Enchevêtrement de particules. Qu’est-ce que l’intrication quantique ? L'essence en mots simples. La téléportation est-elle possible ? Théorie de l'intrication quantique

• Traduction

Intrication quantique est l’un des concepts scientifiques les plus complexes, mais ses principes de base sont simples. Et si elle est comprise, l’intrication ouvre la voie à une meilleure compréhension de concepts tels que la pluralité des mondes dans théorie des quanta.

Une aura enchanteresse de mystère entoure le concept d’intrication quantique, ainsi que (d’une manière ou d’une autre) l’exigence connexe de la théorie quantique selon laquelle il doit y avoir « plusieurs mondes ». Et pourtant, il s’agit essentiellement d’idées scientifiques ayant un sens terre-à-terre et des applications spécifiques. J'aimerais expliquer les concepts d'intrication et de nombreux mondes aussi simplement et clairement que je les connais.

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L'enchevêtrement est considéré comme un phénomène propre à mécanique quantique– mais ce n’est pas vrai. En fait, il peut être plus compréhensible pour commencer (bien qu’il s’agisse d’une approche inhabituelle) de considérer une version simple et non quantique (classique) de l’intrication. Cela nous permettra de séparer les subtilités associées à l’intrication elle-même des autres bizarreries de la théorie quantique.

L'intrication se produit dans des situations dans lesquelles nous disposons d'informations partielles sur l'état de deux systèmes. Par exemple, deux objets peuvent devenir nos systèmes – appelons-les des kaons. "K" signifiera des objets "classiques". Mais si vous voulez vraiment imaginer quelque chose de concret et d’agréable, imaginez que ce soient des gâteaux.

Nos kaons auront deux formes, carrées ou rondes, et ces formes indiqueront leurs états possibles. Alors les quatre états communs possibles des deux kaons seront : (carré, carré), (carré, cercle), (cercle, carré), (cercle, cercle). Le tableau montre la probabilité que le système se trouve dans l'un des quatre états répertoriés.

On dira que les kaons sont « indépendants » si la connaissance de l’état de l’un d’eux ne nous renseigne pas sur l’état de l’autre. Et cette table a une telle propriété. Si le premier kaon (gâteau) est carré, on ne connaît toujours pas la forme du second. A l’inverse, la forme du second ne nous dit rien sur la forme du premier.

En revanche, on dira que deux kaons sont intriqués si les informations sur l'un d'eux améliorent notre connaissance de l'autre. La deuxième tablette nous montrera une forte confusion. Dans ce cas, si le premier kaon est rond, on saura que le second est également rond. Et si le premier kaon est carré, alors le second sera le même. Connaissant la forme de l’un, nous pouvons déterminer sans ambiguïté la forme de l’autre.

La version quantique de l’intrication est essentiellement la même : il s’agit d’un manque d’indépendance. En théorie quantique, les états sont décrits par des objets mathématiques appelés fonctions d’onde. Les règles qui combinent les fonctions d’onde avec les possibilités physiques donnent lieu à des complications très intéressantes dont nous parlerons plus tard, mais le concept de base de connaissances intriquées que nous avons démontré pour le cas classique reste le même.

Bien que les brownies ne puissent pas être considérés comme des systèmes quantiques, l’intrication dans les systèmes quantiques se produit naturellement, par exemple après des collisions de particules. En pratique, les États non intriqués (indépendants) peuvent être considérés comme de rares exceptions, car des corrélations apparaissent entre eux lorsque les systèmes interagissent.

Prenons par exemple les molécules. Ils sont constitués de sous-systèmes, en particulier d’électrons et de noyaux. L'état d'énergie minimum d'une molécule, dans lequel elle existe habituellement, est un état hautement intriqué d'électrons et de noyau, puisque la disposition de ces particules constitutives ne sera en aucun cas indépendante. Lorsque le noyau se déplace, l’électron se déplace avec lui.

Revenons à notre exemple. Si nous écrivons Φweight, Φgir comme fonctions d'onde décrivant le système 1 dans ses états carrés ou ronds et ψs, ψgir pour les fonctions d'onde décrivant le système 2 dans ses états carrés ou ronds, alors dans notre exemple de travail, tous les états peuvent être décrits, Comment:

Indépendant : Φ ψ + Φ ψQuantity + ΦQuantity ψ + ΦQuantity ψQuantity

Intriqué : Φ ψ + ΦQuantity ψQuantity

La version indépendante peut également s’écrire :

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Notez que dans ce dernier cas, les supports séparent clairement le premier et le deuxième système en parties indépendantes.

