Что такое обвитие: Обвитие пуповиной

Квантовая запутанность и информация (Стэнфордская энциклопедия философии)

1.Квантовая запутанность

В 1935 и 1936 годах Шредингер опубликовал статью в двух частях в Труды Кембриджского философского общества , в которых он обсудил и расширил аргументы Эйнштейна, Подольского и Розен. Аргумент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) во многих отношениях был кульминацией критики Эйнштейном ортодоксального Копенгагенская интерпретация квантовой механики и была разработана для показать, что теория неполна. (См. Записи на Аргумент Эйнштейна-Подольского-Розена в квантовой теории и Копенгагенская интерпретация квантовой механики.) В классической механике состояние системы — это, по сути, список свойства системы — точнее, это спецификация набора параметров, из которых список свойств можно восстановить: положения и импульсы всех частиц составляющие систему (или аналогичные параметры в случае полей). Динамика теории определяет, как свойства изменяются с точки зрения закон эволюции государства. В письме Максу Борну Вольфганг Паули охарактеризовал этот способ описания физических систем как Идеализация «стороннего наблюдателя» (см. The Письма Борна-Эйнштейна , Дата рождения, 1992; п.218). На Копенгагене интерпретации, такое описание невозможно для квантовой системы. Вместо этого следует понимать квантовое состояние системы. как каталог того, что наблюдатель сделал с системой и что наблюдалось, и тогда смысл государства заключается в вероятности, которые можно вывести (с точки зрения теории) для результаты возможных будущих наблюдений за системой. Эйнштейн отверг эту точку зрения и предложил ряд аргументов, чтобы показать, что квантовое состояние — это просто неполная характеристика квантового система.Отсутствующие параметры иногда называют «Скрытые параметры» или «скрытые переменные».

Не следует полагать, что представление Эйнштейна о полном теория включала требование, чтобы теория детерминированный. Скорее, он требовал определенных условий отделимости. и место для составных систем, состоящих из отдельных компонентов системы: каждая компонентная система в отдельности должна характеризоваться свои собственные свойства (свое собственное «бытие-таким», как выразился Эйнштейн it — «So-sein» по-немецки), и это должно быть невозможно мгновенно изменить свойства удаленной системы (или вероятности этих свойств), воздействуя на локальный система.В более поздних анализах, особенно в аргументации Белла в пользу нелокальности квантовых корреляций, стало очевидно, что эти условия, подходящим образом сформулированные как вероятностные ограничения, следующие: эквивалентно требованию, чтобы статистические корреляции между разделенные системы должны быть сведены к распределениям вероятностей по общим причинам (детерминированным или стохастическим) в смысле Райхенбах. (См. Записи на Теорема Белла и Принцип общего дела Райхенбаха.)

В исходной статье ЭПР две частицы получены из источника. в определенном «чистом» квантовом состоянии составной системы (состояние, которое нельзя выразить как смесь или вероятность распределения других чистых квантовых состояний и не сводится к чистое квантовое состояние каждой частицы в отдельности).После частиц разойтись, есть «совпадающие» корреляции между обоими положения двух частиц и их импульсы: измерение либо положение, либо импульс конкретной частицы позволят предсказание, с уверенностью, результата измерения местоположения или измерение импульса, соответственно, на другой частице. Эти измерения являются взаимоисключающими: либо измерение положения может или измерение импульса, но не то и другое одновременно. Последующее измерение импульса, скажем, после установления корреляция позиций, больше не будет давать никакой корреляции в импульсы двух частиц.Это как если бы измерение положения нарушает корреляцию между значениями импульса и наоборот. Помимо этой особенности, что можно наблюдать любую корреляцию, но не для одной и той же пары квантовых частиц, положение и импульсные корреляции для квантовых частиц точно такие же, как классические корреляции между двумя бильярдными шарами после столкновения. Классические корреляции можно объяснить общей причиной или коррелированных «элементов реальности». Аргумент EPR состоит в том, что квантовая механика неполна, потому что эти общие причины или элементы реальности не включены в описание квантового состояния.

