» » » » » » Inseparabilitatea cuantică (Entanglementul cuantic)

Inseparabilitatea cuantică (Entanglementul cuantic)

Inseparabilitatea cuantică(Procesul de conversie joasă parametrică spontană poate separa fotonii în perechi de fotoni de tip II cu polarizare reciprocă perpendiculară.)

Inseparabilitatea cuantică (entanglementul cuantic) este un fenomen fizic care apare atunci când perechi sau grupuri de particule sunt generate sau interacționează astfel încât starea cuantică a fiecărei particule nu poate fi descrisă independent de celelalte, chiar și când particulele sunt separate la o distanță mare – practic, o stare cuantică trebuie să fie descrisă pentru sistem ca un întreg.

Măsurătorile proprietăților fizice, cum ar fi poziția, impulsul, spinul și polarizarea, efectuate pe particulele inseparabile, se dovedesc a fi corelate. De exemplu, dacă o pereche de particule este generată în așa fel încât spinul total este cunoscut a fi zero și se constată că o particulă are spinul în sensul acelor de ceasornic pe o anumită axă, spinul celeilalte particule, măsurat pe aceeași axă , va fi găsit ca fiind în sens invers acelor de ceasornic, așa cum se poate aștepta datorită inseparabilității acestora. Dar acest comportament generează efecte paradoxale: orice măsurătoare a unei proprietăți a unei particule poate fi văzută ca acționând asupra acelei particule (de exemplu, prin colapsarea unui număr de stări suprapuse) și va schimba proprietatea cuantică inițială cu o anumită cantitate necunoscută; iar în cazul particulelor inseparabile o astfel de măsurătoare va fi pe sistemul inseparabil ca un întreg. Apare astfel că o particulă a unei perechi inseparate „știe” ce măsurătoare a fost efectuată pe cealaltă și cu ce rezultat, chiar dacă nu există mijloace cunoscute pentru comunicarea unor astfel de informații între particulele care, la momentul măsurării pot fi separate prin distanțe de dimensiuni arbitrar de mari.

Astfel de fenomene au făcut obiectul unei lucrări din 1935 a lui Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen și a unor lucrări ale lui Erwin Schrödinger la scurt timp după aceea, care descriu ceea ce a devenit cunoscut sub numele de paradoxul EPR (Einstein–Podolsky–Rosen). Einstein și alții consideră că un astfel de comportament este imposibil, deoarece acesta ar încălca viziunea realistă locală a cauzalității (Einstein se referă la aceasta ca la „acțiunea înfricoșătoare la distanță”) și a susținut că formularea acceptată a mecanicii cuantice este, probabil, incompletă. Mai târziu, totuși, predicțiile contraintuitive ale mecanicii cuantice au fost verificate experimental. Au fost realizate experimente care implică măsurarea polarizării sau rotirii particulelor inseparate în direcții diferite, care prin producerea încălcărilor inegalității lui Bell demonstrează statistic că viziunea realistă locală nu poate fi corectă. Acest lucru s-a dovedit a se produce chiar și atunci când măsurătorile sunt efectuate mai repede decât ar putea călători lumina între locurile de măsurare: nu există nicio influență cu viteza egală sau mai mică decât a luminii între particulele inseparate. Experimentele recente au măsurat particulele inseparate la mai puțin de o sutime de procent din timpul de călătorie al luminii dintre ele. Conform formalismului teoriei cuantice, efectul măsurării se petrece instantaneu. Cu toate acestea, nu este posibil să se utilizeze acest efect pentru a transmite informații clasice la viteze mai mari decât lumina.

Inseparabilitatea cuantică este o zonă de cercetare extrem de activă de către comunitatea fizică, iar efectele sale au fost demonstrate experimental cu fotoni, neutrini, electroni, molecule și chiar diamante mici. Cercetarea se concentrează, de asemenea, asupra utilizării efectelor de inseparabilitate în comunicare și informatică.

Istorie

Paradoxul EPR(4 mai 1935, titlul articolului din New York Times cu privire la lucrarea despre EPR.)

Predicțiile contraintuitive ale mecanicii cuantice despre sistemele puternic corelate au fost discutate mai întâi de Albert Einstein în 1935, într-o lucrare comună cu Boris Podolski și Nathan Rosen. În acest studiu, cei trei au formulat paradoxul EPR, un experiment gândit care a încercat să demonstreze că teoria mecanicii cuantice este incompletă. Ei au scris: „Suntem astfel obligați să concluzionăm că descrierea cuantică a realității fizice date de funcțiile undelor nu este completă”.

Cu toate acestea, cei trei oameni de știință nu au folosit cuvântul inseparabilitate. și nici nu au generalizat proprietățile speciale ale stării pe care au considerat-o. În urma lucrării despre EPR, Erwin Schrödinger a scris o scrisoare lui Einstein în limba germană, în care a folosit cuvântul Verschränkung (tradus de el ănsuși ca inseparabilitate) pentru a descrie corelațiile dintre două particule care interacționează și apoi se separă, ca și în experimentul EPR.

În scurt timp, Schrödinger a publicat o lucrare seminificativă care definește și discută noțiunea de „inseparabilitate”. În lucrare, el a recunoscut importanța conceptului și a declarat: „Nu aș numi [inseparabilitate] ca o trăsătura caracteristică, ci mai degrabă însăși trăsătura caracteristică a mecanicii cuantice, cea care își impune întreaga deviere de la liniile clasice de gândire”.

Ca și Einstein, Schrödinger a fost nemulțumit de conceptul de inseparabilitate, deoarece părea să încalce limita de viteză pentru transmiterea informațiilor implicite în teoria relativității.

Lucrarea despre EPR a generat un interes semnificativ în rândul fizicienilor și a inspirat multă discuție despre bazele mecanicii cuantice (probabil cea mai faimoasă a fost interpretarea lui Bohm despre mecanica cuantică), dar a produs relativ puține alte lucrări publicate. Deci, în ciuda interesului, punctul slab în argumentul EPR nu a fost descoperit decât în ​​1964, când John Stewart Bell a dovedit că una din ipotezele lor cheie, principiul localității, care stă la baza interpretării ascunse a variabilelor sperată de EPR, a fost matematic inconsistentă cu predicțiile teoriei cuantice. Mai exact, el a demonstrat o limită superioară, văzută în inegalitatea lui Bell, cu privire la puterea corelațiilor care pot fi produse în orice teorie supusă realismului local și a arătat că teoria cuantică prezice încălcări ale acestei limite pentru anumite sisteme inseparate. Inegalitatea sa este testabilă experimental și au existat numeroase experimente relevante, pornind de la lucrările de pionierat ale lui Stuart Freedman și John Clauser în 1972 și ale experimentelor lui Alain Aspect în 1982, toate acestea arătându-se mai degrabă de acord cu mecanica cuantică decât cu principiul realismului local . Până de curând, fiecare a lăsat în libertate cel puțin o lacună, prin care se putea pune sub semnul întrebării valabilitatea rezultatelor. Cu toate acestea, în 2015 a fost realizat primul experiment fără lacune, ceea ce a determinat cu certitudine o mare clasă de teorii ale realismului local.

Lucrarea lui Bell a pus pe tapet posibilitatea folosirii acestor corelații super-puternice ca o resursă pentru comunicare. Aceasta a condus la descoperirea protocoalelor de distribuție a cheilor cuantice, celebrul BB84 de Charles H. Bennett și Gilles Brassard și E91 de Artur Ekert. Deși BB84 nu folosește inseparabilitatea, protocolul lui Ekert folosește încălcarea inegalității Bell ca dovadă a securității.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *