Глави от статии

Квантово свързване, за това става въпрос?

Приложения или квантово свързване като полезно нещо

Квантовото свързване е техническа физическа концепция, която широката общественост започна да възприема през последните години. Играейки ключова роля в квантовите компютри, честотата на нейното появяване ще се увеличи. Строгата дефиниция на речника не е много ясна и няма да ни позволи да оценим за какво става въпрос. За да разберем по-добре как работи квантовото свързване и каква роля играе, трябва да се върнем в началото на 20-ти век, един от най-прогресивните периоди във физиката.

Квантово свързване, за това става въпрос?

Професор Стивън Хокинг, един от най-известните физици днес, веднъж каза, че философията е мъртва. Това твърдение е преувеличено, но той е прав за нещо. От векове философията върви ръка за ръка с науката, науката изследва Вселената и философията ни позицията в нея. Открихме, че не сме център на Вселената и след това се замислихме какво означава това за нашето съществуване.

Тази връзка започва да се разпада в началото на 20 век. Около тогава науката престана да бъде човек - не в отрицателен, а в положителен смисъл, тя започна да напуска оковите на човешките сетива. Мозъкът, чрез който възприемаме реалността около нас, се е развил, за да оцелее в джунглата. Ние възприемаме светлинни и звукови сигнали и стимули, анализираме ги, опитваме се да предскажем какво ще се случи и как да го използваме. Някой ви хвърля топка, вие подсъзнателно разберете къде ще бъде след малко, направете няколко крачки, протегнете ръката си и топката ви удря точно в дланта на ръката.

Физическото описание на природата е било интуитивно преди 20 век. Обектите действали един на друг със сили, които определяли как ще се движат. Вселената приличаше на филм, времето можеше да бъде разделено на отделни кадри. Ако знаем какво се случва на първия изстрел, можем да изчислим какво се случва на втория, третия, ... (или оръдие на нулата, минус първия и предишните).

Но Вселената е различна от това, което ни се струва. Цветовете, които виждаме, съставляват само малка част от целия спектър на дължината на вълната. Технологиите направиха невидимото достъпно за нас - тъмните части на небето оживяха с рентгенови лъчи, топлокръвни същества с инфрачервена светлина. Колкото повече се отдалечавахме от човешките везни, толкова по-големи изненади ни очакваха. Нещата около нас се движат със скорост от няколко метра в секунда, което е около сто милиона от максимално възможната скорост - скоростта на светлината. Ако започнем да се приближаваме до тази граница, ще започнат да се случват неща, за които умът не ни е подготвил, беше като - обектите ще започнат да се съкращават, времето ще започне да тече по-бавно.

Уикенд за квантовото обвързване


Квантовата телепортация е транспортът на бъдещето?

Интервю с Даниел Нагай: Изследвайки границите на квантовите компютри, „Очаквам ги с нетърпение, но те няма да бъдат всичко“.

По същия начин неинтуитивните неща започват да се случват, когато обектите станат толкова масивни, че започват значително да отлагат времето и пространството около себе си, както прави нашата Земя например, в резултат на което усещаме силата на гравитацията. Алберт Айнщайн изследва света на високите скорости и високите гравитации преди 100 години в своята теория на относителността. Въпреки че теорията на относителността сега е общоприета, първоначално не беше така, защото се различаваше значително от общите идеи за функционирането на света. Но експериментите говореха ясно - Вселената е просто различна, отколкото си мислехме.

Артър Едингтън, лидерът на един от тези експерименти, веднъж беше поласкан, че в света има само трима души, които разбират теорията на Айнщайн. Отговорът на Едингтън: „Кой е третият?“ Беше забавен, но не беше преувеличен. Дори и днес теорията изисква няколко курса по математика и възстановяване на интуицията отново.

Друг свят, за който технологията ни отвори врати, е светът на атомите. Странността на този свят беше голяма хапка и за Айнщайн. Не е толкова изненадващо, че до ден днешен не сме го похарчили напълно. Но експериментите отново са ясни - в някои случаи има съвпадение между теория и експеримент до дванадесет знака след десетичната запетая.

Ключовата концепция на квантовата механика е т.нар принцип на суперпозицията - частиците могат да бъдат в няколко състояния едновременно, те избират едно от тях само когато ги измерваме. Думата „изберете“ се означава метафорично, тя не е съзнателно решение, резултатът от измерването е случаен.

Нека да демонстрираме това с пример, който ще продължи да ни придружава - частици на гръбначния стълб, като електрон. Той описва посоката на въртене на частицата и обикновено може да приеме само две стойности, например нагоре а надолу. Можем да измерим резултата за различни суперпозиции нагоре и надолу с различни вероятности. По този начин можем да създадем състояние, което ще има стойност при измерване нагоре винаги, в половината от случаите, само понякога или никога - каквото и да изберем.

