Квантовая запутанность – одно из самых сложных понятий в науке, но основные ее принципы просты. А если понять ее, запутанность открывает путь к лучшему пониманию таких понятий, как множественность миров в квантовой теории. А открытие квантовой запутанности в некоторой степени даже объясняет теоретическую возможность телепортации.
Понятие «квантовая запутанность» с’появилось из теоретического предположения, что следует из уравнений квантовой механики. Оно означает вот что: если 2 квантовые частицы (ими могут быть электроны, фотоны) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то зв’связь сохраняется, даже если их разнести в разные части Вселенной.
Суть квантовой запутанности
Представим, что мы имеем пару фотонов, которые мы получили одновременно. Они будут взаимосвязанными или запутанными. В квантовой физике есть два важных понятия, в которых нам необходимо разобраться, чтобы понять суть запутанности. Первое из них, это спин.
Если коротко, то спин квантовой частицы (электрона, фотона) называется ЕЕ собственный угловой момент. Спин можно представить в виде вектора, а саму квантовую частицу – в виде микроскопического магнитика.
Второе понятие – суперпозиция. Важно понять, что когда за квантом, например, за электроном никто не наблюдает, то он имеет все значение спина одновременно. Это фундаментальное понятие квантовой механики называется «суперпозицией».
Представьте, что Ваш электрон вращается одновременно по часовой стрелке и против часовой стрелки. То есть он сразу в обоих состояниях спина (вектор спина вверх / вектор спина вниз). Вообразили? Хорошо. Но как только с’является наблюдатель и измеряет его состояние, электрон сам определяет, вектор спина ему принять – вверх или вниз.
Теперь вам будет легче понять основную суть квантовой запутанности, что если измерить спин одного из фотонов, и он окажется положительным, то спин 2-го фотона – будьте уверены – мгновенно станет отрицательным. И наоборот.
То есть, как только вы измерили состояние одного фотона и определили, что его спин «+1», то пов’язаний или «запутанный с ним фотон принимает значение спина «-1». Причем моментально, даже если он находится на Марсе. Хотя до измерения состояния фотонов, они оба имели значение спина одновременно ( «+1» и «-1»). И только после того, как первая доля измеряется, вторая, запутанная с ней, моментально принимает противоположное значение.
В 2008 году ученым удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов на расстоянии 144 километров и взаимодействие между ними все равно оказалась мгновенной, так если бы они были в одном месте или не существовало бы пространства. Считается, что если такие квантово-запутанные фотоны окажутся в противоположных участках Вселенной, то взаимодействие между ними все равно будет мгновенной, хотя свет это же расстояние преодолевает за десятки миллиардов лет.
Этот парадокс, доказанный математически, очень не нравился Енштейну. Потому что он противоречил его открытию, что нет скорости большей, чем скорость света. Но понятие запутанных частиц доводилось: если одна из запутанных частиц будет находиться на Земле, а 2-га – на Марсе, то 1-я частица в момент измерения ЕЕ состояния мгновенно (быстрее скорости света) передает 2-й доле информацию, какое значение спина ей принять. А именно: противоположное значение.
Спор Энштейна с Бором
Энштейн называл «квантовую запутанность» пугающей, призрачной, сверхъестественной действием на расстоянии.
Эйнштейн не соглашался с интерпретацией Бора о квантовой запутанности частиц. Потому что это противоречило его теории, что информация не может передаваться со скоростью большей скорости света. В 1935 году он опубликовал статью с описанием мысленного эксперимента. Этот эксперимент назвали «Парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена».
Эйнштейн соглашался, что эт’связанные частицы могут существовать, но придумал другое объяснение мгновенной передачи информации между ними. Он сказал, что «запутанные частицы» скорее напоминают пару перчаток. Представьте, что у Вас пара перчаток. Левую вы положили в один чемодан, а правую – во вторую. 1-шу чемодан вы отправили вторую, а 2-ю- на Месяц. Когда он получит чемодан, он будет знать, что в чемодане или левая, или правая перчатка. Когда же он откроет чемодан и увидит, что в ней левая перчатка, то он мгновенно узнает, что на Луне – права. И это не означает, что человек повлиял на то, что в чемодане левая перчатка и не означает, что левая перчатка мгновенно передала информацию правой. Это только означает то, что свойства перчаток были изначально такими с момента, как их разделили. То есть в запутанных квантовых частицах с самого начала заложена информация о их состояния.
Так кто же был прав Бор, который считал, что эт’связанные частицы передают друг другу информацию мгновенно, даже если они разнесены на большие расстояния? Или Энштейн, который считал, что никакого сверхъестественного зв’язку нет, и все предопределено задолго до момента измерения?
Кто решил спор?
Ирландский физик Джон Белл предложил экспериментально проверить обе гипотезы. Для этого он предложил построить машину, которая бы создавала и сравнивала многие пары запутанных частиц. Джон Клаузер взялся разрабатывать такую машину. Его машина могла создавать тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по различным параметрам. Результаты экспериментов доказывали правоту Бора.
Результаты опытов доказали, что теоретическое предположение квантовой механики – верное. Квантовая запутанность – это реальность. Квантовые частицы могут быть пов’связанными несмотря на огромные расстояния. Измерение состояния одной частицы влияет на состояние далеко расположенной от нее 2-ой доли так, если бы расстояния между ними не существовало. Сверхъестественный зв’связь на расстоянии происходит в действительности.
В 2008 году группе швейцарских исследователей из Университета Женевы удалось разнести два потока запутанных фотонов на расстояние 18 километров. Кроме того, это позволило сделать временные измерения с недостижимой ранее точностью. В результате было установлено, что если некое скрытое взаимодействие и происходит, то скорость его распространения должна как минимум в 100 000 раз превышать скорость света в вакууме. При меньшей скорости временные задержки были бы замечены.
В любом случае наш мир невероятный. Он скрывает в себе множество тайн, на раскрытие которых у человечества уйдут не одни поколения людей. Квантовая запутанность, при более детальном изучении могла бы подарить человечеству множество возможностей, по типу надсвітлової квантовой коммуникации или квантовой телепортации. Возможно, мы узнаем больше об этом, уже в ближайшем будущем.