Вот как Шредингер загадал загадку в первой части своего статья из двух частей (Schrödinger, 1935; с. 559):

Но поскольку я могу предсказать либо \ (x_1 \), либо \ (p_1 \) без вмешиваясь в систему № 1, и поскольку система № 1, как и ученый на экзамене, не может знать, какой из двух вопросы, которые я собираюсь задать в первую очередь: похоже, что наш ученый готов дать правильный ответ на первый вопрос , который он спросил, так или иначе .Следовательно, он должен знать оба ответа; который потрясающие знания; совершенно независимо от того, что после того, как давая свой первый ответ, наш ученый неизменно так смущается или устал, что все следующие ответы «неверны».

Шредингер показал, что если две частицы приготовлены в квантовое состояние ЭПР, в котором существует согласованная корреляция между две «канонически сопряженные» динамические величины (такие величины, как позиция и импульс, значений которых достаточно, чтобы указать все свойства классической системы), то существует бесконечно много динамических величин двух частиц, для которых существует аналогичные корреляции соответствия: каждая функция канонически сопряженная пара первой частицы совпадает с той же функцией канонически сопряженная пара второй частицы.Так (Шредингер, стр. 559) система № 1 «не только знает эти два ответа, но огромное количество других, и это без какая бы то ни было мнемотехническая помощь, по крайней мере, с той, которую мы знаем оф. ’

Шредингер ввел термин «запутанность» для описать эту своеобразную связь между квантовыми системами (Шредингер, 1935; с. 555):

Когда две системы, состояния которых мы знаем по их соответствующим представители, вступают во временное физическое взаимодействие из-за известные силы между ними, и когда после времени взаимного влияния системы снова разделяются, тогда они больше не могут быть описаны в так же, как и раньше, а именно.наделяя каждого из них представитель собственного. Я бы не назвал это один , но скорее характерная черта квантовой механики, та это приводит к полному отходу от классических взглядов. По взаимодействие двух представителей [квантовых состояний] запутаться.

Он добавил (Шредингер, 1935; с. 555):

Другой способ выразить особую ситуацию: как можно лучше знание в целом не обязательно включает в себя лучшее возможно знание всех его частей, даже если они могут быть полностью отделены друг от друга и, следовательно, фактически могут быть «лучшими возможно известно, ‘i.е. обладать каждым из них представитель собственного. Отсутствие знаний никоим образом не связано с взаимодействие недостаточно известно — по крайней мере, не в таким образом, чтобы это могло быть известно более полно — это связано с к самому взаимодействию.

Недавно было обращено внимание на очевидные, но очень обескураживающий факт, что даже если мы ограничиваем распутывание измерений до одна система , представитель, полученный для другая система никоим образом не является независимой от конкретного выбор наблюдений, которые мы выбираем для этой цели и которые путь целиком произвольный.Это довольно неприятно что теория должна позволять управлять системой или пилотировать ее в тот или иной тип состояния во власти экспериментатора в несмотря на то, что у него не было доступа к нему.

Во второй части статьи Шредингер показал, что экспериментатор, подходящим выбором операций, выполняемых на одном член запутанной пары, возможно, используя дополнительные «Вспомогательные» или вспомогательные частицы могут «управлять» вторую систему в выбранную смесь квантовых состояний с распределение вероятностей, зависящее от запутанного состояния.В Вторая система не может быть переведена в конкретное квантовое состояние по прихоти экспериментатора, но для многих копий запутанных пары, экспериментатор может ограничить квантовое состояние второго система находится в выбранном наборе квантовых состояний, где эти состояния соотносятся с возможными результатами проведенных измерений на связанных парных системах или парных системах плюс вспомогательные компоненты. Он нашел этот вывод достаточно тревожным, чтобы предположить, что запутанность между двумя разделяющими системами будет сохраняться только в течение расстояния достаточно малы, чтобы время, необходимое свету, чтобы пройти от одного к другой системе можно было бы пренебречь, по сравнению с характерные периоды времени, связанные с другими изменениями в композитная система.Он предположил, что на больших расстояниях два системы могут фактически находиться в коррелированной смеси квантовых состояний определяется запутанным состоянием.

