Elementarpartikler skiller sig ad med deres egenskaber

"Uhyggelig handling på afstand, "Einsteins summering af kvantefysik, har været en kritik af kvantemekanikken siden feltet opstod. Indtil nu, beskrivelser af sammenfiltrede partikler for at forklare deres tilsyneladende hurtigere end lys-reaktioner, og selv forklaringer på faseforskydningerne induceret af et elektromagnetisk felt i områder, hvor det er nul - "Aharonov-Bohm"-effekten - har for det meste adresseret disse bekymringer. Imidlertid, nyere teoretiske og eksperimentelle demonstrationer af en "kontrafaktisk" kvantekommunikationsprotokol har vist sig at være svær at forklare i form af fysisk årsag og virkning. I denne form for kvantekommunikation, observatører på hver side af en "transmissionskanal" udveksler information uden at nogen partikel passerer mellem dem - uhyggeligt.

Nu, Yakir Aharonov, Professor ved Tel Aviv University i Israel og Chapman University i USA, og Daniel Rohrlich, Professor ved Ben-Gurion University of the Negev i Israel, har kigget nærmere på denne såkaldte kontrafaktiske kvantekommunikationsprotokol med hensyn til bevarede partikelegenskaber. Deres analyse giver en forklaring på kontrafaktisk kvantekommunikation, der ikke kalder på "uhyggelig handling på afstand, " men indebærer i stedet, at partiklen og en af ​​dens bevarede egenskaber - modulært vinkelmoment - skilles.

Den uhyggelige kvanteprotokol

Den kontrafaktiske kvantekommunikationsprotokol, der blev rapporteret i 2013, opstod gennem teoretiske undersøgelser af to observatører – gode gamle Alice og Bob – der var i forbindelse via partikler langs en transmissionskanal, som rapporteret af Hatim Salih, Zheng Hong Li, Mohammad Al-Amri og Muhammad Suhail Zubairy (dengang ved National Center for Mathematics and Physics i Saudi-Arabien og Texas A&M University i USA).

"De blev meget interesserede i, at disse massive partikler, hvilket ville være signaler, kunne stoppes og blokeres, "forklarer Rohrlich. I deres analyse, Salih og medforfattere viste, at når der var to delvist blokerende barrierer i kanalen, Alice var i stand til at identificere, om Bob havde lukket sin ende af kanalen med et reflekterende spejl eller ladet den være åben. selvom bølgefunktionen, som den udviklede sig under de fastsatte betingelser, ikke kunne komme ind i Bobs ende af kanalen.

"Vi fandt det ekstremt interessant - muligheden for kommunikation uden at noget passerer mellem de to mennesker, der kommunikerer med hinanden, " siger Aharonov. "Og vi ville se, om vi kan forstå det bedre."

En konservativ tilgang

Faktisk, Aharonov har allerede en arv i fortolkninger af tilsyneladende mærkelige kvantefænomener, går tilbage til hans arbejde i 1959 for at forklare Aharonov-Bohm-effekten, undertiden omtalt som Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm-effekten som en anerkendelse af en teoretisk forudsigelse af effekten i 1949. Eksperimentelle forskere havde observeret et faseskift i ladede partikler nær et elektromagnetisk felt, selv om feltet var nul i hele regionen besat af partiklens bølgefunktion.

"Som regel, folk tænker kun på bølgefunktionen, " siger Aharonov, henviser til almindelige beskrivelser af superposition. "De tænker over det matematisk, men de forbinder det ikke med en bevaret mængde, som er det modulære momentum." Ved at analysere kvanteeffekter i form af udveksling af en bevaret variabel - det modulære momentum - var Aharonov og David Bohm i stand til at forklare Aharonov-Bohm-effekten. Nu, sammen med Rohrlich, han gik i gang med at anvende den samme slags analyse på den kontrafaktiske kvantekommunikationsprotokol.

Rohrlich og Aharonov overvejede to parallelle transmissionskanaler - en med Bobs ende lukket med et spejl og en med åben. (Dette svarer også til en enkelt transmissionskanal, hvor Bobs spejl er i en superposition af åben og lukket tilstand.) De betragter derefter en initial bølgefunktion i en superposition af tilstanden i den åbne kanal plus tilstanden i den lukkede kanal.

Problemet opstår pga. som Salih og medforfattere havde vist, bølgefunktionen udvikler sig forskelligt afhængigt af om Bobs ende er lukket eller ej. Som resultat, efter en vis periode er gået, superpositionen vil være tilstanden for den ene kanal minus tilstanden for den anden kanal, men det svarer til en anden fase end den oprindelige bølgefunktion. Da det modulære vinkelmomentum afhænger af fasen, tyder det på, at partiklens modulære vinkelmomentum har ændret sig, selvom partiklens bølgefunktion ikke kunne optage den del af kanalen, hvor Bob har sit spejl åbent eller lukket.

"Den eneste måde at forklare, hvordan vinkelmomentet ændrede sig, er, at en del af partiklens vinkelmomentum forlod det og gik til den anden side, " siger Aharonov. Som han og Rohrlich forklarer det, en del af vinkelmomentet forlader partiklen, kommer ind i det område af transmissionskanalen, som partiklens bølgefunktion ikke kan, og der, det absorberes af spejlet, så værdien af ​​det modulære vinkelmoment på partiklen ændres. De foreslår også, at lignende resultater kan resultere ved at overveje spin-vinkelmomentet og andre bevarede egenskaber.

Temperamentsfulde egenskaber

Aharonov og Rohrlich sammenligner partiklens opførsel og dens modulære vinkelmomentum med den grinende Cheshire-kat i "Alice's Adventures in Wonderland", "som ser ud til at gå videre, efterlader sit grin. "Selvom det er meget overraskende, at egenskaber kan forlade deres partikler, det er ikke så overraskende som at sige, at der ikke skete noget, og der var en effekt, " siger Aharonov, sammenligner deres forklaring med ideen om, at partiklen med dens egenskaber ikke møder noget, der kan ændre det modulære vinkelmomentum, men den ejendom ændrer sig alligevel.

Som alle nye koncepter, Aharonov og Rohrlichs forklaring er ikke uden kritik, enten. Rohrlich fremhæver det punkt, der blev rejst af en af ​​de (anonyme) fagfællebedømmere af papiret, som ikke desto mindre gav en samlet positiv vurdering af papiret. "De sagde, humoristisk, ja vi undgik et problem, men vi kom ind i et andet problem, "siger Rohrlich. Alligevel tilføjer han, "Hvis du taler om en kat og dens grin, det er meget mærkeligt, men selvfølgelig, alt dette skal oversættes tilbage til elementære partikler, og hvis en elementær partikel mister sit spin, fordi dens spin går et andet sted hen – er det måske noget, vi kan vænne os til."

© 2020 Science X Network