Il existe de nombreuses façons de créer des états intriqués. La première consiste à mesurer un système composite qui vous donne des informations partielles. On peut apprendre, par exemple, que deux systèmes ont accepté d'être de la même forme sans savoir quelle forme ils ont choisie. Cette notion deviendra importante un peu plus tard.

Les effets les plus courants de l'intrication quantique, tels que les effets Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) et Greenberg-Horn-Seilinger (GHZ), découlent de son interaction avec une autre propriété de la théorie quantique appelée principe de complémentarité. Pour discuter de l’EPR et du GHZ, permettez-moi d’abord de vous présenter ce principe.

Jusqu’à présent, nous avons imaginé que les kaons se présentaient sous deux formes (carrée et ronde). Imaginons maintenant qu’ils existent également en deux couleurs : rouge et bleu. Considérant systèmes classiques, par exemple, les gâteaux sont propriété supplémentaire signifierait que le kaon peut exister dans l'un des quatre états possibles : carré rouge, cercle rouge, carré bleu et cercle bleu.

Mais les gâteaux quantiques sont des quantons… Ou des quantons… Ils se comportent complètement différemment. Le fait qu'un quanton dans certaines situations puisse avoir formes différentes et la couleur ne signifie pas nécessairement qu’elle a à la fois forme et couleur. En fait, bon sens, qu'Einstein exigeait de la réalité physique, ne correspond pas aux faits expérimentaux, comme nous le verrons bientôt.

Nous pouvons mesurer la forme d’un quanton, mais ce faisant, nous perdrons toutes les informations sur sa couleur. Ou bien nous pouvons mesurer la couleur, mais perdre des informations sur sa forme. Selon la théorie quantique, nous ne pouvons pas mesurer simultanément la forme et la couleur. Aucune vision de la réalité quantique n’est complète ; nous devons prendre en compte de nombreuses images différentes et mutuellement exclusives, dont chacune a sa propre image incomplète de ce qui se passe. C’est l’essence du principe de complémentarité, tel que formulé par Niels Bohr.

En conséquence, la théorie quantique nous oblige à être prudents dans l’attribution de propriétés à la réalité physique. Pour éviter les contradictions, il faut admettre que :

Une propriété n’existe que si elle est mesurée.
La mesure - processus actif, en changeant le système mesuré

II

Nous allons maintenant décrire deux illustrations exemplaires, mais non classiques, des bizarreries de la théorie quantique. Les deux ont été testés dans le cadre d'expériences rigoureuses (dans expériences réelles les gens ne mesurent pas les formes et les couleurs des gâteaux, mais le moment cinétique des électrons).

Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR) ont décrit un effet surprenant qui se produit lorsque deux systèmes quantiques s'entremêlent. L’effet EPR combine une forme spéciale d’intrication quantique réalisable expérimentalement avec le principe de complémentarité.

Une paire EPR se compose de deux quantons, dont chacun peut être mesuré en forme ou en couleur (mais pas les deux à la fois). Supposons que nous ayons plusieurs de ces paires, toutes identiques, et que nous puissions choisir les mesures que nous effectuons sur leurs composants. Si nous mesurons la forme d’un membre d’une paire EPR, nous avons autant de chances d’obtenir un carré ou un cercle. Si nous mesurons la couleur, nous avons autant de chances d’obtenir du rouge que du bleu.

Des effets intéressants qui semblaient paradoxaux à l’EPR apparaissent lorsque l’on mesure les deux membres de la paire. Lorsque nous mesurons la couleur des deux membres, ou leur forme, nous constatons que les résultats sont toujours les mêmes. Autrement dit, si nous découvrons que l'un d'eux est rouge et que nous mesurons ensuite la couleur du second, nous découvrons également qu'il est rouge - et ainsi de suite. En revanche, si l’on mesure la forme de l’une et la couleur de l’autre, aucune corrélation n’est observée. Autrement dit, si le premier était un carré, alors le second pourrait être bleu ou rouge avec la même probabilité.

Selon la théorie quantique, nous obtiendrons de tels résultats même si les deux systèmes sont séparés par une distance énorme et si les mesures sont effectuées presque simultanément. Le choix du type de mesure à un endroit semble affecter l’état du système à un autre endroit. Cette « action effrayante à distance », comme l’appelait Einstein, nécessite apparemment la transmission d’informations – dans notre cas, des informations sur une mesure en cours – plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Mais est-ce le cas ? Jusqu'à ce que je sache quels résultats vous avez obtenus, je ne sais pas à quoi m'attendre. Je reçois informations utiles quand je découvre votre résultat, pas quand vous prenez la mesure. Et tout message contenant le résultat que vous avez reçu doit être transmis d'une manière ou d'une autre physiquement, plus lente que la vitesse de la lumière.

