастики.
— Как мы говорили, в квантовой физике ключевую роль играет неопределенность. Я не могу заранее предсказать, как поведет себя квантовый объект при том или ином измерении. Поэтому, чтобы точно мое квантовое состояние померить, мне нужно взять много-много копий одного и того же состояния, провести над ними много разных измерений, и тогда я могу определить вероятность, с которой они в разных случаях дают те или иные результаты измерений. Но за один раз я квантовое состояние померить не могу.
А теперь представьте, что у меня есть задача телепортировать какой-то объект из точки А в точку В. Если это классический объект (например, я хочу телепортировать стул), я его измеряю, смотрю, из чего он состоит, строю чертежи, пересылаю в точку В, там находят такой же материал и по моему чертежу делают такой же стул.
Элементарно! А если стул квантовый, то возникает проблема: я не могу свой квантовый стул измерить. А я хочу, чтобы в точке В появился стул ровно такой же. И на этот счет есть специальная процедура квантовой телепортации, которая позволяет мне перенести состояние одной системы на состояние другой системы.
Допустим, у меня есть два атома. Один находится в ловушке в точке А, второй — в точке В. Я хочу состояние атома в точке А скопировать и перенести на состояние атома в точке В. Это я могу сделать. Для этого можно использовать запутанные фотоны: когда я над своим атомом и фотоном произвожу совместное измерение, о результатах этого измерения сообщаю своему коллеге, и он проводит определенные манипуляции со своим фотоном и атомом. И в результате он получает, что его атом в таком же состоянии, в котором был атом у меня до того, как я провел свои измерения. При этом мой атом вследствие моих манипуляций уже перешел в другое состояние. Это квантовая телепортация.
«Квантовая физика дает надежду на то, что судьбы нет»
Все переплетено, но не предопределено
Нобелевскую премию по физике получил выдающийся автор безумных идей
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc. , запрещённая на территории Российской Федерации
Физика всего
Остальные теги
Расскажите друзьям
Как человек изменил все: расскажет цикл познавательных фильмов на телеканале «Наука»
- Космическая гонка
Обнародованы новые итоги миссии по смещению астероида DART
- Раскопки
- Что было раньше
На севере Гватемалы в джунглях обнаружили огромную сеть поселений ранних майя
- Внеземное
- Необъяснимое
Астрономы просканировали 12 экзопланет на наличие техногенных сигналов
- Космическая гонка
«Роскосмос» и НАСА рассказали, что планируется сделать с поврежденным «Союзом»
Почему кошки делают это?
Mirosław Blicharski/Aleksander Poznań
В Польше археологи открыли погребение женщины-«вампира» с серпом у горла
Curtin University
Геофизики предсказывают обратное слияние континентов
Shutterstock
Нейробиологи раскрывают механизм боли
NASA, ESA, CSA, and STScI
Опубликована первая научная полноцветная фотография с телескопа «Джеймс Уэбб»
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Распутать квантовую запутанность: за что дали «Нобеля» по физике
Нобелевскую премию по физике 2022 года получили физики Ален Аспе из Университета Париж-Сакле, Джон Клаузер из исследовательской компании J. F. Clauser & Associates и Антон Цайлингер из Венского университета за эксперименты в области квантовой запутанности, изучение нарушений неравенств Белла и «новаторство в квантовой информатике». Об этом сообщили представители Нобелевского комитета на церемонии в Стокгольме.
Исследования лауреатов «открыли путь для новых технологий», основанных на квантовой механике, пояснили в комитете.
Квантовая запутанность
Квантовая запутанность возникает в тот момент, когда две или более частицы становятся связанными между собой. При этом явлении то, что происходит с одной частицей, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.
Исследования Аспе, Клаузера и Цайлингера позволили значительно продвинуться в понимании квантовой запутанности и того, как можно использовать ее в прикладных целях. Сегодня этот феномен лежит в основе современных квантовых технологий и, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи, — они полностью исключают возможность незаметной «прослушки».