Большинство физиков приписывали загадочные особенности запутанного квантового заявляет Эйнштейну неуместным «отстраненным» взгляд наблюдателя на физическую теорию и считал ответ на аргумент EPR (Бор, 1935) как оправдание Копенгагенской интерпретация. Это было неудачно, потому что изучение запутанность игнорировалась в течение тридцати лет, пока Джон Белл пересмотр аргумента ЭПР (Bell, 1964).Белл посмотрел на запутанность в более простых системах, чем пример EPR: соответствие корреляции между двузначными динамическими величинами, такими как поляризация или спин двух разделенных систем в запутанном состоянии. Белл показал, что статистические корреляции между результаты измерения правильно выбранных различных величин на двух системах несовместимы с неравенством, выводимым из Предположения Эйнштейна об отделимости и локальности — в эффект от предположения, что корреляции имеют общую причину.Это неравенство теперь известно как неравенство Белла, и различные связанные неравенства могут быть выведены как необходимое условие для классические корреляции или корреляции по общей причине.

Расследование Белла вызвало непрекращающиеся дебаты по поводу основы квантовой механики. Одна важная особенность этой дискуссии было подтверждением того, что запутанность может сохраняться на больших расстояниях, таким образом опровергая предположение Шредингера о спонтанный распад запутанности при разделении двух запутанных частиц. (Запутывание фотонов в свободном пространстве подтверждено экспериментами. между Канарскими островами Ла Пальма и Тенерифе, расстояние 143 км.См. Herbst et al 2014.) Но так было только в 1980-х. что физики, информатики и криптологи начали рассматривать нелокальные корреляции запутанных квантовых состояний как новую неклассический физический ресурс, который можно использовать, а не затруднение для объяснения квантовой механики далеко. Для обсуждения запутанности — что это такое и почему концептуально озадачивает, и что с этим можно сделать, в том числе простой доказательство теоремы Белла — см. графический роман Совершенно случайно: почему никто не понимает квантовую механику (A Серьезный комикс о запутывании) , Bub and Bub 2018.Для дальнейшего обсуждение запутанности как физического ресурса, включая измерение запутанность, а также манипулирование и очищение запутанности с помощью местные операции, см. «Радость запутывания» Попеску и Рорлих в Lo, Popescu, and Spiller 1998, Nielsen and Chuang 2000, или Bub 2016.

2. Использование запутанности: квантовая телепортация

Рассмотрим еще раз осознание Шредингером того, что запутанный состояние может использоваться, чтобы направить удаленную частицу в одну из множества состояния, с определенной вероятностью.Фактически, эта возможность «Дистанционное управление» еще более драматично, чем Шредингер продемонстрировал. Предположим, что Алиса и Боб разделяют запутанное чистое состояние, которое рассматривал Белл, скажем, два фотона в запутанном состоянии поляризации, когда в Алисе есть обладает одним из запутанных фотонов, а Боб — вторым парным фотон. Предположим, что Алиса получает дополнительный фотон в неизвестном состояние поляризации \ (\ ket {u} \), где обозначение ‘\ (\ ket {\ } \) ’Обозначает квантовое состояние. Алиса может выполнить операцию над двумя имеющимися у нее фотонами, преобразовать фотон Боба в одно из четырех состояний в зависимости от четыре возможных (случайных) результата операции Алисы: либо состояние \ (\ ket {u} \) или состояние, связанное с \ (\ ket {u} \) в определенный путь.*} \) в \ (\ ket {u} \) локальной операцией. Это явление известно как «квантовая телепортация». процедура телепортации состояние \ (\ ket {u} \) остается неизвестным для и Алиса, и Боб.

