[Версия для печати]

Квантовая картина мира

Квантовая сцепленность

Квантовая сцепленность — явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз. Условно можно сказать, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на сцепленную с ней.

Квантовая сцепленность является основой таких технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения. Различные взгляды на то, что происходит во время процесса квантовомеханического сцепления, приводят к различным интерпретациям квантовой механики(многомировой, копенгагенской, теории скрытых параметров и др.).

Основываясь на этом принципе квантовой мехиники уже создан первый квантовый маршрутизатор на два порта

Квантовые корреляции: чудеса да и только!

Хотите чудес? Как говорят в Одессе, их есть у нас!
Рассмотрим эксперимент, проведённый в Рочестерском университете известнейшим специалистом по квантовой оптике Леонардом Манделом с коллегами в начале 90-х годов прошлого столетия. А по ходу познакомимся с важнейшим для нас понятием запутанных, или квантово-коррелированных состояний, которым не раз используем в дальнейшем. Именно нелокальные свойства запутанных состояний являются ключом к магии и ко всем якобы "сверхъестественным" явлениям!
Схема эксперимента Мандела показана на рис. 4.

Рис.№4

Лазерный луч с помощью полупрозрачного зеркала расщеплялся на два пучка, а затем каждый из пучков направлялся на так называемый нелинейный кристалл, способный расщеплять квант света (фотон) на два дочерних кванта. Закон сохранения энергии при этом, конечно же, выполняется: энергия каждого из дочерних квантов вдвое меньше энергии материнского кванта. Например, если падает луч лазера с длиной волны 405 нм (синего цвета), то на выходе из кристалла будут два луча с длиной волны 810 нм (красного цвета), энергия каждого кванта которых вдвое меньше энергии кванта в исходном луче. Затем с помощью системы зеркал делалось так, что каждая из этих двух пар фотонов интерферировала между собой, примерно так, как интерферировали компоненты суперпозиции в нашем опыте с рассеянием электронов на двух щелях. Результаты наблюдения интерференционной картины фиксировались детекторами Д1-Д2 для первой пары фотонов, и детекторами Д3-Д4 - для второй пары.

Как известно, любая частица, обладающая ненулевым спином, в том числе фотон, характеризуется поляризацией, то есть проекцией спина на направление движения. Фотоны могут обладать двумя состояниями поляризации, отвечающими двум возможным проекциям спина - вдоль и против направления движения. Вид поляризации света определяет плоскость колебаний электрического поля электромагнитных волн, и существуют так называемые анализаторы (специальные кристаллы), способные пропускать кванты только с определённой поляризацией. Поскольку различные состояния поляризации находятся в состоянии суперпозиции, то с помощью такого кристалла можно выделять те или иные её компоненты. Если подобный кристалл поставить по ходу одного из лучей и вращать его относительно оси луча, то интерференционная картина будет меняться из-за изменения соотношения между компонентами суперпозиции. Подобные действия в данном эксперименте приведут к изменению вероятностей регистрации фотонов (одного или двух) каждым из детекторов.

Итак, Мандел пространственно разнёс два пучка на достаточно большое расстояние и начал менять помощью анализатора соотношение между компонентами суперпозиции на одном из них (нижнем на рис. 4). В силу его манипуляций интерференционная картина на этом пучке менялась. Второй пучок он вообще не трогал! Но интерференционная картина, наблюдаемая на этом втором пучке, точно повторяла интерференционную картину на пучке, с которым экспериментировал Мандел. И картина эта менялась мгновенно, в то же самое время, когда менялась картина на первом пучке. И это притом, что никаких объективных причин для изменения картины на первом пучке просто не было! Ведь человек в этом случае никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия между пучками не было!

Выходит, квантовый объект каким-то образом узнавал, что происходит с другим объектом, удалённым от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов более 100 км).
Подобную связь между частицами называют квантовыми корреляциями, а состояния участвующих в них частиц запутанными.
Запутанные (это устоявшийся термин, хотя мне больше нравится термин сцеплённые ) состояния в общем случае могут возникать в системе, которая в какой-то момент времени распадается на невзаимодействующие подсистемы. Например, если электрон сталкивается с атомом, то образуется запутанное состояние, в котором состояние электрона будет коррелированно с состоянием атома в результате произошедшего взаимодействия. Отметим, что запутанное состояние не может быть представлено в виде совокупности состояний отдельных частей системы в силу наличия корреляций между ними. Также, запутанность - это физическая величина, которая имеет количественные характеристики, и она может быть определена непосредственно в эксперименте.
Суперпозиционные состояния - более общее понятие, чем запутанные состояния. В них компоненты волновой функции могут быть как коррелированны между собой, так и нет. Последний случай отвечает наличию в системе изолированных подсистем, которые никогда не взаимодействовали друг с другом. В эксперименте Мандела запутанные состояния пар фотонов возникали в ходе расщепления исходного кванта на нелинейном кристалле, а лазер был необходим для создания совершенно идентичных по своим характеристикам фотонов.
Не беспокойтесь, если не все термины станут сразу понятны и привычны, это ни сколько не будет мешать восприятию дальнейшего. А вскоре, на конкретных примерах, всё станет гораздо яснее.

Наличие квантовых корреляций - неотъемлемое свойство запутанных состояний. Для сцепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары; если же произвести измерение над одним фотоном и тем самым определить его поляризацию, то поляризация другого фотона также станет определенной. И вести себя эта частица будет теперь иначе, чем до измерения, проведённого с первой частицей. Запутанные состояния частиц означают наличие связи между характеристиками этих частиц после их взаимодействия, и эта связь куда более жёсткая, чем следует из классических представлений. Если частицы когда-то провзаимодействовали, то в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда, и она будет мгновенной, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. То есть пара или какая-либо совокупность частиц будет вести себя как единый объект! Это утверждение справедливо всегда для замкнутых (изолированных) систем, а в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием взаимодействия с окружающими телами в смесь.

Ситуация с мгновенной связью между частицами похожа на то, как если бы сталкивались два шара, чёрный и белый, при этом область их столкновения не наблюдаема, и мы не знаем, какой куда полетит. Мы просто наблюдаем вылетевшие из невидимой области шары, а какой из них каким был, мы не знаем. Для квантовых частиц не будет так, как подсказывает здравый смысл: каждый шар изначально белый или чёрный, мы только можем не знать его цвет. Вылетевшие шары будут вести себя как "серые", то есть в каждом из них будет присутствовать суперпозиция белого и чёрного, и это проявляется в эксперименте. Но так будет происходить только до тех пор, пока мы не определим цвет одного из шаров. Если мы определили его цвет как чёрный, то другой немедленно перестаёт вести себя как серый, и начинает проявлять себя в эксперименте как белый, на каком бы расстоянии он не находился!
С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоторой волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается, и частицы разлетаются далеко друг от друга, они по-прежнему описываются той же функцией. Но состояние каждой отдельной частицы неизвестно в принципе, это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в детектор, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики.

Теперь представим, что возле одного из пучков находится Петя, который проводит эксперименты, а возле другого - Вася, который не знает о существовании Пети. Для Васи изменение результатов эксперимента на его пучке выглядит как чудо, чудо в самом мракобесном понимании! Ведь Вася ничего не делает со своим пучком, все условия эксперимента остаются постоянными, а интерференционная картина по совершенно непонятным причинам меняется! То он видит "белые" шары, то "серые", то "чёрные". А никаких причин для изменения картины Вася не найдёт, как бы он не старался. Эта причина находится в другом событийном пространстве, можно сказать, что она "магически" (то есть через квантовые корреляции) связана с его событийным пространством. Для Васи же всё выглядит так, как будто есть следствие, но нет причины, ведь классически эти два пространства событий никак не связаны.
Похожую схему можно использовать и для "мгновенной" передачи информации между Васей и Петей. Посредством присоединения третьей - "информационной" - частицы к одной из сцепленных частиц у Пети, можно передать ее свойства другой подобной частице, находящейся на установке Васи. То есть мы можем не только мгновенно передать информацию о состоянии какой-либо частицы, но и воспроизвести это состояние. И закодировать в последовательности передаваемых состояний любое сообщение.

Явление мгновенной передачи свойств частицы на расстояние получило название квантовой телепортации. Способ практической реализации этого эффекта был предложен в 1993 году группой Чарльза Беннета (IBM), а само явление впервые наблюдалось в работах австрийских исследователей из университета в Инсбруке, возглавляемых Антоном Цайлингером, и итальянских, из Римского университета под руководством Франческо Де Мартини в 2001 - 2002 годах.
Однако для передачи информации необходимо, чтобы Вася и Петя согласовали свои действия. Ведь по поступающим сигналам нельзя определить, передаёт ли коллега сообщение, или нет. Поэтому нужно либо заранее договорится о времени передачи, либо об условном сигнале (например, определённой последовательности переданных состояний), означающим начало передачи. И, конечно, необходимо договориться о кодировке сообщений, - то есть, какая последовательность состояний означает, к примеру, ту или иную букву алфавита. Собственно говоря, никакой "передачи" информации не происходит, информация просто распределена между подсистемами, а Вася и Петя в ходе подобного эксперимента имеют доступ к единому нелокальному объекту. Само собой, для мгновенного обмена информацией необходимо сначала где-то создать запутанные пары фотонов, и как-то переслать им. На сегодняшний день, использование оптоволоконных технологий позволяет сохранить запутанность пар фотонов на расстояниях до нескольких сотен километров, это пока создаёт предел для реализации устройств мгновенной квантовой связи. Но это чисто технический вопрос, рано или поздно он будет решён, и уже сейчас интенсивно обсуждаются вопросы создания глобальных систем квантовой связи. Можно помечтать и о создании "квантовых консервов" - устройств, в которых когерентность состояний тех или иных объектов не разрушается достаточно долго, и которые можно будет просто брать с собой.