В 2015 году доказательство существования квантовой запутанности читатели журнала Science признали пятым по значимости событием года — после пролета зонда New Horizons над Плутоном и развития технологии редактирования генов CRISPR/Cas9.
Сломали систему
Долгое время оставался открытым вопрос, не обусловлена ли квантовая запутанность тем, что частицы в паре содержат скрытые параметры, которые влияют на результаты экспериментов. В 1960-х годах физик-теоретик Джон Стюарт Белл разработал математические неравенства, позволяющие проверить, есть ли в квантовой системе такие скрытые переменные — если неравенства выполняются, значит, переменные есть.
А в 1970-1980-х годах сначала Клаузер, а затем и Аспе смогли экспериментально добиться нарушения неравенств, что подтвердило отсутствие скрытых параметров.
В частности, Аспе закрыл возможную «лазейку», которая могла повлиять на результаты Клаузера. Ему удалось переключить настройки измерения на экспериментальной установке после того, как запутанная пара покинула источник, так что настройки, существовавшие в момент испускания частиц, не могли повлиять на результат. В дальнейшем добиться нарушений неравенств Белла удалось более чем 30 исследовательским группам.
Эксперименты с неравенствами Белла внесли большой вклад в развитие квантовых коммуникаций, рассказал «Газете.Ru» научный руководитель группы «Атомные и оптические квантовые вычисления» Российского квантового центра Станислав Страупе.
«Есть физика классическая, в которой все детерминировано. Зная начальные условия, вы точно будете знать, что произойдет в классической системе. С квантовой теорией оказывается, что есть неопределенность.
Даже если вы думаете, что все знаете о системе, существуют ситуации, в которых вы предсказать результат не можете, есть только вероятности того или иного исхода. Эта особенность квантовой теории многим не нравилась, в частности Эйнштейну. Он считал, что должна быть другая, более глубокая теория, в которой вероятности не будет.
Однако в ХХ веке Джон Белл решил, что можно придумать эксперимент, результаты которого могли бы показать, необходима ли эта вероятность.
Они были проведены нынешними лауреатами и продемонстрировали, что квантовая теория верна, и она прекрасно описывает наш мир. И, даже если ученые придумают новую теорию, более глубокую, то в ней все равно будет присутствовать вероятность. Неопределенность всегда будет», — пояснил он.
Россия не отстает
Технологии, за которые Аспе, Клаузер и Цайлингер удостоились премии, активно развиваются и в России, рассказал «Газете.Ru» руководитель квантового центра МГУ им. Ломоносова Сергей Кулик.
«Квантовая криптография уже активно используется в России. Идеи, которые развивают Аспе, Клаузер и Цайлингер, параллельно развивались и в СССР, что, конечно, не умаляет заслуг нобелевских лауреатов перед наукой. Это выдающееся достижение, им неоднократно прогнозировали вручение этой премии, прогнозировали заслуженно. Тем более сейчас эти технологии реализуются бурно и не за горами тот день, когда мы будем говорить о появлении каких-то пользовательских устройств с квантовыми системами», — заявил Кулик.
По словам Сергея Кулика, он знаком с работами всех трех физиков, и смог лично поработать с Цайлингером.
«Я лично знаю Антона Цайлингера. Мы ежегодно проводим школу в Сочи по квантовым технологиям, и в прошлом году он там выступал. Мы много лет работаем совместно», – отметил Кулик.
В частности, идеи, к развитию которых приложили руку нобелевские лауреаты, нашли применение в исследованиях, проводимых в НИТУ МИСиС.
«МИСиС использует многие принципы, которые были предложены в экспериментах трех нобелиатов, например, принципы приготовления квантовых состояний света, которые используются в коммуникации. Квантовая коммуникация в России очень серьезно развита. Некоторые компании уже производят для нее технологическое оборудование. В этой сфере Россия находится на мировом уровне»,
– рассказал «Газете.Ru» руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций НИТУ МИСиС Алексей Федоров.
По его словам, вся область квантовых технологий выстроилась на идеях Аспе.
Однако российских разработчиков нельзя назвать прямыми «продолжателями» его работ.