Avec une étude plus approfondie, le paradoxe s’effondre encore davantage. Considérons l'état du deuxième système si la mesure du premier donnait une couleur rouge. Si nous décidons de mesurer la couleur du deuxième quanton, nous obtenons du rouge. Mais par principe de complémentarité, si l'on décide de mesurer sa forme lorsqu'il est à l'état « rouge », on a une chance égale d'obtenir un carré ou un cercle. Le résultat de l’EPR est donc logiquement prédéterminé. Il s’agit simplement d’une réaffirmation du principe de complémentarité.

Il n’y a aucun paradoxe dans le fait que des événements lointains soient corrélés. Après tout, si nous mettons l'un des deux gants d'une paire dans des boîtes et les envoyons à différentes extrémités de la planète, il n'est pas surprenant qu'en regardant dans une boîte, je puisse déterminer à quelle main est destiné l'autre gant. De même, dans tous les cas, la corrélation des paires EPR doit être enregistrée sur celles-ci lorsqu'elles sont proches afin qu'elles puissent résister à une séparation ultérieure, comme si elles disposaient d'une mémoire. L'étrangeté du paradoxe EPR ne réside pas dans la possibilité de corrélation elle-même, mais dans la possibilité de sa préservation sous forme d'additions.

III

Daniel Greenberger, Michael Horn et Anton Zeilinger ont découvert un autre bel exemple d'intrication quantique. L'informatique comprend trois de nos quantons, qui sont dans un état intriqué spécialement préparé (état GHZ). Nous distribuons chacun d'eux à différents expérimentateurs distants. Chacun d’eux choisit, indépendamment et aléatoirement, s’il souhaite mesurer la couleur ou la forme et enregistre le résultat. L'expérience est répétée plusieurs fois, mais toujours avec trois quantons à l'état GHZ.

Chaque expérimentateur individuel obtient des résultats aléatoires. En mesurant la forme d'un quanton, il obtient avec une égale probabilité un carré ou un cercle ; lors de la mesure de la couleur d’un quanton, il est également probable qu’il soit rouge ou bleu. Jusqu'à présent, tout est ordinaire.

Mais lorsque les expérimentateurs se réunissent et comparent les résultats, l’analyse montre un résultat surprenant. Disons que nous appelons forme carree et la couleur rouge est « bonne », et les cercles et Couleur bleue- "mal". Les expérimentateurs découvrent que si deux d’entre eux décident de mesurer la forme et que le troisième décide de mesurer la couleur, alors soit 0, soit 2 des mesures sont « mauvaises » (c’est-à-dire rondes ou bleues). Mais si tous les trois décident de mesurer une couleur, alors 1 ou 3 dimensions sont mauvaises. C’est ce que prédit la mécanique quantique, et c’est exactement ce qui se produit.

Question : La quantité de mal est-elle paire ou impaire ? Les deux possibilités sont réalisées dans des dimensions différentes. Nous devons abandonner cette question. Cela n’a aucun sens de parler de l’ampleur du mal dans un système sans le relier à la manière dont il est mesuré. Et cela conduit à des contradictions.

L’effet GHZ, comme le décrit le physicien Sidney Coleman, est « une gifle de la part de la mécanique quantique ». Il brise l’attente conventionnelle et expérientielle selon laquelle les systèmes physiques ont des propriétés prédéterminées indépendantes de leur mesure. Si tel était le cas, alors l’équilibre entre le bien et le mal ne dépendrait pas du choix des types de mesures. Une fois que vous aurez accepté l’existence de l’effet GHZ, vous ne l’oublierez pas et vos horizons s’élargiront.

IV

Pour l’instant, nous discutons de la manière dont l’intrication nous empêche d’attribuer des états indépendants uniques à plusieurs quantons. Le même raisonnement s’applique aux changements d’un quanton qui se produisent au fil du temps.

On parle d’« histoires enchevêtrées », lorsqu’il est impossible pour un système de se voir attribuer un certain état à chaque instant. Tout comme dans l’intrication traditionnelle, nous excluons les possibilités, nous pouvons créer des histoires intriquées en effectuant des mesures qui collectent des informations partielles sur des événements passés. Dans les histoires intriquées les plus simples, nous avons un quanton que nous étudions à deux moments différents. Nous pouvons imaginer une situation dans laquelle nous déterminons que la forme de notre quanton était carrée les deux fois, ou ronde les deux fois, mais les deux situations restent possibles. Il s’agit d’une analogie quantique temporelle avec les versions les plus simples de l’intrication décrites précédemment.

