درهم تنیدگی ذرات درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟ نکته به زبان ساده است. آیا انتقال از راه دور امکان پذیر است؟ نظریه درهم تنیدگی کوانتومی

• ترجمه

درهم تنیدگی کوانتومی یکی از پیچیده ترین مفاهیم در علم است، اما اصول اولیه آن ساده است. و اگر آن را درک کنید، درهم تنیدگی راه را برای درک بهتر مفاهیمی مانند جهان های بسیار در نظریه کوانتومی باز می کند.

هاله ای از راز و راز دلربا، مفهوم درهم تنیدگی کوانتومی و همچنین ادعای (به نوعی) مرتبط نظریه کوانتومی مبنی بر اینکه باید «جهان های زیادی» وجود داشته باشد را احاطه کرده است. و با این حال، در هسته آنها، اینها ایده های علمی با معنای دنیوی و کاربردهای خاص هستند. من می خواهم مفاهیم درهم تنیدگی و بسیاری از دنیاها را به همان سادگی و واضحی که خودم می شناسم توضیح دهم.

من

تصور می شود درهم تنیدگی پدیده ای منحصر به فرد در مکانیک کوانتومی است – اما اینطور نیست. در واقع، شروع با یک نسخه ساده و غیر کوانتومی (کلاسیک) از درهم تنیدگی قابل درک تر است (البته یک رویکرد غیر معمول). این به ما این امکان را می دهد تا ظرافت های مرتبط با خود درهم تنیدگی را از سایر موارد عجیب و غریب نظریه کوانتومی جدا کنیم.

درهم تنیدگی در موقعیت هایی ظاهر می شود که در آن اطلاعات جزئی در مورد وضعیت دو سیستم داریم. به عنوان مثال، دو جسم می توانند به سیستم ما تبدیل شوند - بیایید آنها را کائون بنامیم. "K" اشیاء "کلاسیک" را نشان می دهد. اما اگر واقعاً می خواهید چیزی ملموس و دلپذیر تصور کنید، تصور کنید که اینها کیک هستند.

کائون های ما دو شکل مربع یا گرد خواهند داشت و این اشکال حالت های احتمالی آنها را نشان می دهد. سپس چهار حالت مشترک ممکن دو کائون خواهد بود: (مربع، مربع)، (مربع، دایره)، (دایره، مربع)، (دایره، دایره). جدول احتمال قرار گرفتن سیستم در یکی از چهار حالت فهرست شده را نشان می دهد.

ما می گوییم که کائون ها "مستقل" هستند اگر آگاهی از وضعیت یکی از آنها اطلاعاتی در مورد وضعیت دیگری به ما ندهد. و این جدول دارای چنین خاصیتی است. اگر کائون (کیک) اول مربع باشد، هنوز شکل دومی را نمی دانیم. برعکس، شکل دومی چیزی در مورد شکل اولی به ما نمی گوید.

از سوی دیگر، می گوییم که اگر اطلاعات مربوط به یکی دانش ما را در مورد دیگری بهبود بخشد، دو کائون درهم تنیده می شوند. تبلت دوم یک درهم تنیدگی قوی را به ما نشان خواهد داد. در این صورت اگر کائون اول گرد باشد، می دانیم که دومی نیز گرد است. و اگر کائون اول مربع باشد، دومی هم همینطور خواهد بود. با دانستن شکل یکی، می‌توانیم شکل دیگری را به طور منحصر به فردی تعیین کنیم.

نسخه کوانتومی درهم تنیدگی در واقع یکسان به نظر می رسد - این عدم استقلال است. در تئوری کوانتومی، حالت ها با اشیاء ریاضی به نام توابع موج توصیف می شوند. قوانینی که توابع موج را با امکانات فیزیکی ترکیب می‌کنند، عوارض بسیار جالبی ایجاد می‌کنند، که بعداً در مورد آنها بحث خواهیم کرد، اما مفهوم اساسی دانش درهم‌تنیده که برای مورد کلاسیک نشان دادیم یکسان است.

اگرچه کیک ها را نمی توان سیستم های کوانتومی در نظر گرفت، درهم تنیدگی در سیستم های کوانتومی به طور طبیعی رخ می دهد - به عنوان مثال، پس از برخورد ذرات. در عمل، حالت های غیرمستقل (مستقل) را می توان استثناهای نادری در نظر گرفت، زیرا همبستگی بین آنها در طول تعامل سیستم ها ایجاد می شود.

به عنوان مثال، مولکول ها را در نظر بگیرید. آنها از زیر سیستم ها - به طور خاص، الکترون ها و هسته ها تشکیل شده اند. حداقل حالت انرژی یک مولکول، که معمولاً در آن قرار دارد، حالت بسیار درهم تنیده ای از الکترون ها و یک هسته است، زیرا آرایش این ذرات تشکیل دهنده به هیچ وجه مستقل نخواهد بود. وقتی هسته حرکت می کند، الکترون نیز با آن حرکت می کند.

بیایید به مثال خود برگردیم. اگر Φ■، Φ● را به‌عنوان توابع موجی بنویسیم که سیستم 1 را در حالت مربع یا گرد، و ψ■، ψ● را برای توابع موجی که سیستم 2 را در حالت مربع یا گرد آن توصیف می‌کنند، بنویسیم، در مثال کاری ما، همه حالت‌ها می‌توانند شرح داده شده است، به عنوان:

مستقل: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

گرفتار: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

نسخه مستقل را نیز می توان به صورت زیر نوشت:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

توجه داشته باشید که چگونه در مورد دوم، براکت ها به وضوح سیستم اول و دوم را به قطعات مستقل جدا می کنند.

راه های زیادی برای ایجاد حالت های درهم تنیده وجود دارد. یکی اندازه گیری سیستم ترکیبی است که اطلاعات جزئی به شما می دهد. برای مثال می توان دانست که دو سیستم توافق کرده اند که از یک شکل باشند بدون اینکه بدانند کدام شکل را انتخاب کرده اند. این مفهوم کمی بعد مهم خواهد شد.