Что необычно в этом явлении, так это то, что Алиса и Боб удалось использовать их общее запутанное состояние в качестве квантовой коммуникации канал для разрушения состояния \ (\ ket {u} \) фотона в часть вселенной и воссоздайте ее в части Боба Вселенная. Поскольку состояние линейной поляризации фотона требует указание направления в пространстве (значение угла, которое может меняться непрерывно), без общего запутанного состояния Алисе пришлось бы передать Бобу бесконечное количество классической информации, чтобы Боб мог уметь точно восстановить состояние \ (\ ket {u} \).Количество классическая информация, связанная с двоичной альтернативой, представлен как 0 или 1, где каждая альтернатива имеет равную вероятность, — одна двоичная цифра или «бит». Чтобы указать произвольный Угол как десятичный требует бесконечной последовательности цифр от 0 и 9, или бесконечная последовательность нулей и единиц в двоичной системе счисления. В результат операции Алисы, который имеет четыре возможных результата с равной вероятностью 1/4, может задаваться двумя битами классическая информация. Примечательно, что Боб может восстановить состояние \ (\ ket {u} \) на основе всего двух бит классической информации сообщается Алисой, очевидно, используя запутанное состояние как квантовый канал связи для передачи оставшейся информации.Для дальнейшего обсуждения квантовой телепортации см. Nielsen and Чуанг 2000, или статья Ричарда Джосы «Квантовая Информация и ее свойства »в Lo, Popescu и Spiller 1998.

3. Квантовая информация

Формально количество классической информации, которую мы получаем в среднем, составляет когда мы узнаем значение случайной величины (или, что то же самое, степень неопределенности в значении случайной величины до того, как мы узнать его значение) представлен величиной, называемой Шеннон энтропия, измеряемая в битах (Шеннон и Уивер, 1949).Случайный переменная определяется распределением вероятностей по набору значения. В случае двоичной случайной величины с равным вероятность для каждой из двух возможностей, энтропия Шеннона равна один бит, представляющий максимальную неопределенность. Для всех остальных вероятностей — интуитивно, представляя некоторую информацию, о которой альтернатива более вероятна — энтропия Шеннона меньше один. В случае максимального знания или нулевой неопределенности относительно альтернативы, где вероятности равны 0 и 1, энтропия Шеннона равно нулю.(Обратите внимание, что термин «бит» используется для обозначения базовая единица классической информации в терминах энтропии Шеннона, и к элементарной классической системе с двумя состояниями, рассматриваемой как представляющая возможные выводы элементарной классической информации источник.)

Поскольку информация всегда воплощается в состоянии физического системы, мы также можем рассматривать энтропию Шеннона как количественную оценку физические ресурсы, необходимые для хранения классической информации. Предполагать Алиса хочет передать Бобу некоторую классическую информацию по классический канал связи, например, телефонная линия.Соответствующий вопрос касается степени сжатия сообщения без потери информации, чтобы Боб мог восстановить исходный сообщение точно из сжатой версии. В соответствии с Теорема кодирования источника Шеннона или теорема бесшумного кодирования (при условии наличия бесшумной телефонной линии без потери информации), минимальный физический ресурс, необходимый для представления сообщения (по сути, нижняя граница возможности сжатия) равна задается энтропией Шеннона источника.

Что произойдет, если мы будем использовать квантовые состояния физических систем для хранения информация, а не классические государства? Оказывается, квантовый информация кардинально отличается от классической информации. В единицей квантовой информации является «кубит», представляющий количество квантовой информации, которая может храниться в состоянии простейшая квантовая система, например, состояние поляризации фотон. Этот термин принадлежит Шумахеру (1995), который доказал квантовую аналог теоремы Шеннона о бесшумном кодировании.(По аналогии с термин «бит», термин «кубит» относится к базовая единица квантовой информации в терминах энтропии фон Неймана, и элементарной квантовой системе с двумя состояниями, рассматриваемой как представляющие возможные выходы элементарной квантовой информации источник.) Произвольно большой объем классической информации может быть закодирован в кубите. Эта информация может быть обработана и передана но из-за особенностей квантового измерения не более одного бит доступен. Согласно теореме Холево доступное информация в распределении вероятностей по набору альтернативных состояния кубита ограничены энтропией фон Неймана, которая равна энтропия Шеннона только тогда, когда состояния ортогональны в пространстве квантовых состояний, а в остальном меньше энтропии Шеннона.