En utilisant un protocole plus complexe, nous pouvons ajouter quelques détails supplémentaires à ce système et décrire des situations qui déclenchent la propriété des « mondes multiples » de la théorie quantique. Notre quanton peut être préparé à l’état rouge, puis mesuré et obtenu en bleu. Et comme dans les exemples précédents, on ne peut pas attribuer de façon permanente à un quantant la propriété de couleur dans l’intervalle entre deux dimensions ; il n'en a pas non plus une certaine forme. De telles histoires sont réalisées, limitées, mais totalement contrôlées et d'une manière exacte, l'intuition inhérente à l'image de la multiplicité des mondes en mécanique quantique. Un certain État peut être divisé en deux trajectoires historiques contradictoires, qui se rejoignent ensuite.

Erwin Schrödinger, le fondateur de la théorie quantique, qui était sceptique quant à son exactitude, a souligné que l'évolution des systèmes quantiques conduit naturellement à des états dont la mesure peut fournir des informations extrêmement précises. résultats différents. Son expérience de pensée avec le « chat de Schrödinger » postule incertitude quantique, porté au niveau d'influence sur la mortalité féline. Avant de mesurer, il est impossible d'attribuer la propriété de vie (ou de mort) à un chat. Les deux, ou ni l’un ni l’autre, existent ensemble dans un monde de possibilités surnaturel.

Le langage courant est mal adapté pour expliquer la complémentarité quantique, en partie parce que l’expérience quotidienne ne l’inclut pas. Les chats pratiques interagissent avec les molécules de l'air environnantes et d'autres objets de manière complètement différente, selon qu'ils sont vivants ou morts. Ainsi, dans la pratique, la mesure s'effectue automatiquement et le chat continue de vivre (ou de ne pas vivre). Mais les histoires décrivent avec confusion les quantons, qui sont les chatons de Schrödinger. Leur Description complète nécessite que nous considérions deux trajectoires de propriétés mutuellement exclusives.

La mise en œuvre expérimentale contrôlée d’histoires intriquées est une chose délicate, car elle nécessite la collecte d’informations partielles sur les quantons. Les mesures quantiques conventionnelles collectent généralement toutes les informations en une seule fois (en déterminant une forme exacte ou une couleur précise, par exemple) plutôt que d'obtenir des informations partielles plusieurs fois. Mais cela est possible, même s’il se heurte à d’extrêmes difficultés techniques. De cette manière, nous pouvons attribuer une certaine signification mathématique et expérimentale à l’extension du concept de « plusieurs mondes » dans la théorie quantique et démontrer sa réalité.

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Qu’est-ce que l’intrication quantique en termes simples ? Téléportation : est-ce possible ? La possibilité de téléportation a-t-elle été prouvée expérimentalement ? Quel est le cauchemar d'Einstein ? Dans cet article, vous obtiendrez des réponses à ces questions.

Introduction

Nous rencontrons souvent la téléportation dans les films et les livres de science-fiction. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi ce que les écrivains ont imaginé devient finalement notre réalité ? Comment parviennent-ils à prédire l’avenir ? Je pense que ce n'est pas un accident. Les écrivains de science-fiction possèdent souvent des connaissances approfondies en physique et dans d’autres sciences qui, combinées à leur intuition et à leur imagination extraordinaire, les aident à construire une analyse rétrospective du passé et à simuler des événements futurs.

De l'article, vous apprendrez :

• Qu’est-ce que l’intrication quantique ?
• La dispute d'Einstein avec Bohr. Qui a raison?
• La téléportation est-elle confirmée expérimentalement ?

Concept "l'intrication quantique" est né d’une hypothèse théorique issue des équations de la mécanique quantique. Cela signifie ceci : si 2 particules quantiques (il peut s'agir d'électrons, de photons) s'avèrent interdépendantes (intriquées), alors la connexion demeure, même si elles sont séparées en différentes parties de l'Univers.

La découverte de l’intrication quantique explique en partie la possibilité théorique de la téléportation.

Bref, alors rotation d’une particule quantique (électron, photon) est appelé son propre moment cinétique. Le spin peut être représenté comme un vecteur et la particule quantique elle-même comme un aimant microscopique.

Il est important de comprendre que lorsque personne n’observe un quantum, par exemple un électron, alors il possède toutes les valeurs de spin en même temps. Ce concept fondamental de la mécanique quantique est appelé « superposition ».