پیامدهای مشخص‌تر درهم‌تنیدگی کوانتومی، مانند اثرات انیشتین-پودولسکی-روزن (EPR) و گرینبرگ-هورن-سیلینگر (GHZ)، از تعامل آن با یکی دیگر از ویژگی‌های نظریه کوانتومی به نام «اصل مکملیت» ناشی می‌شوند. برای بحث در مورد EPR و GHZ، اجازه دهید ابتدا شما را با این اصل آشنا کنم.

تا اینجا تصور کرده ایم که کائون ها به دو شکل (مربع و گرد) هستند. حالا تصور کنید که آنها نیز در دو رنگ - قرمز و آبی هستند. با در نظر گرفتن سیستم های کلاسیک مانند کیک، این ویژگی اضافی به این معنی است که یک کائون می تواند در یکی از چهار حالت ممکن وجود داشته باشد: مربع قرمز، دایره قرمز، مربع آبی و دایره آبی.

اما کیک‌های کوانتومی کیک‌های کوانتومی هستند... یا کوانتوم‌ها... آنها کاملاً متفاوت رفتار می‌کنند. این که یک کوانتون در برخی موقعیت ها می تواند شکل و رنگ متفاوتی داشته باشد لزوماً به این معنی نیست که همزمان هم شکل و هم رنگ دارد. در واقع، همان طور که به زودی خواهیم دید، عقل سلیمی که اینشتین از واقعیت فیزیکی خواسته بود، با واقعیت های تجربی مطابقت ندارد.

ما می‌توانیم شکل یک کوانتون را اندازه‌گیری کنیم، اما با انجام این کار، تمام اطلاعات مربوط به رنگ آن را از دست می‌دهیم. یا می توانیم یک رنگ را اندازه گیری کنیم اما اطلاعات مربوط به شکل آن را از دست بدهیم. بر اساس نظریه کوانتومی، ما نمی توانیم شکل و رنگ را همزمان اندازه گیری کنیم. دیدگاه هیچ کس از واقعیت کوانتومی کامل نیست. باید بسیاری از تصاویر متفاوت و منحصر به فرد را در نظر گرفت، که هر یک ایده ناقص خود را از آنچه در حال رخ دادن است دارند. این جوهر اصل مکمل بودن است، همانطور که نیلز بور آن را فرموله کرد.

در نتیجه، نظریه کوانتومی ما را مجبور می‌کند در نسبت دادن ویژگی‌ها به واقعیت فیزیکی مراقب باشیم. برای جلوگیری از اختلاف نظر، باید توجه داشت که:

اگر اندازه گیری نشده باشد خاصیتی وجود ندارد.
اندازه گیری یک فرآیند فعال است که سیستم مورد اندازه گیری را تغییر می دهد

II

ما اکنون دو نمونه مثالی، اما نه کلاسیک، از عجیب و غریب‌های نظریه کوانتومی را شرح می‌دهیم. هر دو در آزمایش‌های دقیق آزمایش شده‌اند (در آزمایش‌های واقعی، افراد نه شکل و رنگ کیک‌ها، بلکه تکانه زاویه‌ای الکترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند).

آلبرت اینشتین، بوریس پودولسکی و ناتان روزن (EPR) اثر شگفت انگیزی را که هنگام درهم تنیدگی دو سیستم کوانتومی رخ می دهد، توصیف کردند. اثر EPR یک شکل خاص و تجربی از درهم تنیدگی کوانتومی را با اصل مکمل ترکیب می کند.

یک جفت EPR از دو کوانتون تشکیل شده است که هر کدام را می توان از نظر شکل یا رنگ (اما نه هر دو) اندازه گیری کرد. فرض کنید تعداد زیادی از این جفت ها داریم، همه آنها یکسان هستند و ما می توانیم انتخاب کنیم که چه اندازه هایی را روی اجزای آنها انجام دهیم. اگر شکل یکی از اعضای جفت EPR را اندازه گیری کنیم، به همان اندازه به یک مربع یا یک دایره خواهیم رسید. اگر رنگ را اندازه گیری کنیم، با همان احتمال قرمز یا آبی می شویم.

اثرات جالبی که برای EPR متناقض به نظر می‌رسیدند، زمانی ایجاد می‌شوند که هر دو عضو جفت را اندازه‌گیری می‌کنیم. وقتی رنگ هر دو عضو یا شکل آنها را اندازه می گیریم، متوجه می شویم که نتایج همیشه مطابقت دارند. یعنی اگر متوجه شدیم که یکی از آنها قرمز است و سپس رنگ دومی را اندازه گیری کنیم، آن را نیز قرمز می کنیم - و غیره. از طرفی اگر شکل یکی و رنگ دیگری را اندازه بگیریم هیچ همبستگی مشاهده نمی شود. یعنی اگر اولی مربع بود، دومی با همان احتمال می تواند آبی یا قرمز باشد.

طبق نظریه کوانتومی، حتی اگر این دو سیستم با فاصله زیادی از هم جدا شوند و اندازه‌گیری‌ها تقریباً به طور همزمان انجام شوند، چنین نتایجی به دست خواهیم آورد. به نظر می رسد انتخاب نوع اندازه گیری در یک مکان بر وضعیت سیستم در جای دیگر تأثیر می گذارد. به نظر می رسد که این "اقدام ترسناک در فاصله"، همانطور که انیشتین آن را نامیده است، به انتقال اطلاعات - در مورد ما، اطلاعات مربوط به اندازه گیری انجام شده - با سرعتی بیشتر از سرعت نور نیاز دارد.