В то время как классическая информация может быть скопирована или клонирована, квантовая Теорема об отсутствии клонирования (Dieks, 1982; Wootters and Zurek, 1982) утверждает невозможность клонирования неизвестного квантового состояния. Чтобы понять, почему, рассмотрим, как мы могли бы построить классическое копирование. устройство. Элемент НЕ — это устройство, которое принимает на вход бит и производит на выходе либо 1, если на входе 0, либо 0, если на входе 1. В другими словами, вентиль НЕ — это 1-битный вентиль, который переворачивает входной бит. А вентиль с управляемым НЕ, или вентиль CNOT, принимает два бита в качестве входных данных. бит и целевой бит, и переворачивает целевой бит тогда и только тогда, когда управляющий бит равен 1, при воспроизведении управляющего бита.Итак, есть два входы, управление и цель, и два выхода: управление и либо цель, либо перевернутая цель, в зависимости от значения контроль. Вентиль CNOT функционирует как копирующее устройство для управляющего бита. если целевой бит установлен в 0, потому что выход целевого бита затем копия управляющего бита: вход 00 производит выход 00, а вход 10 производит выход 11 (здесь первый бит — это управление и второй бит — цель). Поскольку мы можем думать о измерение как простая операция копирования, ворота CNOT являются парадигмой классического измерительного прибора.Представьте, что Алиса оснащена такой прибор, с вводом и выводом управления и целевыми проводами, измеряющий свойства неизвестного классического мира. Провод управления вводом — это проверить наличие или отсутствие свойства, представленного цифрой 1 или a 0. Целевой провод функционирует как указатель, который изначально установлен до 0. Результатом будет 1 или 0, в зависимости от наличие или отсутствие собственности.

Предположим, мы пытаемся использовать вентиль CNOT для копирования неизвестного состояния кубита.Поскольку теперь мы предлагаем рассматривать ворота CNOT как устройство для обработка квантовых состояний, эволюция от входных состояний к выходным состояния должны осуществляться посредством физического квантового преобразования. Квантовый преобразования линейны на линейном пространстве состояний кубитов. Линейность пространства состояний означает, что любая сумма или суперпозиция с коэффициентами \ (c_0, c_1 \) двух состояний кубита в пространство состояний также является состоянием кубита в пространстве состояний. Линейность преобразование требует, чтобы преобразование принимало состояние кубита, представленное суммой двух состояний кубита для нового состояние кубита, которое представляет собой сумму преобразованных состояний кубита.Если Шлюз CNOT успешно копирует два ортогональных состояния кубита, представленные как \ (\ ket {0}, \ ket {1} \), ему не удается скопировать общий линейный суперпозиция этих кубитов. Поскольку вентиль функционирует линейно, он должен вместо этого произвести состояние, которое является линейной суперпозицией выходы, полученные для двух ортогональных состояний кубита. То есть, выход ворот будет представлен квантовым состоянием, которое сумма двух членов, где первый член представляет собой результат контроль и цель для первого состояния кубита, а второй член представляет собой результат управления и цель для второго ортогональное состояние кубита.Это можно выразить как \ (c_0 \ ket {0} \ ket {0} \) + \ (c_1 \ ket {1} \ ket {1} \), которое является запутанным состоянием (если \ (c_0 \) или \ (c_1 \) не равно нулю), а не результат, который требоваться для успешной операции копирования (где элементы управления и target, каждый выводит состояние суперпозиции кубита \ (c_0 \ ket {0} \) + \ (c_1 \ ket {1} \)).