Imaginez que votre électron tourne simultanément dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse. Autrement dit, il est dans les deux états de rotation à la fois (spin vectoriel ascendant/spin vectoriel descendant). Introduit ? D'ACCORD. Mais dès qu'un observateur apparaît et mesure son état, l'électron lui-même détermine quel vecteur de spin il doit accepter - vers le haut ou vers le bas.

Vous voulez savoir comment le spin des électrons est mesuré ? Il est placé dans un champ magnétique : les électrons de spin opposé à la direction du champ, et de spin dans la direction du champ, seront déviés dans différents côtés. Les spins des photons sont mesurés en les dirigeant vers un filtre polarisant. Si le spin (ou polarisation) du photon est « -1 », alors il ne passe pas à travers le filtre, et s'il est « +1 », alors il le fait.

Résumé. Une fois que vous avez mesuré l’état d’un électron et déterminé que son spin est « +1 », alors l’électron qui lui est associé ou « intriqué » prend une valeur de spin de « -1 ». Et instantanément, même s'il est sur Mars. Cependant, avant de mesurer l'état du 2ème électron, il avait simultanément les deux valeurs de spin (« +1 » et « -1 »).

Ce paradoxe, prouvé mathématiquement, n'a pas beaucoup plu à Einstein. Parce que cela contredisait sa découverte selon laquelle il n’existe pas de vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Mais le concept de particules intriquées s'est avéré : si l'une des particules intriquées est sur Terre, et la 2ème est sur Mars, alors la 1ère particule au moment où son état est mesuré sera instantanément ( vitesse plus rapide lumière) transmet des informations à la 2ème particule sur la valeur de spin qu'elle doit prendre. A savoir : le sens inverse.

La dispute d'Einstein avec Bohr. Qui a raison?

Einstein a appelé « l'intrication quantique » SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (allemand) ou action effrayante, fantomatique et surnaturelle à distance.

Einstein n'était pas d'accord avec l'interprétation de Bohr de l'intrication des particules quantiques. Parce qu'il contredit sa théorie selon laquelle l’information ne peut pas être transmise plus rapidement que la vitesse de la lumière. En 1935, il publia un article décrivant expérience de pensée. Cette expérience a été appelée le « paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen ».

Einstein a reconnu que des particules liées pouvaient exister, mais a proposé une explication différente du transfert instantané d'informations entre elles. Il a dit "particules enchevêtrées". un peu comme une paire de gants. Imaginez que vous avez une paire de gants. Vous mettez celui de gauche dans une valise et celui de droite dans la seconde. Vous avez envoyé la 1ère valise à un ami et la 2ème sur la Lune. Lorsque l'ami recevra la valise, il saura que la valise contient un gant gauche ou droit. Lorsqu'il ouvrira la valise et verra qu'il y a un gant gauche dedans, il saura instantanément qu'il y a un gant droit sur la Lune. Et cela ne signifie pas que l'ami a influencé le fait que le gant gauche soit dans la valise, ni que le gant gauche a instantanément transmis des informations au gant droit. Cela signifie simplement que les propriétés des gants étaient à l’origine les mêmes à partir du moment où ils ont été séparés. Ceux. les particules quantiques intriquées contiennent initialement des informations sur leurs états.

Alors, qui avait raison Bohr lorsqu’il pensait que les particules liées se transmettent instantanément des informations, même si elles sont séparées sur de grandes distances ? Ou Einstein, qui croyait qu'il n'y avait pas de lien surnaturel et que tout était prédéterminé bien avant le moment de la mesure.

Ce débat s'est déplacé dans le domaine de la philosophie pendant 30 ans. Le différend a-t-il été résolu depuis ?

Théorème de Bell. Le litige est-il résolu ?

John Clauser, alors qu'il était encore étudiant diplômé à l'Université de Columbia, a découvert travail oublié Physicien irlandais John Bell. C'était une sensation : il s'avère Bell a réussi à sortir de l'impasse entre Bohr et Einstein.. Il a proposé de tester expérimentalement les deux hypothèses. Pour ce faire, il a proposé de construire une machine capable de créer et de comparer de nombreuses paires de particules intriquées. John Clauser a commencé à développer une telle machine. Sa machine pourrait créer des milliers de paires de particules intriquées et les comparer par différents paramètres. Les résultats expérimentaux prouvèrent que Bohr avait raison.

Et bientôt le physicien français Alain Aspe mena des expériences, dont l'une concernait l'essence même du différend entre Einstein et Bohr. Dans cette expérience, la mesure d'une particule ne pouvait en affecter directement une autre que si le signal de la 1ère à la 2ème passait à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Mais Einstein lui-même a prouvé que c'était impossible. Il ne restait qu'une seule explication : une connexion inexplicable et surnaturelle entre les particules.