اما آیا این است؟ تا ندانم چه نتیجه ای گرفتی، نمی دانم چه انتظاری داشته باشم. من اطلاعات مفیدی را زمانی به دست می‌آورم که نتیجه شما را می‌گیرم، نه زمانی که اندازه‌گیری می‌کنید. و هر پیامی که حاوی نتیجه ای باشد که دریافت کرده اید باید به روشی فیزیکی، کندتر از سرعت نور مخابره شود.

با مطالعه بیشتر، پارادوکس حتی بیشتر از بین می رود. بیایید وضعیت سیستم دوم را در نظر بگیریم، اگر اندازه گیری اولی یک رنگ قرمز به دست آورد. اگر تصمیم بگیریم رنگ کوانتون دوم را اندازه گیری کنیم، قرمز می شویم. اما بر اساس اصل مکمل بودن، اگر تصمیم بگیریم شکل آن را زمانی که در حالت "قرمز" است اندازه گیری کنیم، شانس مساوی برای گرفتن مربع یا دایره خواهیم داشت. بنابراین، نتیجه EPR به طور منطقی از پیش تعیین شده است. این فقط بازگویی اصل مکملیت است.

هیچ تناقضی در این واقعیت وجود ندارد که رویدادهای دور با هم مرتبط هستند. از این گذشته، اگر یکی از دو دستکش را از یک جفت در جعبه ها قرار دهیم و به نقاط مختلف کره زمین بفرستیم، جای تعجب نیست که با نگاه کردن به یک جعبه، بتوانم تشخیص دهم که دستکش دیگر برای کدام دست است. به همین ترتیب، در همه موارد، همبستگی جفت‌های EPR باید در زمانی که نزدیک هستند روی آنها ثابت شود تا بتوانند جداسازی بعدی را به گونه‌ای که گویی حافظه دارند، تحمل کنند. عجیب بودن پارادوکس EPR در امکان خود همبستگی نیست، بلکه در امکان حفظ آن در قالب اضافات است.

III

دانیل گرینبرگر، مایکل هورن و آنتون زایلینگر نمونه عالی دیگری از درهم تنیدگی کوانتومی را کشف کردند. این شامل سه کوانتون ما است که در یک حالت درهم تنیده آماده شده (وضعیت GHZ) قرار دارند. ما هر یک از آنها را بین آزمایش کنندگان مختلف از راه دور توزیع می کنیم. هر کدام به طور مستقل و تصادفی رنگ یا شکل را اندازه گیری می کنند و نتیجه را ثبت می کنند. آزمایش بارها تکرار می شود، اما همیشه با سه کوانتون در حالت GHZ.

هر آزمایشگر فردی نتایج تصادفی دریافت می کند. با اندازه گیری شکل کوانتون، مربع یا دایره ای با احتمال مساوی بدست می آید. با اندازه گیری رنگ کوانتون، با احتمال مساوی قرمز یا آبی می شود. در حالی که همه چیز عادی است.

اما زمانی که آزمایش‌کنندگان گرد هم می‌آیند و نتایج را با هم مقایسه می‌کنند، آنالیز نتیجه شگفت‌آوری را نشان می‌دهد. فرض کنید شکل مربع و رنگ قرمز را "خوب" و دایره ها و رنگ آبی را "شر" می نامیم. آزمایش‌کنندگان دریافتند که اگر دو نفر از آنها تصمیم بگیرند شکل را اندازه‌گیری کنند و نفر سوم رنگ را انتخاب کند، آنگاه اندازه‌گیری 0 یا 2 "شر" است (یعنی گرد یا آبی). اما اگر هر سه تصمیم به اندازه گیری رنگ داشته باشند، 1 یا 3 اندازه گیری بد هستند. مکانیک کوانتومی این را پیش‌بینی می‌کند و این دقیقاً همان چیزی است که اتفاق می‌افتد.

سوال: مقدار شر زوج است یا فرد؟ هر دو احتمال در ابعاد مختلف تحقق می یابد. ما باید این موضوع را کنار بگذاریم. بدون توجه به نحوه اندازه گیری آن، صحبت در مورد میزان شر در یک سیستم بی معنی است. و این منجر به تناقض می شود.

اثر GHZ، همانطور که سیدنی کولمن فیزیکدان آن را توصیف می کند، "سیلی به چهره مکانیک کوانتومی" است. این انتظار عادی و آموخته شده را که سیستم های فیزیکی دارای ویژگی های از پیش تعیین شده مستقل از اندازه گیری آنها هستند، می شکند. اگر چنین بود، تعادل خیر و شر به انتخاب انواع اندازه گیری بستگی نداشت. هنگامی که وجود اثر GHZ را پذیرفتید، آن را فراموش نخواهید کرد و افق دید شما گسترده خواهد شد.

IV

در حال حاضر، ما در مورد این صحبت می کنیم که چگونه درهم تنیدگی مانع از اختصاص حالت های مستقل منحصر به فرد به کوانتون های متعدد می شود. همین استدلال در مورد تغییرات یک کوانتون که در طول زمان رخ می دهد نیز صدق می کند.

ما در مورد "داستان های درهم تنیده" صحبت می کنیم که در هر لحظه نمی توان وضعیت خاصی را به سیستم اختصاص داد. همانطور که احتمال درهم تنیدگی سنتی را رد می‌کنیم، می‌توانیم با اندازه‌گیری‌هایی که اطلاعات جزئی درباره رویدادهای گذشته را جمع‌آوری می‌کند، تاریخ‌های درهم تنیده ایجاد کنیم. در ساده‌ترین داستان‌های درهم تنیده، ما یک کوانتون داریم که در دو مقطع زمانی مختلف آن را مطالعه می‌کنیم. ما می توانیم موقعیتی را تصور کنیم که در آن تعیین کنیم که شکل کوانتون ما در هر دو بار مربع یا گرد بوده است، اما هر دو موقعیت ممکن باقی می مانند. این یک قیاس کوانتومی زمانی با ساده‌ترین گونه‌های درهم تنیدگی است که قبلاً توضیح داده شد.