Давайте теперь вообразим, что Петя находится возле нас, а Вася, вместе со своей установкой и источником пар фотонов - возле звезды, расстояние до которой миллион световых лет. То есть Вася поставил свои эксперименты миллион лет назад, а до Пети только сейчас долетел свет из расщеплённого пучка, и он начал свои манипуляции с ним. Что же будет? Результат не изменится: проводимые сейчас эксперименты Пети изменят результаты экспериментов Васи, который, может быть, уже давным-давно умер, и даже успел опубликовать их результаты. Ведь определение Петей состояния фотонов определяет свойства Васиных фотонов, и результаты у того меняются вне зависимости от расстояния между ними и прошедшего времени. То есть более позднее во времени действие влияет на произошедшее ранее событие. Это парадокс, неразрешимый в рамках классического подхода, в квантовой механике следует понимать так, что физическая интерпретация более ранних экспериментов зависит от позднейших измерений. Если же Вася не знает о проводимом Петей эксперименте, он вероятнее всего решит, что необъяснимые статистически результаты эксперимента вызваны какими-либо неполадками в установке. Он ведь не может найти никаких причин для аномальных результатов, поскольку они находятся в другом событийном пространстве.

Подобный эффект обратной причинности был совсем недавно исследован группой уже известного нам Антона Цайлингера. Предсказания квантовой механики подтвердились в очередной раз: более ранняя регистрация фотонов Васей по сравнению с действиями Пети никак не сказывается на результатах эксперимента.
А что происходит, когда мы наблюдаем свет далёких звёзд? Или наблюдаем температурные неоднородности и поляризацию реликтового излучения, которое возникло задолго до возникновения первых звёзд и галактик? Совершенно верно, мы определяем состояния фотонов и тем самым меняем состояние далёкого прошлого Вселенной, а стало быть, меняем историю! Получается парадоксальный вывод: история - это то, что создаётся проводимыми сейчас наблюдениями! И не только человека, но и любого объекта. А к вопросу почему же история представляется нам объективной, и когда это имеет место, мы ещё вернёмся!
Если кто хочет ближе ознакомится с темой влияния сегодняшних наблюдений на историю, ищите ссылки на сильный и слабый антропный принцип, теорему Белла, квантовые корреляции. Думаю, что в журнале Scientific American должны быть обзоры по этим вопросам. Только не стоит чрезмерно доверять популярным публикациям, особенно если они не исходят от профессионалов.
Замечу, что опыты по исследованию квантовых корреляций во многом оказались возможными потому, что физики научились приготавливать запутанные состояния с известными характеристиками. Запутанные состояния образуются всегда, но найти метод приготовления того типа связи, который необходим для эксперимента, было очень непросто, этому научились не так давно. Вот почему опыты, задуманные ещё Эйнштейном, удалось провести только сейчас. Подобные опыты, направленные на проверку так называемых неравенств Белла и исследование квантовой нелокальности, начались в 1981 году с исторического эксперимента группы Алена Аспекта. В настоящее время проведено около сотни подобных экспериментов, и в абсолютном большинстве из них получены чёткие экспериментальные доказательства нелокальности окружающего нас мира. Более того, сейчас имеются и коммерческие приложения, использующие нелокальную связь между частицами, - например, в предлагаемых на рынке системах квантовой криптографии.

Содержание этого раздела можно выразить короче. Физическим системам нельзя приписать (по крайней мере всегда) характеристики как объективно существующие и независимые от проводимых измерений. Другими словами, характеристики объекта "создаются" наблюдателем, вне акта наблюдения состояние любого объекта во многом является неопределённым. Частицы, образованные когда-то в одном акте, остаются в замкнутой (целостной) системе единым объектом, вне зависимости от того, на каком расстоянии они находятся, и как давно произошло их разделение. Если с одной из них что-то происходит, то другие "мгновенно" чувствуют это и меняют свои наблюдаемые свойства, вне зависимости от расстояния между ними, и это происходит вне какого-либо материального носителя взаимодействия. Такие объекты находятся в целостной системе везде и нигде, и обычно называются нелокальными (или квантово-коррелированными) структурами. Как мы убедимся в следующей главе, для них понятия времени и пространства, причины и следствия теряют смысл. В любой замкнутой системе когерентность состояний не разрушается (то есть суперпозиция не переходит в смесь), и в этом случае состояние каждой частицы может быть квантово-коррелированным с состояниями всех остальных частиц в данной системе. А сама система становится полностью нелокальной. Наша Вселенная в целом есть такой объект.

http://smirnovs.info

Добро пожаловать в Реальный Мир.

Ссылки

Опрос
Результатом Глобального Кризиса станет:






Проголосовало: 5020 ч.

Предиктивное программирование

Во власти Символов

СПИД: лженаучный терроризм

(c)2006 За Родину! | zarodinu.org.ua