Les résultats expérimentaux ont prouvé que l’hypothèse théorique de la mécanique quantique est correcte. L'intrication quantique est une réalité ( Intrication quantique Wikipédia). Les particules quantiques peuvent être connectées malgré de grandes distances. Mesurer l'état d'une particule affecte l'état de la 2ème particule située loin d'elle comme si la distance entre elles n'existait pas. Une communication surnaturelle à longue distance se produit réellement.

La question demeure : la téléportation est-elle possible ?

La téléportation est-elle confirmée expérimentalement ?

En 2011, des scientifiques japonais ont été les premiers au monde à téléporter des photons ! Un faisceau de lumière a été instantanément déplacé d’un point A à un point B.

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L'intrication quantique, ou « action effrayante à distance » comme l'appelait Albert Einstein, est un phénomène de mécanique quantique dans lequel les états quantiques de deux objets ou plus sont interdépendants. Cette dépendance persiste même si les objets sont éloignés les uns des autres de plusieurs kilomètres. Par exemple, vous pouvez intriguer une paire de photons, emmener l'un d'eux dans une autre galaxie, puis mesurer le spin du deuxième photon - et il sera opposé au spin du premier photon, et vice versa. Ils tentent d’adapter l’intrication quantique pour la transmission instantanée de données sur des distances gigantesques ou même pour la téléportation.

Des physiciens de l'Université écossaise de Glasgow ont rapporté une expérience au cours de laquelle les scientifiques ont pu obtenir la toute première photographie de particules. Un phénomène si étrange selon les normes de la physique que même un grand scientifique du XXe siècle l’a surnommé « action effrayante à distance ». Les réalisations des scientifiques écossais sont très importantes pour le développement de nouvelles technologies. Pourquoi? Voyons cela.

Nous avons déjà écrit à plusieurs reprises que des appareils sont testés de temps en temps dans différentes parties du monde. communication quantique. Il semblerait que tout cela ne dépassera pas les expérimentations de sitôt, mais, comme le rapporte l'agence de presse Xinhua, la Chine a achevé la création du premier réseau commercial de communication quantique ultra-sécurisé du pays. La mise en service est prévue dans un avenir très proche.

Il y a beaucoup de Articles populaires, qui parle d'intrication quantique. Les expériences d'intrication quantique sont très impressionnantes, mais n'ont reçu aucun prix. Pourquoi de telles expériences sont-elles intéressantes pour le citoyen moyen et n’intéressent-elles pas les scientifiques ? Les articles populaires parlent de propriétés étonnantes paires de particules enchevêtrées - l'impact sur l'une entraîne un changement instantané de l'état de la seconde. Et que se cache-t-il derrière le terme « téléportation quantique », dont on a déjà commencé à dire qu'elle se produit avec vitesse supraluminique. Regardons tout cela du point de vue de la mécanique quantique normale.

Ce qui vient de la mécanique quantique

Les particules quantiques peuvent être dans deux types d’états, selon manuel classique Landau et Lifshitz - purs et mélangés. Si une particule n'interagit pas avec d'autres particules quantiques, elle est décrite par une fonction d'onde qui dépend uniquement de ses coordonnées ou de son impulsion - cet état est appelé pur. Dans ce cas, la fonction d'onde obéit à l'équation de Schrödinger. Une autre option est possible : la particule interagit avec d'autres particules quantiques. Dans ce cas, la fonction d'onde s'applique à l'ensemble du système de particules en interaction et dépend de toutes leurs variables dynamiques. Si nous nous intéressons à une seule particule, alors son état, comme Landau l'a montré il y a 90 ans, peut être décrit par un opérateur matriciel ou de densité. La matrice densité obéit à une équation similaire à l'équation de Schrödinger

Où est la matrice de densité, H est l'opérateur hamiltonien et les parenthèses désignent le commutateur.

Landau l'a fait sortir. Toutes les grandeurs physiques liées à une particule donnée peuvent être exprimées à travers la matrice de densité. Cette condition est dite mixte. Si nous avons un système de particules en interaction, alors chacune des particules est dans un état mixte. Si les particules se dispersent sur de longues distances et que l’interaction disparaît, leur état restera néanmoins mixte. Si chacune de plusieurs particules est à l'état pur, alors la fonction d'onde d'un tel système est le produit des fonctions d'onde de chacune des particules (si les particules sont différentes. Pour des particules, bosons ou fermions identiques, il faut faites une combinaison symétrique ou antisymétrique, voyez, mais nous y reviendrons plus tard. L'identité des particules, des fermions et des bosons est déjà une théorie quantique relativiste.