Първото измерване на частица в суперпозиция е произволно, но всички останали вече дават същия резултат, т.е. ако не правим нищо друго с частицата. Измерването промени суперпозицията на т.нар остро състояние, т.е. такова, чието измерване винаги се оказва същото. Резултатите от многократни измервания могат да бъдат нагоре, нагоре, нагоре, … Или надолу, надолу, надолу, ... След първото измерване вече знаем какво въртене има частицата и последващите измервания няма да донесат нищо ново.

Друга изненадваща характеристика на квантовата механика е принципът на несигурност - има променливи, чиито стойности можем да знаем, но не всички наведнъж. Пример от Хайзенберг е добре известен - или знаем къде точно се намира частицата, или с каква скорост се движи. Звучи невероятно, но може да се разбере.

Измерваме позицията на частица, като я осветяваме. Колкото по-точно измерване искаме, толкова по-къси дължини на вълните ще използваме. Светлината с къси дължини на вълната, като рентгеновите лъчи, има висока енергия и рита силно частицата по време на сблъсък - придавайки й инерция. Колкото по-точно измерваме позицията, толкова по-силен удар ще удари частицата и ще загуби информация за нейната скорост. Измерването изисква намеса в системата.

Друг пример за несъизмерими количества е въртенето във вертикала (нагоре, надолу) и хоризонталната посока (наляво, транспорт). Ако измерим въртенето вертикално и установим, че то е нагоре, измерването в хоризонтална посока ще бъде 50% наляво и при 50% транспорт.

Представете си сега, че изследваме единична частица и последователно измерваме въртенето веднъж във вертикална посока и веднъж в хоризонтална посока, резултатите може да изглеждат така: нагоре, наляво, надолу, наляво, нагоре, надясно, ... Какво е специалното в него? Ако измервахме само вертикално и първото измерване е нагоре, в резултатите няма да се появи нито едно надолу, те биха били само нагоре нагоре, ... Измерванията отново засегнаха изследваната система.

Както можете да видите, квантовото измерване на частици работи странно само с една частица. Нещата ще станат още по-интересни, ако го свържем (пренавием) с втората частица. Това означава, че ако научим нещо за един от тях, можем да кажем нещо за другия - без да го измерваме.

В нормален, неквантов свят, например, ситуация, при която разделяте чифт ръкавици на два джоба, би съответствала на това. Ако погледнете първата и видите лявата ръкавица в нея, без да погледнете, знаете, че имате дясната ръкавица във втория джоб.

Ако имаме свързани квантови частици, тогава може да изглежда например, че първото измерване на една от тях се оказва на 50% нагоре и при 50% надолу, но вторият от тях вече ще даде 100% обратен резултат.

На пръв поглед това не звучи странно, но в действителност е - и дори толкова, че е разстроило Айнщайн, Подолски и Розен, които го наричат ​​странен ефект от разстояние. Какъв е проблема? Измерването на първата частица ще повлияе на възможните резултати от втората частица, независимо колко отдалечени са. Въпреки че това не нарушава ограничението на Айнщайн за ограничителната скорост на светлината - ние не можем активно да предаваме каквато и да е информация по този начин, но все пак е много загадъчно.

странността
 Заглавието на статия в Ню Йорк Таймс през 1935 г. (в превод от Айнщайн атакува квантовата теория) в отговор на експертна статия на Айнщайн, Подолски и Розен, в която те формулират парадокса на EPR, мисловен експеримент, който показва непълнотата на квантовомеханичната теория . По-късно Айнщайн го нарече „преследване от разстояние“.


Подобно нещо би стояло като магически трик. Как може една частица веднага да разбере от разстояние как се е получило измерването на другата? На място има подозрение, както когато гледате умен илюзионист. Частиците вече не са били „договорени“ предварително, така че те не носят скрита информация за резултатите от измерването от момента, в който сме ги свързали? Въпреки че резултатите ни изглеждат случайни, те не са били решени предварително?

Теорията за скритите променливи, както се нарича тази идея, засяга задълбочен въпрос - дали квантово-механичните измервания наистина са случайни или случайността е само очевидна, причинена от нашето невежество? Съществува експеримент, проектиран от J. S. Bell, който може да прави разлика между реална и привидна случайност и резултатите говорят сами за себе си - случайността в квантовата механика е реална и частиците не знаят предварително резултатите от измерванията.

Все още не сме успели да разберем как наистина работи и защо интуицията ни се проваля. Това обаче не ни пречи да търсим приложения за квантово свързване. Те са главно в областта на квантовите компютри. Експертите ги смятат за технология на бъдещето, макар че възможностите им няма да бъдат неограничени, както понякога се приема от широката общественост, но те все пак ще надхвърлят много повече от сегашната компютърна технология.