«В России ведется демонстрация различных применений квантовых коммуникаций. Не только в оптоволоконном варианте реализации, но и в открытом пространстве в каналах прямой видимости. Также работа над новыми протоколами квантовых коммуникаций, как оптимальным образом использовать ресурсы, даваемые нам квантовой механикой и природой, чтобы делать наши технологии лучше. Одним словом, квантовая связь в России есть и она работает. Приборы есть, следующий шаг – сертификация и внедрение», – объяснил Федоров.
Несмотря на важность работы исследователей, обычные пользователи вряд ли пока могут ощутить преимущества квантовых технологий.
«Квантовые технологии гарантируют стопроцентную защиту от прослушивания, что может быть преимуществом, например, в онлайн-банкинге. Но квантовый интернет не быстрее обычного. Квантовому компьютеру можно задать несколько арифметических задач одновременно, он будет решать их параллельно, а не последовательно.
Нельзя сравнивать скорость, потому что здесь действуют другие принципы. Но есть математические задачи, которые суперкомпьютер не сможет решить за миллиарды лет, а квантовый компьютер сможет.
Благодаря параллельному методу расчета он обладает огромными возможностями», — рассказывал Цайлингер ранее в интервью немецкому изданию Profil.
Также он выступил против исключения российских ученых из международных исследований в связи с событиями на Украине — по крайней мере, тех, кто настроен оппозиционно.
Эксперты сходятся на том, что исследования тройки физиков стали фундаментом для активного развития квантовых технологий в наши дни и найдут широкое применение в будущих проектах. В частности, как отметил в беседе с «Газетой.Ru» директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) МГТУ им. Н.Э.Баумана Илья Родионов, нобелевские лауреаты этого года внесли особый вклад в изучение однофотонных процессов, открывающих дорогу к методам передачи информации, основанным на принципах квантовой механики — так называемого «квантового интернета».
«Мы с командой имели уникальную возможность посетить лекцию господина Аспе в рамках конференции SPIE в Страсбурге в 2018 году, и используем материалы коллег в собственных разработках систем интегральной фотоники.
Исследования Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера довольно четко рисуют картину ближайшего будущего, активно формируемого сегодня достижениями в области квантовых технологий, включая коммуникации»,
— заключил Родионов.
Что такое квантовая запутанность? | Живая наука
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Квантовая запутанность — одно из сверхпричудливых явлений, наблюдаемых, когда вещи становятся крошечными или внутри квантового царства. Когда две или более частиц соединяются определенным образом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга в пространстве, их состояния остаются связанными. Это означает, что они имеют общее, единое квантовое состояние. Таким образом, наблюдения за одной из частиц могут автоматически предоставлять информацию о других запутанных частицах, независимо от расстояния между ними.
И любое действие на одну из этих частиц неизменно повлияет на другие в запутанной системе.
Кто открыл квантовую запутанность?
Физики разработали фундаментальные идеи, лежащие в основе запутанности, когда они разрабатывали механику квантового мира в первые десятилетия 20-го века. Они обнаружили, что для правильного описания субатомных систем необходимо использовать нечто, называемое квантовым состоянием.
В квантовом мире ничего нельзя знать наверняка; например, вы никогда точно не знаете, где находится электрон в атоме , только где он может быть . Квантовое состояние суммирует вероятность измерения определенного свойства частицы, такого как ее положение или угловой момент. Так, например, квантовое состояние электрона описывает все места, где вы можете его найти, вместе с вероятностью найти электрон в этих местах.
Еще одна особенность квантовых состояний заключается в том, что они могут коррелировать с другими квантовыми состояниями, а это означает, что измерения одного состояния могут влиять на другое.
В статье 1935 года Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен исследовали, как сильно коррелированные квантовые состояния будут взаимодействовать друг с другом. Они обнаружили, что когда две частицы сильно коррелированы, они теряют свои индивидуальные квантовые состояния и вместо этого разделяют единое, объединенное состояние. Другой способ думать об этом состоит в том, что единый математический «контейнер» может описывать все частицы одновременно, независимо от их индивидуальных свойств. Это единое состояние стало известно как квантовая запутанность.
Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». (Изображение предоставлено НАСА)
Они обнаружили, что если две частицы запутаны, то есть их квантовые состояния сильно коррелированы и становятся едиными, то измерения одной из частиц автоматически влияют на другую, независимо от того, как далеко частицы друг от друга, согласно Стэнфордской энциклопедии философии .
Первым физиком, употребившим слово «запутанность», был Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики . Он описал запутанность как наиболее важный аспект квантовой механики, заявив, что ее существование — это полный отход от классического направления мысли.
Что такое парадокс ЭПР?
Как обнаружили Эйнштейн, Подольский и Розен, запутанность возникает мгновенно: если вы знаете одно квантовое состояние, вы автоматически знаете квантовое состояние любых запутанных частиц. В принципе, вы могли бы поместить две запутанные частицы на противоположных концах галактики и при этом иметь это мгновенное знание, которое, по-видимому, нарушает предел скорости света.
Этот результат известен как парадокс ЭПР (сокращение от Эйнштейна, Подольского и Розена), согласно Американскому физическому обществу — эффект, который Эйнштейн назвал «призрачным действием на расстоянии». Он использовал этот парадокс как доказательство неполноты квантовой теории.
Но эксперименты неоднократно подтверждали, что запутанные частицы действительно влияют друг на друга независимо от расстояния, и квантовая механика остается подтвержденной и по сей день.
Общепринятого решения парадокса нет. Однако, хотя запутанные системы не сохраняют локальности (это означает, что одна часть запутанной системы может немедленно воздействовать на удаленную частицу), они соблюдают причинно-следственную связь, а это означает, что следствия всегда имеют причины. Наблюдатель за далекой частицей не знает, потревожил ли локальный наблюдатель запутанную систему, и наоборот. Они должны обмениваться информацией друг с другом не быстрее скорости света для подтверждения.
Другими словами, ограничения, накладываемые скоростью света, все еще действуют в запутанных системах. Хотя вы можете знать состояние удаленной частицы, вы не можете передать эту информацию быстрее скорости света.
Как создать квантовую запутанность?
Есть много способов запутать частицы.
Один из методов состоит в том, чтобы охладить частицы и поместить их достаточно близко друг к другу, чтобы их квантовые состояния (представляющие неопределенность положения) перекрывались, что делает невозможным отличить одну частицу от другой.
Другой способ — полагаться на какой-то субатомный процесс, такой как ядерный распад, который автоматически производит запутанные частицы. Согласно НАСА , также возможно создавать запутанные пары фотонов или частиц света, либо расщепляя один фотон и генерируя в процессе пару фотонов, либо смешивая пары фотонов в оптоволоконном кабеле.
Художественное изображение облака атомов с парами запутанных между собой частиц, представленных желто-синими линиями. (Изображение предоставлено ICFO)
(открывается в новой вкладке)
Для чего можно использовать квантовую запутанность?
Вероятно, квантовая запутанность наиболее широко используется в криптографии. Согласно журналу Caltech Magazine , , в этом сценарии отправитель и получатель создают безопасный канал связи, который включает в себя пары запутанных частиц.
Отправитель и получатель используют запутанные частицы для генерации закрытых ключей, известных только им, которые они могут использовать для кодирования своих сообщений. Если кто-то перехватит сигнал и попытается прочитать закрытые ключи, запутанность разорвется, потому что измерение запутанной частицы изменяет ее состояние. Это означает, что отправитель и получатель будут знать, что их сообщения были скомпрометированы. 910 традиционных бит.
Что такое телепортация с квантовой запутанностью?
Вопреки обычному использованию слова «телепорт», квантовая телепортация не связана с движением или перемещением самих частиц. Вместо этого при квантовой телепортации информация об одном квантовом состоянии переносится на большие расстояния и воспроизводится где-то еще, согласно Nature News (открывается в новой вкладке).
Лучше всего рассматривать квантовую телепортацию как квантовую версию традиционной связи.