Un état intriqué d'une paire de particules est un état dans lequel il existe une corrélation constante entre les grandeurs physiques appartenant à différentes particules. Un exemple simple et le plus courant est qu'une certaine quantité physique totale est conservée, par exemple la rotation totale ou le moment cinétique d'une paire. Dans ce cas, une paire de particules est à l’état pur, mais chacune des particules est à l’état mixte. Il peut sembler qu’un changement dans l’état d’une particule affectera immédiatement l’état d’une autre particule. Même s’ils sont dispersés au loin et n’interagissent pas, c’est ce qui est exprimé dans les articles populaires. Ce phénomène a déjà été surnommé téléportation quantique. Certains journalistes analphabètes prétendent même que le changement se produit instantanément, c'est-à-dire qu'il se propage plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Considérons cela du point de vue de la mécanique quantique. Premièrement, tout impact ou mesure modifiant le spin ou le moment cinétique d'une seule particule viole immédiatement la loi de conservation de la caractéristique globale. L'opérateur correspondant ne peut pas se déplacer avec une rotation complète ou un moment cinétique complet. Ainsi, l’intrication initiale de l’état d’une paire de particules est perturbée. Le spin ou l'impulsion de la deuxième particule ne peut plus être associé sans ambiguïté à celui de la première. Nous pouvons considérer ce problème sous un autre angle. Après disparition de l’interaction entre particules, l’évolution de la matrice densité de chaque particule est décrite par sa propre équation, dans laquelle les variables dynamiques de l’autre particule ne sont pas incluses. Par conséquent, l’impact sur une particule ne modifiera pas la matrice de densité de l’autre.

Il existe même le théorème d'Eberhard, selon lequel l'influence mutuelle de deux particules ne peut pas être détectée par des mesures. Soit un système quantique décrit par une matrice de densité. Et laissez ce système se composer de deux sous-systèmes A et B. Le théorème d'Eberhard stipule qu'aucune mesure d'observables associés uniquement au sous-système A n'affecte pas le résultat de la mesure des observables associés uniquement au sous-système B. Cependant, la preuve du théorème utilise l'hypothèse de réduction fonction d'onde, ce qui n’a été prouvé ni théoriquement ni expérimentalement. Mais tous ces arguments s’inscrivent dans le cadre de la mécanique quantique non relativiste et concernent des particules différentes et non identiques.

Ces arguments ne fonctionnent pas théorie relativiste dans le cas d'une paire de particules identiques. Permettez-moi de vous rappeler encore une fois que l'identité ou l'indiscernabilité des particules vient de la mécanique quantique relativiste, où le nombre de particules n'est pas conservé. Cependant, pour les particules lentes, nous pouvons utiliser l’appareil plus simple de la mécanique quantique non relativiste, simplement en tenant compte de l’indiscernabilité des particules. Alors la fonction d'onde de la paire doit être symétrique (pour les bosons) ou antisymétrique (pour les fermions) par rapport à la permutation des particules. Une telle exigence apparaît dans la théorie relativiste, quelle que soit la vitesse des particules. C’est cette exigence qui conduit à des corrélations à longue distance entre des paires de particules identiques. En principe, un proton et un électron peuvent également être intriqués. Cependant, s’ils divergent de plusieurs dizaines d’angströms, alors l’interaction avec Champs électromagnétiques et d'autres particules détruiront cet état. L'interaction d'échange (c'est ainsi qu'on appelle ce phénomène) s'opère à des distances macroscopiques, comme le montrent les expériences. Une paire de particules, même séparées par des mètres, reste indiscernable. Si vous effectuez une mesure, vous ne savez pas exactement à quelle particule appartient la valeur mesurée. Vous prenez des mesures sur quelques particules en même temps. Par conséquent, toutes les expériences spectaculaires ont été réalisées avec exactement les mêmes particules : des électrons et des photons. À proprement parler, il ne s’agit pas exactement de l’état intriqué considéré dans le cadre de la mécanique quantique non relativiste, mais de quelque chose de similaire.