4. Квантовая криптография

Предположим, Алиса и Боб разделены и хотят сообщить секрет. сообщение, не раскрывая никакой информации Еве, подслушивающей.Они могут сделать это в классическом мире, если поделятся «одноразовым pad, ’криптографический ключ, представленный последовательностью случайных бит, по крайней мере, до тех пор, пока количество битов, необходимых для связи сообщение. Фактически, это единственный безопасный способ добиться идеального безопасность в классическом мире. Чтобы отправить сообщение Бобу, Алиса сообщает, какие биты в ключе Боб должен перевернуть. Результирующий Последовательность битов — это сообщение. Кроме того, им потребуется некоторый способ кодирования сообщений как последовательностей битов, представляя буквы алфавита и пробелы и знаки препинания как двоичные числа, которые могут быть выполнены по какому-либо стандарту, общедоступному схема.

Проблема в том, что сообщения, передаваемые таким образом, являются только секретными. если Алиса и Боб используют разные одноразовые блокноты для каждого сообщения. Если они используют один и тот же одноразовый блокнот для нескольких сообщений, Ева могла бы получить некоторая информация о переписке между письмами алфавит и подпоследовательности битов в ключе путем соотнесения статистических особенности сообщений к способу составления слов из букв. К поделиться новым ключом, им придется полагаться на доверенных курьеров или кого-то аналогичный метод распространения ключа.Нет возможности гарантировать безопасность процедуры раздачи ключей в классическом мире.

Копирование ключа без раскрытия того, что он был скопирован, также является проблема для общего ключа, который Алиса и Боб хранят в каком-то якобы безопасный способ. Но законы физики в классическом мире не может гарантировать, что процедура хранения полностью безопасна, и они не могут гарантировать, что нарушение безопасности и копирование ключа всегда будет обнаружен. Итак, помимо проблемы распределения ключей, есть проблема с хранением ключей.

Квантовая запутанность позволяет решить эти проблемы с помощью «моногамия» взаимосвязанных государственных корреляций: нет третьего party может разделять корреляции запутанности между Алисой и Бобом. Более того, любая попытка Евы измерить квантовые системы в запутанное состояние, разделяемое Алисой и Бобом, разрушит запутанный состояние. Алиса и Боб могут обнаружить это, проверив колокольчик. неравенство.

Один из способов сделать это — протокол, первоначально предложенный Артуром. Экерт. Предположим, у Алисы есть набор фотонов, по одному на каждый. запутанная пара в состоянии \ (\ ket {0} \ ket {0} + \ ket {1} \ ket {1} \) (для простоты игнорируя равные коэффициенты), а Боб имеет сбор парных фотонов.Алиса измеряет поляризацию своей фотоны случайным образом в направлениях, \ (0, \ pi / 8, 2 \ pi / 8 \) относительно какое-то направление \ (z \), о котором они договариваются заранее, и Боб измеряет поляризации его фотонов случайным образом в направлениях \ (\ pi / 8, 2 \ pi / 8, 3 \ пи / 8 \). Они сообщают направления своей поляризации измерения публично, но не результаты, и они разделяют измерения в два набора: один набор, когда они оба измеряли поляризация в направлении \ (\ pi / 8 \), или когда они оба измеряли поляризация в направлении \ (2 \ pi / 8 \), и один набор, когда Алиса измеренная поляризация в направлениях \ (0 \) или \ (2 \ pi / 8 \) и Боб измеренная поляризация в направлениях \ (\ pi / 8 \) или \ (3 \ pi / 8 \).Для первый набор, когда они измерили поляризацию в одном и том же направлении, результаты случайны, но идеально коррелируют в запутанных состояние, поэтому они используют эти случайные биты в качестве криптографического ключа. Они используют второй набор для проверки неравенства Белла, которое показывает, не запутанное состояние было изменено измерениями подслушивающий. (См. Ekert, 1991.)