با استفاده از یک پروتکل پیچیده‌تر، می‌توانیم کمی به این سیستم اضافه کنیم و موقعیت‌هایی را توصیف کنیم که باعث خاصیت «جهان‌های متعدد» نظریه کوانتومی می‌شوند. کوانتون ما را می توان در حالت قرمز آماده کرد و سپس اندازه گیری کرد و به رنگ آبی بدست آورد. و مانند مثال‌های قبلی، نمی‌توانیم به طور دائم خاصیت رنگ را در فاصله بین دو بعد به کوانتون نسبت دهیم. شکل مشخصی ندارد. چنین داستان‌هایی به شیوه‌ای محدود اما کاملاً کنترل‌شده و دقیق، شهودی را که در تصویر بسیاری از دنیاها در مکانیک کوانتومی وجود دارد، درک می‌کنند. یک حالت خاص می تواند به دو مسیر تاریخی متناقض تقسیم شود که سپس دوباره به هم متصل می شوند.

اروین شرودینگر، بنیانگذار نظریه کوانتومی، که در مورد درستی آن تردید داشت، تأکید کرد که تکامل سیستم های کوانتومی به طور طبیعی به حالت هایی منجر می شود که اندازه گیری آن ها می تواند نتایج بسیار متفاوتی به دست دهد. همانطور که می دانید آزمایش فکری او با "گربه شرودینگر" فرض می کند که عدم قطعیت کوانتومی به سطحی از تأثیر بر مرگ و میر گربه ها رسیده است. قبل از اندازه گیری، تعیین خاصیت زندگی (یا مرگ) به گربه غیرممکن است. هر دو، یا هیچکدام، با هم در جهان ماورایی از امکان وجود دارند.

زبان روزمره برای توضیح مکمل کوانتومی مناسب نیست، تا حدی به این دلیل که تجربه روزمره شامل آن نمی شود. گربه‌های عملی با مولکول‌های هوای اطراف، و سایر اجسام، به روش‌های کاملاً متفاوت، بسته به زنده یا مرده بودن، تعامل دارند، بنابراین در عمل اندازه‌گیری خودکار است و گربه به زندگی (یا زندگی نکردن) ادامه می‌دهد. اما داستان ها کوانتون ها را که بچه گربه های شرودینگر هستند، با پیچیدگی توصیف می کنند. توصیف کامل آنها مستلزم این است که دو مسیر دارایی متقابل منحصر به فرد را در نظر بگیریم.

تحقق تجربی کنترل‌شده تاریخ‌های درهم‌تنیده چیز ظریفی است، زیرا مستلزم جمع‌آوری اطلاعات جزئی درباره کوانتون‌ها است. اندازه‌گیری‌های کوانتومی مرسوم معمولاً به‌جای دریافت اطلاعات جزئی چندین بار، همه اطلاعات را یک‌بار جمع‌آوری می‌کنند - برای مثال، شکل دقیق یا رنگ دقیق را تعیین می‌کنند. اما می توان آن را انجام داد، البته با مشکلات فنی شدید. به این ترتیب می‌توان معنای ریاضی و تجربی خاصی را برای گسترش مفهوم «جهان‌های بسیار» در نظریه کوانتوم قائل شد و واقعیت آن را نشان داد.

سلام خوانندگان عزیز! به وبلاگ خوش آمدید!

درهم تنیدگی کوانتومی در کلمات ساده چیست؟ تله پورت - آیا امکان پذیر است؟ آیا امکان دوربری به صورت تجربی ثابت شده است؟ کابوس انیشتین چیست؟ در این مقاله پاسخ این سوالات را خواهید گرفت.

معرفی

ما اغلب در فیلم ها و کتاب های علمی تخیلی شاهد تله پورت هستیم. آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا آنچه نویسندگان به ذهنشان خطور می کند در نهایت به واقعیت ما تبدیل می شود؟ چگونه می توانند آینده را پیش بینی کنند؟ به نظر من تصادفی نیست اغلب نویسندگان داستان های علمی تخیلی دانش گسترده ای از فیزیک و سایر علوم دارند که در ترکیب با شهود و تخیل خارق العاده آنها به آنها کمک می کند تا تحلیلی گذشته نگر از گذشته بسازند و رویدادهای آینده را شبیه سازی کنند.

از مقاله یاد خواهید گرفت:

• درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟
• اختلاف انیشتین با بور. حق با کیست؟
• آیا تله پورت به صورت تجربی تایید شده است؟

مفهوم "درهمتنیدگی کوانتومی"از یک فرض نظری که از معادلات مکانیک کوانتومی ناشی می شود، پدید آمد. این به این معنی است: اگر 2 ذره کوانتومی (آنها می توانند الکترون، فوتون باشند) به هم وابسته باشند (درهم)، آنگاه ارتباط حفظ می شود، حتی اگر در قسمت های مختلف کیهان از هم جدا شوند.

کشف درهم تنیدگی کوانتومی تا حدودی امکان تئوریک انتقال از راه دور را توضیح می دهد.

به طور خلاصه، پس بازگشتذره کوانتومی (الکترون، فوتون) تکانه زاویه ای خود نامیده می شود. اسپین را می توان به عنوان یک بردار و خود ذره کوانتومی را می توان به عنوان یک آهنربای میکروسکوپی نشان داد.

درک این نکته مهم است که وقتی هیچ کس یک کوانتوم را مشاهده نمی کند، مثلاً یک الکترون، آنگاه تمام مقادیر اسپین را به طور همزمان دارد. این مفهوم بنیادی مکانیک کوانتومی «ابرجایگاه» نامیده می شود.

تصور کنید که الکترون شما همزمان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد. یعنی همزمان در هر دو حالت اسپین (بردار چرخش/بردار اسپین پایین) قرار دارد. نمایندگی؟ خوب. اما به محض اینکه یک ناظر ظاهر می شود و وضعیت خود را اندازه می گیرد، خود الکترون تعیین می کند که کدام بردار اسپینی را باید بگیرد - بالا یا پایین.

آیا می خواهید یاد بگیرید که چگونه اسپین یک الکترون را اندازه گیری کنید؟در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد: الکترون ها با اسپین در جهت میدان، و با اسپین در جهت میدان، در جهات مختلف منحرف می شوند. اسپین فوتون ها با هدایت آنها به یک فیلتر پلاریزه اندازه گیری می شود. اگر اسپین (یا پلاریزاسیون) فوتون "-1" باشد، از فیلتر عبور نمی کند و اگر "1+" باشد، عبور می کند.

خلاصه.به محض اینکه وضعیت یک الکترون را اندازه گرفتید و تشخیص دادید که اسپین آن "1+" است، الکترون که با آن مقید شده یا "درهم" شده است، مقدار اسپین "-1" را می گیرد. و فورا، حتی اگر در مریخ باشد. اگرچه قبل از اندازه گیری وضعیت الکترون دوم، هر دو مقدار اسپین را به طور همزمان داشت ("+1" و "-1").

این پارادوکس، که از نظر ریاضی ثابت شد، انیشتین را خشنود نکرد. زیرا با کشف او که هیچ سرعتی بزرگتر از سرعت نور نیست، در تضاد بود. اما مفهوم ذرات درهم تنیده ثابت کرد: اگر یکی از ذرات درهم تنیده روی زمین باشد و ذره دوم در مریخ باشد، اولین ذره در زمان اندازه گیری حالت خود فورا (سریعتر از سرعت نور) اطلاعات را به ذره دوم منتقل می کند. ذره، ارزش چرخش او برای پذیرش چیست. یعنی برعکس.

اختلاف انیشتین با بور. حق با کیست؟

اینشتین «درهم تنیدگی کوانتومی» را SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (آلمانی) یا اقدامی ترسناک، شبح‌آلود، ماوراء طبیعی در فاصله دور.

انیشتین با تفسیر بور از درهم تنیدگی کوانتومی ذرات مخالف بود. زیرا آن را با نظریه او که اطلاعات نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند، تناقض داشت.او در سال 1935 مقاله ای را در توصیف یک آزمایش فکری منتشر کرد. این آزمایش «پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن» نام داشت.

انیشتین موافق بود که ذرات محدود می توانند وجود داشته باشند، اما توضیح دیگری برای انتقال آنی اطلاعات بین آنها ارائه کرد. او گفت: "ذرات درهم تنیده" بیشتر شبیه یک جفت دستکش است.تصور کنید که یک جفت دستکش دارید. چپ را در یک چمدان می گذارید و سمت راست را در چمدان دوم. شما اولین چمدان را برای یک دوست و دومین چمدان را به ماه فرستادید. وقتی دوستی چمدان را دریافت می‌کند، می‌داند که چمدان شامل یک دستکش چپ یا راست است. وقتی چمدان را باز می کند و می بیند که یک دستکش چپ در آن وجود دارد، فوراً متوجه می شود که دستکش سمت راست روی ماه است. و این بدان معنا نیست که دوستی روی این واقعیت تأثیر گذاشته است که دستکش چپ در چمدان بوده است و به این معنی نیست که دستکش چپ فوراً اطلاعات را به سمت راست منتقل می کند. فقط به این معنی است که خواص دستکش ها از همان لحظه جدا شدن آنها یکسان بوده است. آن ها ذرات کوانتومی درهم تنیده در ابتدا حاوی اطلاعاتی در مورد حالات خود هستند.

پس حق با بور چه کسی بود، که معتقد بود ذرات محدود اطلاعات را فوراً به یکدیگر منتقل می‌کنند، حتی اگر در فواصل زیاد فاصله داشته باشند؟ یا اینشتین که معتقد بود هیچ ارتباط ماوراء طبیعی وجود ندارد و همه چیز خیلی قبل از لحظه اندازه گیری از پیش تعیین شده است.

این اختلاف 30 سال به حوزه فلسفه کشیده شد. آیا اختلاف از آن زمان به بعد حل شده است؟

قضیه بل. اختلاف حل شد؟

جان کلاسر، زمانی که هنوز دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه کلمبیا بود، در سال 1967 اثر فراموش شده فیزیکدان ایرلندی جان بل را یافت. این یک احساس بود: معلوم است بل بن بست بین بور و انیشتین را شکست. او پیشنهاد داد که هر دو فرضیه را به صورت تجربی آزمایش کنند. برای انجام این کار، او ساخت ماشینی را پیشنهاد کرد که بتواند جفت های زیادی از ذرات درهم تنیده را ایجاد و مقایسه کند. جان کلازر شروع به توسعه چنین ماشینی کرد. ماشین او می توانست هزاران جفت ذره درهم تنیده ایجاد کند و آنها را بر اساس پارامترهای مختلف مقایسه کند. نتایج تجربی ثابت کرد که بور حق دارد.

و به زودی فیزیکدان فرانسوی آلن آسپ آزمایشاتی را انجام داد که یکی از آنها به اصل اختلاف بین اینشتین و بور مربوط می شد. در این آزمایش، اندازه‌گیری یک ذره می‌تواند مستقیماً بر دیگری تأثیر بگذارد، تنها در صورتی که سیگنال از 1 به 2 با سرعتی بیش از سرعت نور عبور کند. اما خود اینشتین ثابت کرد که این غیرممکن است. تنها یک توضیح باقی مانده بود - یک ارتباط غیرقابل توضیح و ماوراء طبیعی بین ذرات.