Considérons le cas le plus simple : une paire de particules identiques n'interagissant pas. Si les vitesses sont faibles, on peut utiliser la mécanique quantique non relativiste, en tenant compte de la symétrie de la fonction d'onde par rapport à la permutation des particules. Soit la fonction d'onde de la première particule , la deuxième particule - , où et sont les variables dynamiques des première et deuxième particules, dans le cas le plus simple - juste des coordonnées. Alors la fonction d'onde de la paire

Les signes + et – font référence aux bosons et aux fermions. Supposons que les particules soient éloignées les unes des autres. Ensuite, ils sont localisés respectivement dans les régions éloignées 1 et 2, c'est-à-dire qu'en dehors de ces régions, ils sont petits. Essayons de calculer la valeur moyenne d'une variable de la première particule, par exemple les coordonnées. Pour simplifier, on peut imaginer que les fonctions d’onde incluent uniquement des coordonnées. Il s'avère que la valeur moyenne des coordonnées de la particule 1 se situe ENTRE les régions 1 et 2, et elle coïncide avec la valeur moyenne de la particule 2. C'est en fait naturel - les particules sont indiscernables, nous ne pouvons pas savoir quelle particule a les coordonnées mesurées . En général, toutes les valeurs moyennes des particules 1 et 2 seront les mêmes. Cela signifie qu'en déplaçant la région de localisation de la particule 1 (par exemple, la particule est localisée à l'intérieur d'un défaut du réseau cristallin, et nous déplaçons tout le cristal), nous influençons la particule 2, bien que les particules n'interagissent pas dans le sens habituel. - à travers un champ électromagnétique par exemple. Ceci est un exemple simple d’intrication relativiste.

Il n’y a pas de transfert instantané d’informations du fait de ces corrélations entre les deux particules. L'appareil de la théorie quantique relativiste a été initialement construit de telle manière que les événements situés dans l'espace-temps de part et d'autre du cône de lumière ne peuvent pas s'influencer mutuellement. En termes simples, aucun signal, aucune influence ou perturbation ne peut se propager plus vite que la lumière. Les deux particules sont en fait des états du même champ, par exemple électron-positon. En influençant le champ en un point (particule 1), on crée une perturbation qui se propage comme des vagues sur l'eau. En mécanique quantique non relativiste, la vitesse de la lumière est considérée comme infiniment grande, ce qui donne l'illusion d'un changement instantané.

La situation dans laquelle des particules séparées par de grandes distances restent liées par paires semble paradoxale en raison des idées classiques sur les particules. Il faut se rappeler que ce ne sont pas réellement des particules qui existent, mais des champs. Ce que nous considérons comme des particules sont simplement des états de ces champs. L'idée classique des particules est totalement inadaptée au micromonde. Des questions se posent immédiatement sur la taille, la forme, le matériau et la structure particules élémentaires. En fait, des situations paradoxales pour la pensée classique se présentent également avec une particule. Par exemple, dans l’expérience Stern-Gerlach, un atome d’hydrogène traverse un champ magnétique non uniforme dirigé perpendiculairement à la vitesse. Le spin nucléaire peut être négligé en raison de la petite taille du magnéton nucléaire, même si le spin électronique est initialement dirigé le long de la vitesse.

L’évolution de la fonction d’onde d’un atome n’est pas difficile à calculer. Le paquet d'ondes localisé initial se divise en deux paquets identiques, volant symétriquement selon un angle par rapport à la direction d'origine. C’est-à-dire un atome, une particule lourde, généralement considérée comme classique avec une trajectoire classique, divisée en deux paquets d’ondes capables de s’écarter sur des distances assez macroscopiques. Dans le même temps, je noterai que du calcul il résulte que même l'expérience idéale de Stern-Gerlach n'est pas capable de mesurer le spin d'une particule.

Si le détecteur lie un atome d'hydrogène, par exemple chimiquement, alors les « moitiés » - deux paquets d'ondes dispersés - sont rassemblées en un seul. Comment se produit une telle localisation d'une particule tachée - séparément théorie existante, ce que je ne comprends pas. Les personnes intéressées peuvent trouver une littérature abondante sur cette question.

Conclusion

La question se pose : quel est le sens des nombreuses expériences démontrant des corrélations entre particules à de grandes distances ? En plus de confirmer la mécanique quantique, dont aucun physicien normal n'a douté depuis longtemps, il s'agit d'une démonstration spectaculaire qui impressionne le public et les responsables amateurs qui allouent des fonds à la science (par exemple, le développement de lignes de communication quantiques est sponsorisé par Gazprombank) . Pour la physique, ces démonstrations coûteuses ne rapportent rien, même si elles permettent de développer des techniques expérimentales.

Littérature
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mécanique quantique (théorie non relativiste). - 3ème édition, révisée et augmentée. - M. : Nauka, 1974. - 752 p. - (« Physique théorique", tome III).
2. Eberhard, P.H., « Le théorème de Bell et les différents concepts de non-localité », Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)