Хотя разница между классической и квантовой информацией может быть используются для успешного распределения ключей, есть и другие криптографические протоколы, которым мешает квантовая запутанность.Немного обязательство — это ключевой криптографический протокол, который можно использовать в качестве подпрограмма в различных важных криптографических задачах. Через немного протокол фиксации, Алиса передает закодированный бит Бобу. В информации, доступной в кодировке, должно быть недостаточно для Боба для определения значения бита, но достаточного вместе с дополнительная информация (предоставленная Алисой на следующем этапе, когда она должен раскрыть значение бита), чтобы Боб убедился что протокол не позволяет Алисе обманывать, кодируя бит в способ, который дает ей возможность по своему желанию показывать 0 или 1.

Чтобы проиллюстрировать идею, предположим, что Алиса заявляет о своей способности предсказывать рост или падение на фондовом рынке на ежедневной основе. К обосновать свое утверждение, не раскрывая ценной информации (возможно, потенциальному работодателю Бобу) она предлагает следующее демонстрация: она предлагает записать свой прогноз до рынок открывается, записывая 0 (для «снижения») или 1 (для «Продвижение») на листе бумаги, который она зафиксирует безопасно. Сейф будет передан Бобу, а ключ останется у Алисы.В в конце торгового дня она объявит, что она выбрала и докажите, что она действительно взяла на себя обязательство раньше время, передавая Бобу ключ. Конечно, протокол с ключом и безопасностью не доказуемо защищен от обмана со стороны Боба, потому что нет принцип классической физики, который не позволяет Бобу открыть безопасный и закрывающий его снова, не оставляя следов. Вопрос в том существует ли квантовый аналог этой процедуры, безоговорочно безопасный: доказуемо защищенный законами физики от обман Алисы или Боба.Боб может жульничать, если он может получить около информации об обязательствах Алисы перед тем, как она раскрывает это (что дало бы ему преимущество в повторении протокол с Алисой). Алиса может жульничать, если она может отложить на самом деле обязательство до последней стадии, когда от нее требуется раскрыть ее обязательство, или если она может изменить свое обязательство на заключительном этапе с очень низкой вероятностью обнаружения.

Оказывается, что безоговорочно безопасное двухстороннее обязательство по битам, основанный исключительно на принципах квантовой или классической механики (без использования специальных релятивистских ограничений сигнализации или принципы общей теории относительности или термодинамики) невозможно.Видеть Mayers 1997, Lo and Chau 1997 и статья Ло «Quantum Криптология »в Lo, Popescu, and Spiller 1998 для дальнейшего обсуждение. (Kent 1999 показал, что можно реализовать безопасный классический протокол передачи битов с использованием релятивистской сигнализации ограничения во временной последовательности сообщений между проверяемым разделенные сайты для Алисы и Боба.) Грубо говоря, невозможность возникает потому, что на любом этапе протокола, когда Алиса или Боб требуется, чтобы сделать однозначный выбор (выполнить измерение на частицы в квантовом канале, выберите случайным образом и, возможно, условно между набором альтернативных действий, которые должны быть реализованы на частицу в квантовом канале и т. д.) выбор может отложиться путем запутывания одной или нескольких вспомогательных частиц с канальной частицей соответствующим образом. Путем соответствующих операций с вспомогательными элементами канальную частицу можно «направить» так, чтобы этот обман стратегия необнаружима. Фактически, если Боб не может получить информацию о зафиксированном бите, то запутанность позволит Алисе «Установите» бит на 0 или 1 по желанию.