نتایج آزمایش ها ثابت کرد که فرض نظری مکانیک کوانتومی درست است.درهم تنیدگی کوانتومی یک واقعیت است ( درهم تنیدگی کوانتومی ویکی پدیا). ذرات کوانتومی را می توان با وجود فواصل زیاد محدود کرد.اندازه گیری حالت یک ذره بر وضعیت ذره دوم که دور از آن قرار دارد تأثیر می گذارد، گویی فاصله بین آنها وجود ندارد. ارتباط فراطبیعی از راه دور در واقعیت اتفاق می افتد.

این سوال باقی می ماند که آیا انتقال از راه دور امکان پذیر است؟

آیا تله پورت به صورت تجربی تایید شده است؟

در سال 2011، دانشمندان ژاپنی برای اولین بار در جهان فوتون ها را تله پورت کردند! فوراً یک پرتو نور از نقطه A به نقطه B منتقل شد.

اگر می خواهید همه آنچه در مورد درهم تنیدگی کوانتومی می خوانید در 5 دقیقه مرتب شود، این ویدیو را تماشا کنید، یک ویدیوی فوق العاده.

به زودی میبینمت!

برای همه شما پروژه های جالب و الهام بخش آرزو می کنم!

P.S. اگر مقاله برای شما مفید و قابل درک بود، فراموش نکنید که آن را به اشتراک بگذارید.

P.S. نظرات، سوالات خود را در نظرات بنویسید. به چه سوالات دیگری در مورد فیزیک کوانتومی علاقه دارید؟

P.S. اشتراک در وبلاگ - فرم اشتراک در زیر مقاله.

درهم تنیدگی کوانتومی یا همان طور که آلبرت انیشتین آن را "عمل شبح وار در فاصله" می نامد، یک پدیده مکانیکی کوانتومی است که در آن حالت های کوانتومی دو یا چند جسم به یکدیگر وابسته می شوند. این وابستگی حفظ می شود حتی اگر اجسام برای چندین کیلومتر از یکدیگر جدا شوند. به عنوان مثال، می توانید یک جفت فوتون را در هم ببندید، یکی از آنها را به کهکشانی دیگر ببرید، و سپس اسپین فوتون دوم را اندازه گیری کنید - و برعکس اسپین فوتون اول خواهد بود و بالعکس. آنها در تلاش هستند تا درهم تنیدگی کوانتومی را برای انتقال داده های آنی در فواصل عظیم یا حتی برای انتقال از راه دور تطبیق دهند.

فیزیکدانان دانشگاه اسکاتلند گلاسکو آزمایشی را گزارش کردند که در آن دانشمندان توانستند اولین عکس از ذرات را بگیرند. پدیده هایی با معیارهای فیزیک به قدری عجیب هستند که حتی دانشمند بزرگ قرن بیستم آن را "عمل شبح وار از راه دور" نامید. دستاورد دانشمندان اسکاتلندی برای توسعه فناوری های جدید بسیار مهم است. چرا؟ بیایید آن را بفهمیم.

ما بارها در مورد این واقعیت نوشته ایم که دستگاه های ارتباطی کوانتومی هر از چند گاهی در نقاط مختلف جهان آزمایش می شوند. به نظر می رسد که همه اینها به زودی فراتر از آزمایش ها نخواهد رفت، اما اکنون، همانطور که خبرگزاری شین هوا گزارش می دهد، چین ایجاد اولین شبکه ارتباطی کوانتومی فوق امن تجاری این کشور را تکمیل کرده است. راه اندازی در آینده نزدیک برنامه ریزی شده است.

بسیاری از مقالات مشهور منتشر شده اند که در مورد درهم تنیدگی کوانتومی صحبت می کنند. آزمایش‌های درهم تنیدگی کوانتومی بسیار دیدنی هستند، اما جوایزی به آنها تعلق نگرفته است. چرا چنین آزمایشات جالبی برای افراد عادی برای دانشمندان جالب نیست؟ مقالات محبوب در مورد خواص شگفت انگیز جفت ذرات در هم تنیده صحبت می کنند - تاثیر بر یکی منجر به تغییر فوری در حالت دوم می شود. و چه چیزی در پس اصطلاح "تلپورت کوانتومی" پنهان شده است، که قبلاً گفته شده است که با سرعت فوق العاده رخ می دهد. بیایید به همه اینها از نقطه نظر مکانیک کوانتومی معمولی نگاه کنیم.

آنچه از مکانیک کوانتومی بیرون می آید

ذرات کوانتومی طبق کتاب کلاسیک لاندو و لیفشیتز می توانند در دو نوع حالت باشند - خالص و مخلوط. اگر ذره ای با ذرات کوانتومی دیگر برهمکنش نداشته باشد، با تابع موجی توصیف می شود که فقط به مختصات یا لحظه لحظه آن بستگی دارد - چنین حالتی خالص نامیده می شود. در این حالت تابع موج از معادله شرودینگر تبعیت می کند. یک نوع دیگر امکان پذیر است - ذره با ذرات کوانتومی دیگر تعامل دارد. در این مورد، تابع موج از قبل به کل سیستم ذرات در حال تعامل اشاره دارد و به تمام متغیرهای دینامیکی آنها بستگی دارد. اگر ما فقط به یک ذره علاقه مند باشیم، وضعیت آن، همانطور که لاندو 90 سال پیش نشان داد، می تواند توسط یک ماتریس یا عملگر چگالی توصیف شود. ماتریس چگالی از معادله ای مشابه معادله شرودینگر تبعیت می کند

ماتریس چگالی کجاست، اچاپراتور همیلتون است و براکت ها نشان دهنده کموتاتور است.

