Fjernforbindelser? Udfiltring af sammenfiltring i kvantefysik

kvantecomputere, kvantekryptografi og kvante (indsæt navn her) er ofte i nyhederne i disse dage. Artikler om dem henviser uundgåeligt til sammenfiltring , en egenskab ved kvantefysikken, der gør alle disse magiske enheder mulige.

Einstein kaldte sammenfiltring "uhyggelig handling på afstand, "et navn, der er blevet stadig mere populært. Ud over at bygge bedre kvantecomputere, forståelse og udnyttelse af sammenfiltring er også nyttig på andre måder.

For eksempel, det kan bruges til at foretage mere nøjagtige målinger af gravitationsbølger, og for bedre at forstå eksotiske materialers egenskaber. Det viser sig også subtilt andre steder:Jeg har studeret, hvordan atomer, der støder ind i hinanden, bliver viklet ind, at forstå, hvordan dette påvirker nøjagtigheden af ​​atomure.

Men hvad er sammenfiltring? Er der en måde at forstå dette "uhyggelige" fænomen på? Jeg vil forsøge at forklare det ved at samle to begreber fra fysikken:bevarelseslove og kvantesuperpositioner.

Fredningslove

Bevaringslove er nogle af de dybeste og mest gennemgående begreber i hele fysikken. Loven om bevarelse af energi siger, at den samlede mængde energi i et isoleret system forbliver fast (selvom den kan omdannes fra elektrisk energi til mekanisk energi til varme, og så videre). Denne lov ligger til grund for driften af ​​alle vores maskiner, uanset om det er dampmaskiner eller elbiler. Bevaringslove er en slags regnskabserklæring:du kan udveksle energistykker omkring, men det samlede beløb skal forblive det samme.

Bevarelse af momentum (momentum er masse gange hastighed) er grunden til, at når to skøjteløbere med forskellig masse skubber fra hinanden, den lettere bevæger sig hurtigere væk end den tungere. Denne lov ligger også til grund for den berømte påstand om, at "enhver handling har en lige og modsat reaktion." Bevaring af kantet momentum er grunden til – at gå tilbage til skøjteløbere igen – en hvirvlende kunstskøjteløber kan spinde hurtigere ved at trække armene tættere på kroppen.

Disse bevarelseslove er eksperimentelt blevet verificeret til at virke på tværs af en ekstraordinær række skalaer i universet, fra sorte huller i fjerne galakser helt ned til de mindste roterende elektroner.

Kvantetilsætning

Forestil dig selv på en dejlig vandretur gennem skoven. Du kommer til en skillevej, men du har svært ved at beslutte dig for, om du skal gå til venstre eller højre. Stien til venstre ser mørk og dyster ud, men er kendt for at føre til nogle flotte udsigter, mens den til højre ser solrig men stejl ud. Du beslutter dig endelig for at gå til højre, Længselsfuldt undrer sig over vejen ikke taget. I en kvanteverden, du kunne have valgt begge dele.

For systemer beskrevet af kvantemekanik (dvs. ting, der er tilstrækkeligt godt isoleret fra varme og eksterne forstyrrelser), reglerne er mere interessante. Som en snurretop, en elektron kan for eksempel være i en tilstand, hvor den drejer med uret, eller i en anden tilstand, hvor den drejer mod uret. I modsætning til en snurretop dog, det kan også være i en tilstand, dvs [spinning med uret] + [spinning mod uret] .

Kvantesystemernes tilstande kan lægges sammen og trækkes fra hinanden . Matematisk, reglerne for at kombinere kvantetilstande kan beskrives på samme måde som reglerne for at addere og subtrahere vektorer. Ordet for en sådan kombination af kvantetilstande er en superposition . Dette er virkelig, hvad der ligger bag mærkelige kvanteeffekter, som du måske har hørt om, såsom dobbeltspalte-eksperimentet, eller partikel-bølge dualitet.

Sig, at du beslutter dig for at tvinge en elektron ind i [spinning med uret] + [spinning mod uret] superpositionstilstand for at give et entydigt svar. Så ender elektronen tilfældigt enten i [snurrer med uret] stat eller i [snurrer mod uret] stat. Oddsene for det ene udfald kontra det andet er nemme at beregne (med en god fysikbog ved hånden). Den iboende tilfældighed i denne proces kan genere dig, hvis dit verdensbillede kræver, at universet opfører sig på en fuldstændig forudsigelig måde, men … det er det (eksperimentelt testet) vie .

Bevaringslove og kvantemekanik

Lad os sætte disse to ideer sammen nu, og anvende loven om bevarelse af energi på et par kvantepartikler.

Forestil dig et par kvantepartikler (f.eks. atomer), der starter med i alt 100 enheder energi. Du og din ven adskiller parret, tager en hver. Du opdager, at din har 40 enheder energi. Ved at bruge loven om energibevarelse, du udleder, at den, din ven har, skal have 60 enheder energi. Så snart du kender dit atoms energi, du kender straks også energien i din vens atom. Du ville vide dette, selvom din ven aldrig afslørede nogen information til dig. Og du ville vide det, selvom din ven var væk på den anden side af galaksen på det tidspunkt, hvor du målte dit atoms energi. Ikke noget uhyggeligt ved det (når du først indser, at dette kun er en sammenhæng, ikke årsagssammenhæng).

Men kvantetilstandene for et par atomer kan være mere interessante. Parrets energi kan opdeles på mange mulige måder (i overensstemmelse med energibesparelse, selvfølgelig). Den kombinerede tilstand af atomparret kan være i en superposition, for eksempel:

[dit atom:60 enheder; vens atom:40 enheder] + [dit atom:70 enheder; vens atom:30 enheder].

Dette er en indviklet tilstand af de to atomer. Hverken dit atom, heller ikke din vens, har en bestemt energi i denne superposition. Alligevel, egenskaberne for de to atomer er korreleret på grund af bevarelse af energi:deres energier summerer altid til 100 enheder.

For eksempel, hvis du måler dit atom og finder det i en tilstand med 70 enheder energi, du kan være sikker på, at din vens atom har 30 enheder energi. Du ville vide dette, selvom din ven aldrig afslørede nogen information til dig. Og takket være energibesparelser, du ville vide det, selvom din ven var væk på den anden side af galaksen.

Intet uhyggeligt ved det.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.