Сначала отправитель подготавливает частицу, содержащую информацию (т.
е. квантовое состояние), которую он хочет передать. Затем они комбинируют это квантовое состояние с одной из запутанных пар частиц. Это вызывает соответствующее изменение в другой запутанной паре, которая может находиться на произвольном расстоянии.
Затем приемник записывает изменение запутанного партнера пары. Наконец, отправитель должен передать по обычным каналам (т. е. ограниченным скоростью света) исходное изменение, внесенное в запутанную пару. Это позволяет приемнику реконструировать квантовое состояние в новом месте.
Может показаться, что передача одной ничтожной части информации требует много работы, но квантовая телепортация обеспечивает полностью безопасную связь. Если подслушиватель перехватит сигнал, он разорвет запутанность, что обнаружится, когда приемник сравнит традиционный сигнал с изменениями, внесенными в запутанную пару.
Узнать больше:
- Массачусетский технологический институт предлагает отличный объяснитель на: Что такое квантовый компьютер?
- Узнайте обо всех современных применениях квантовой запутанности в это Университет Ватерлоо страница .
Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук Университета штата Нью-Йорк и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.
Что такое квантовая запутанность? | Живая наука
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Квантовая запутанность — одно из сверхпричудливых явлений, наблюдаемых, когда вещи становятся крошечными или внутри квантового царства. Когда две или более частиц соединяются определенным образом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга в пространстве, их состояния остаются связанными.
Это означает, что они имеют общее, единое квантовое состояние. Таким образом, наблюдения за одной из частиц могут автоматически предоставлять информацию о других запутанных частицах, независимо от расстояния между ними. И любое действие на одну из этих частиц неизменно повлияет на другие в запутанной системе.
Кто открыл квантовую запутанность?
Физики разработали фундаментальные идеи, лежащие в основе запутанности, когда они разрабатывали механику квантового мира в первые десятилетия 20-го века. Они обнаружили, что для правильного описания субатомных систем необходимо использовать нечто, называемое квантовым состоянием.
В квантовом мире ничего нельзя знать наверняка; например, вы никогда точно не знаете, где находится электрон в атоме , только где он может быть . Квантовое состояние суммирует вероятность измерения определенного свойства частицы, такого как ее положение или угловой момент. Так, например, квантовое состояние электрона описывает все места, где вы можете его найти, вместе с вероятностью найти электрон в этих местах.
Еще одна особенность квантовых состояний заключается в том, что они могут коррелировать с другими квантовыми состояниями, а это означает, что измерения одного состояния могут влиять на другое. В статье 1935 года Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен исследовали, как сильно коррелированные квантовые состояния будут взаимодействовать друг с другом. Они обнаружили, что когда две частицы сильно коррелированы, они теряют свои индивидуальные квантовые состояния и вместо этого разделяют единое, объединенное состояние. Другой способ думать об этом состоит в том, что единый математический «контейнер» может описывать все частицы одновременно, независимо от их индивидуальных свойств. Это единое состояние стало известно как квантовая запутанность.
Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». (Изображение предоставлено НАСА)
Они обнаружили, что если две частицы запутаны, то есть их квантовые состояния сильно коррелированы и становятся едиными, то измерения одной из частиц автоматически влияют на другую, независимо от того, как далеко частицы друг от друга, согласно Стэнфордской энциклопедии философии .
Первым физиком, употребившим слово «запутанность», был Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики . Он описал запутанность как наиболее важный аспект квантовой механики, заявив, что ее существование — это полный отход от классического направления мысли.
Что такое парадокс ЭПР?
Как обнаружили Эйнштейн, Подольский и Розен, запутанность возникает мгновенно: если вы знаете одно квантовое состояние, вы автоматически знаете квантовое состояние любых запутанных частиц. В принципе, вы могли бы поместить две запутанные частицы на противоположных концах галактики и при этом иметь это мгновенное знание, которое, по-видимому, нарушает предел скорости света.
Этот результат известен как парадокс ЭПР (сокращение от Эйнштейна, Подольского и Розена), согласно Американскому физическому обществу — эффект, который Эйнштейн назвал «призрачным действием на расстоянии». Он использовал этот парадокс как доказательство неполноты квантовой теории.
Но эксперименты неоднократно подтверждали, что запутанные частицы действительно влияют друг на друга независимо от расстояния, и квантовая механика остается подтвержденной и по сей день.
Общепринятого решения парадокса нет. Однако, хотя запутанные системы не сохраняют локальности (это означает, что одна часть запутанной системы может немедленно воздействовать на удаленную частицу), они соблюдают причинно-следственную связь, а это означает, что следствия всегда имеют причины. Наблюдатель за далекой частицей не знает, потревожил ли локальный наблюдатель запутанную систему, и наоборот. Они должны обмениваться информацией друг с другом не быстрее скорости света для подтверждения.
Другими словами, ограничения, накладываемые скоростью света, все еще действуют в запутанных системах. Хотя вы можете знать состояние удаленной частицы, вы не можете передать эту информацию быстрее скорости света.
Как создать квантовую запутанность?
Есть много способов запутать частицы.
Один из методов состоит в том, чтобы охладить частицы и поместить их достаточно близко друг к другу, чтобы их квантовые состояния (представляющие неопределенность положения) перекрывались, что делает невозможным отличить одну частицу от другой.
Другой способ — полагаться на какой-то субатомный процесс, такой как ядерный распад, который автоматически производит запутанные частицы. Согласно НАСА , также возможно создавать запутанные пары фотонов или частиц света, либо расщепляя один фотон и генерируя в процессе пару фотонов, либо смешивая пары фотонов в оптоволоконном кабеле.
Художественное изображение облака атомов с парами запутанных между собой частиц, представленных желто-синими линиями. (Изображение предоставлено ICFO)
(открывается в новой вкладке)
Для чего можно использовать квантовую запутанность?
Вероятно, квантовая запутанность наиболее широко используется в криптографии. Согласно журналу Caltech Magazine , , в этом сценарии отправитель и получатель создают безопасный канал связи, который включает в себя пары запутанных частиц.
Отправитель и получатель используют запутанные частицы для генерации закрытых ключей, известных только им, которые они могут использовать для кодирования своих сообщений. Если кто-то перехватит сигнал и попытается прочитать закрытые ключи, запутанность разорвется, потому что измерение запутанной частицы изменяет ее состояние. Это означает, что отправитель и получатель будут знать, что их сообщения были скомпрометированы. 910 традиционных бит.
Что такое телепортация с квантовой запутанностью?
Вопреки обычному использованию слова «телепорт», квантовая телепортация не связана с движением или перемещением самих частиц. Вместо этого при квантовой телепортации информация об одном квантовом состоянии переносится на большие расстояния и воспроизводится где-то еще, согласно Nature News (открывается в новой вкладке).
Лучше всего рассматривать квантовую телепортацию как квантовую версию традиционной связи.
Сначала отправитель подготавливает частицу, содержащую информацию (т.
е. квантовое состояние), которую он хочет передать. Затем они комбинируют это квантовое состояние с одной из запутанных пар частиц. Это вызывает соответствующее изменение в другой запутанной паре, которая может находиться на произвольном расстоянии.
Затем приемник записывает изменение запутанного партнера пары. Наконец, отправитель должен передать по обычным каналам (т. е. ограниченным скоростью света) исходное изменение, внесенное в запутанную пару. Это позволяет приемнику реконструировать квантовое состояние в новом месте.
Может показаться, что передача одной ничтожной части информации требует много работы, но квантовая телепортация обеспечивает полностью безопасную связь. Если подслушиватель перехватит сигнал, он разорвет запутанность, что обнаружится, когда приемник сравнит традиционный сигнал с изменениями, внесенными в запутанную пару.
Узнать больше:
- Массачусетский технологический институт предлагает отличный объяснитель на: Что такое квантовый компьютер?
- Узнайте обо всех современных применениях квантовой запутанности в это Университет Ватерлоо страница .