لاندو او را بیرون آورد. هر کمیت فیزیکی مربوط به یک ذره معین را می توان بر حسب ماتریس چگالی بیان کرد. به این حالت مختلط می گویند. اگر سیستمی از ذرات متقابل داشته باشیم، هر یک از ذرات در حالت مخلوط هستند. اگر ذرات در فواصل طولانی پراکنده شده باشند و برهمکنش ناپدید شده باشد، حالت آنها همچنان مخلوط باقی می ماند. اگر هر یک از چندین ذره در حالت خالص باشند، تابع موج چنین سیستمی حاصل ضرب توابع موج هر یک از ذرات است (اگر ذرات متفاوت باشند. برای ذرات یکسان، بوزون یا فرمیون، لازم است یک ترکیب متقارن یا ضد متقارن ایجاد کنید، ببینید، اما در ادامه بیشتر در مورد آن توضیح دهید. هویت ذرات، فرمیون ها و بوزون ها قبلاً یک نظریه کوانتومی نسبیتی است.

حالت درهم تنیده یک جفت ذره حالتی است که در آن یک همبستگی ثابت بین مقادیر فیزیکی مربوط به ذرات مختلف وجود دارد. یک مثال ساده و متداول این است که مقداری از مقدار فیزیکی کل ذخیره می شود، به عنوان مثال، کل اسپین یا تکانه زاویه ای یک جفت. یک جفت ذره در این حالت در حالت خالص هستند اما هر یک از ذرات در حالت مخلوط هستند. ممکن است به نظر برسد که تغییر در وضعیت یک ذره بلافاصله بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می گذارد. حتی اگر بسیار پراکنده شده باشند و با هم تعامل نداشته باشند، این همان چیزی است که در مقالات مشهور بیان شده است. این پدیده قبلاً تله پورت کوانتومی نامیده شده است، حتی برخی از روزنامه نگاران بی سواد ادعا می کنند که این تغییر فورا اتفاق می افتد، یعنی سریعتر از سرعت نور منتشر می شود.

این را از دیدگاه مکانیک کوانتومی در نظر بگیرید، اولاً، هر عمل یا اندازه‌گیری که اسپین یا تکانه زاویه‌ای تنها یک ذره را تغییر دهد، بلافاصله قانون بقای مشخصه کل را نقض می‌کند. اپراتور مربوطه نمی تواند با کل اسپین یا تکانه زاویه ای کل رفت و آمد کند. بنابراین، درهم تنیدگی اولیه حالت یک جفت ذره نقض می شود. چرخش یا ممان ذره دوم دیگر نمی تواند به طور منحصر به فرد با ذره اول مرتبط باشد. شما می توانید این مشکل را از طرف دیگر در نظر بگیرید. پس از ناپدید شدن برهمکنش بین ذرات، تکامل ماتریس چگالی هر یک از ذرات با معادله خود توصیف می‌شود که شامل متغیرهای دینامیکی ذره دیگر نمی‌شود. بنابراین، ضربه به یک ذره، ماتریس چگالی ذره دیگر را تغییر نخواهد داد.

حتی قضیه ابرهارد نیز وجود دارد که بیان می کند که تأثیر متقابل دو ذره با اندازه گیری ها قابل تشخیص نیست. اجازه دهید یک سیستم کوانتومی وجود داشته باشد که با ماتریس چگالی توصیف می شود. و اجازه دهید این سیستم از دو زیرسیستم A و B تشکیل شده باشد. قضیه ابرهارد بیان می کند که هیچ اندازه گیری قابل مشاهده های مرتبط با زیرسیستم A بر نتیجه اندازه گیری هر مشاهده پذیری که فقط با زیر سیستم B مرتبط است تأثیر نمی گذارد. با این حال، اثبات قضیه از موج استفاده می کند. فرضیه کاهش: تابعی که نه از نظر تئوری و نه تجربی اثبات نشده است. اما همه این ملاحظات در چارچوب مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی انجام می شود و به ذرات متفاوت و نه یکسان اشاره می کند.

این استدلال ها در نظریه نسبیتی در مورد یک جفت ذره یکسان کارایی ندارند. اجازه دهید یک بار دیگر به شما یادآوری کنم که هویت یا عدم تشخیص ذرات از مکانیک کوانتومی نسبیتی ناشی می شود، جایی که تعداد ذرات حفظ نشده است. با این حال، برای ذرات کند، ما می‌توانیم از دستگاه ساده‌تر مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی استفاده کنیم، صرفاً با در نظر گرفتن غیرقابل تشخیص بودن ذرات. سپس تابع موج جفت باید متقارن (برای بوزون ها) یا ضد متقارن (برای فرمیون ها) نسبت به جایگشت ذره باشد. چنین الزامی در نظریه نسبیتی، صرف نظر از سرعت ذرات، مطرح می شود. این نیاز است که منجر به همبستگی دوربرد یک جفت ذره یکسان می شود. در اصل، یک پروتون با یک الکترون نیز می تواند در حالت درهم تنیده باشد. با این حال، اگر آنها با چندین ده آنگستروم از هم جدا شوند، برهمکنش با میدان های الکترومغناطیسی و سایر ذرات این حالت را از بین می برد. همانطور که آزمایش‌ها نشان می‌دهند، برهمکنش مبادله (که این پدیده نامیده می‌شود) در فواصل ماکروسکوپی عمل می‌کند. یک جفت ذره، حتی با متر پراکنده شده اند، غیرقابل تشخیص باقی می مانند. اگر اندازه‌گیری می‌کنید، دقیقاً نمی‌دانید که کمیت مورد اندازه‌گیری به کدام ذره اشاره دارد. شما همزمان چند ذره را اندازه می گیرید. بنابراین، تمام آزمایش های دیدنی با ذرات یکسان - الکترون ها و فوتون ها - انجام شد. به بیان دقیق، این حالت کاملاً درهم تنیده ای نیست که در چارچوب مکانیک کوانتومی غیرنسبیتی در نظر گرفته می شود، بلکه چیزی مشابه است.

ساده ترین مورد را در نظر بگیرید - یک جفت ذره غیر متقابل یکسان. اگر سرعت ها کوچک باشند، می توانیم از مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی استفاده کنیم، با در نظر گرفتن تقارن تابع موج نسبت به جایگشت ذرات. اجازه دهید تابع موج ذره اول، ذره دوم -، که در آن و متغیرهای دینامیکی ذرات اول و دوم هستند، در ساده ترین حالت، فقط مختصات هستند. سپس تابع موج جفت

علامت + و – به بوزون ها و فرمیون ها اشاره دارد. بیایید فرض کنیم که ذرات از هم دور هستند. سپس آنها به ترتیب در مناطق دور افتاده 1 و 2 محلی می شوند، یعنی خارج از این مناطق کوچک هستند. بیایید سعی کنیم مقدار میانگین برخی از متغیرهای ذره اول را محاسبه کنیم، برای مثال مختصات. برای سادگی، می توانیم تصور کنیم که فقط مختصات وارد توابع موج می شوند. معلوم شد که مقدار متوسط ​​مختصات ذره 1 بین مناطق 1 و 2 قرار دارد و با میانگین مقدار ذره 2 مطابقت دارد. . به طور کلی، تمام مقادیر میانگین برای ذرات 1 و 2 یکسان خواهد بود. این بدان معناست که با حرکت دادن ناحیه محلی سازی ذره 1 (مثلاً ذره در داخل یک نقص در شبکه کریستالی قرار می گیرد و کل کریستال را جابجا می کنیم) روی ذره 2 عمل می کنیم، اگرچه ذرات برهم کنش ندارند. به معنای معمول - به عنوان مثال از طریق یک میدان الکترومغناطیسی. این یک مثال ساده از درهم تنیدگی نسبیتی است.

به دلیل این همبستگی ها، هیچ انتقال آنی اطلاعات بین دو ذره رخ نمی دهد. دستگاه تئوری کوانتومی نسبیتی در ابتدا به گونه ای ساخته شد که رویدادهای واقع در فضا-زمان در طرفین مخالف مخروط نور نمی توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. به زبان ساده، هیچ سیگنال، هیچ ضربه یا اختلالی نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند. هر دو ذره در واقع حالت یک میدان هستند، مثلاً الکترون-پوزیترون. با عمل بر روی میدان در یک نقطه (ذره 1) آشفتگی ایجاد می کنیم که مانند امواج روی آب منتشر می شود. در مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی، سرعت نور بی نهایت زیاد در نظر گرفته می شود که باعث ایجاد توهم تغییر آنی می شود.

به دلیل ایده های کلاسیک در مورد ذرات، وضعیتی که ذرات جدا شده توسط فواصل زیاد به صورت جفت بسته می مانند، متناقض به نظر می رسد. باید به خاطر داشته باشیم که در واقعیت ذرات وجود ندارند، بلکه میدان‌هایی وجود دارند. آنچه ما به عنوان ذرات در نظر می گیریم به سادگی حالت های این میدان ها هستند. ایده کلاسیک ذرات در عالم کوچک کاملاً نامناسب است. بلافاصله سؤالاتی در مورد اندازه، شکل، مواد و ساختار ذرات بنیادی وجود دارد. در واقع، موقعیت هایی که برای تفکر کلاسیک متناقض هستند نیز با یک ذره به وجود می آیند. به عنوان مثال، در آزمایش استرن-گرلاخ، یک اتم هیدروژن در یک میدان مغناطیسی ناهمگن عمود بر سرعت پرواز می کند. اسپین هسته را می توان به دلیل کوچک بودن مگنتون هسته ای نادیده گرفت، اجازه دهید اسپین الکترون در ابتدا در امتداد سرعت هدایت شود.

محاسبه تکامل تابع موج یک اتم دشوار نیست. بسته موج موضعی اولیه به دو بسته یکسان تقسیم می شود که به طور متقارن در زاویه ای نسبت به جهت اصلی پرواز می کنند. یعنی یک اتم، یک ذره سنگین، که معمولا به عنوان کلاسیک با یک مسیر کلاسیک در نظر گرفته می شود، به دو بسته موجی تقسیم شده است که می توانند در فواصل کاملاً ماکروسکوپی پراکنده شوند. در همان زمان، توجه می‌کنم که از محاسبه بر می‌آید که حتی آزمایش ایده‌آل استرن-گرلاخ قادر به اندازه‌گیری اسپین ذره نیست.

اگر آشکارساز به یک اتم هیدروژن، به عنوان مثال، از نظر شیمیایی متصل شود، "نیمه ها" - دو بسته موج پراکنده، در یک جمع می شوند. اینکه چگونه چنین محلی سازی یک ذره لکه دار رخ می دهد یک نظریه جداگانه است که من آن را درک نمی کنم. علاقه مندان می توانند ادبیات گسترده ای در این زمینه پیدا کنند.

نتیجه

این سوال مطرح می شود - معنی آزمایش های متعدد برای نشان دادن همبستگی بین ذرات در فواصل زیاد چیست؟ علاوه بر تایید مکانیک کوانتومی، که هیچ فیزیکدان معمولی برای مدت طولانی در آن شک نکرده است، این یک نمایش دیدنی است که عموم مردم و مقامات آماتوری را که بودجه برای علم اختصاص می دهند تحت تاثیر قرار می دهد (به عنوان مثال، توسعه خطوط ارتباطی کوانتومی توسط Gazprombank حمایت می شود). . برای فیزیک، این تظاهرات پرهزینه کاری از پیش نمی برد، هرچند که توسعه تکنیک های تجربی را ممکن می سازد.

ادبیات
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. مکانیک کوانتومی (نظریه غیرنسبیتی). - ویرایش سوم، اصلاح و بزرگ شده. - م.: ناوکا، 1974. - 752 ص. - («فیزیک نظری» جلد سوم).
2. ابرهارد، پی اچ، «قضیه بل و مفاهیم مختلف غیرمحلی»، Nuovo Cimento 46B، 392-419 (1978)