5. Квантовые вычисления

Квантовая информация поддается обработке, но доступность этого информация ограничена границей Холево (упомянутой в разделе 3).Дэвид Дойч (1985) впервые показал, как использовать квантовую запутанность. выполнить вычислительную задачу, невозможную для классического компьютер. Предположим, у нас есть черный ящик или оракул, который оценивает Логическая функция \ (f \), где аргументы или входы \ (f \) являются либо 0, либо 1, и значения или выходы \ (f \) также равны 0 или 1. выходы одинаковы для обоих входов (в этом случае \ (f \) считается постоянным) или разными для двух входов (в этом случае \ (f \) называется сбалансированным).Предположим, нас интересует определение того, является ли \ (f \) постоянным или сбалансированным. Классически единственный способ сделать это — запустить черный ящик или дважды запросить оракул, для обоих аргументов 0 и 1, и для передачи значений (выходы \ (f \)) к схеме, которая определяет, являются ли они одинаковыми (для «Постоянный») или разный (для «сбалансированный»). Дойч показал, что если мы используем квантовые состояния и квантовые вентили для хранить и обрабатывать информацию, тогда мы можем определить, является ли \ (f \) постоянная или сбалансированная в одной оценке функции \ (f \).В трюк состоит в том, чтобы спроектировать схему (последовательность ворот) для получения ответ на вопрос global о функции в выходных данных регистр кубитов, который затем можно считать или измерить.

Снова рассмотрим квантовый вентиль CNOT с двумя ортогональными кубитами \ (\ ket {0} \) и \ (\ ket {1} \) в качестве возможных входов для управления, и \ (\ ket {0} \) в качестве входных данных для цели. Можно думать о вводе управляют и выводят целевые кубиты, соответственно, в качестве аргумента и связанное значение функции.Эта функция CNOT связывает значение 0 с аргументом 0 и значение 1 с аргументом 1. Для линейная суперпозиция ортогональных кубитов с равными коэффициентами в качестве входных данных для элемента управления, а кубит \ (\ ket {0} \) — в качестве входных данных для цель, на выходе будет запутанное состояние \ (\ ket {0} \ ket {0} \) + \ (\ ket {1} \ ket {1} \) (без учета коэффициентов для простоты). Этот представляет собой линейную суперпозицию, в которой первый член представляет собой аргумент 0 и связанное с ним значение 0 функции CNOT, а второе термин представляет аргумент 1 и связанное с ним значение 1 CNOT функция.Запутанное состояние представляет все возможные аргументы и соответствующие значения функции в виде линейной суперпозиции, но эта информация недоступна. Что можно показать доступной, при подходящем выборе квантовых вентилей, является информация о том, имеет ли функция определенные глобальные свойства. Этот информацию можно получить без чтения оценки каких-либо индивидуальные аргументы и ценности. (Действительно, доступ к информации в запутанное состояние глобального свойства функции обычно требовать потерять доступ ко всей информации об отдельных аргументах и ценности.)

Аналогичная ситуация и с функцией Дойча \ (f \). Здесь вывод \ (f \) может быть представлен как \ (\ ket {0} \ ket {0} + \ ket {1} \ ket {0} \) или \ (\ ket {0} \ ket {1} + \ ket {1} \ ket {1} \) в «Постоянный» регистр или \ (\ ket {0} \ ket {0} + \ ket {1} \ ket {1} \) или \ (\ ket {0} \ ket {1} + \ ket {1} \ ket {0} \) в «сбалансированном» кейс. Два запутанных состояния в «постоянном» случае таковы: ортогональны в 4-мерном двухкубитном пространстве состояний и охватывают самолет. Назовите это «постоянной» плоскостью. Точно так же два запутанные состояния в «сбалансированном» случае охватывают плоскость, «Сбалансированный» самолет.Эти два самолета, представляющие два альтернативные квантовые дизъюнкции ортогональны, за исключением пересечение или перекрытие линии, представляющей продукт (незапутанное) состояние, где каждый кубит в отдельности находится в состоянии \ (\ ket {0} + \ ket {1} \). Следовательно, можно спроектировать измерение для различения двух альтернативных дизъюнктивных или глобальных свойства \ (f \), «постоянный» или «сбалансированный», с определенной вероятностью (фактически 1/2) отказа, когда измерение дает результат, соответствующий состоянию перекрытия, что является общим для двух случаев.Тем не менее, только один запрос из функция требуется, когда при измерении удается идентифицировать глобальная собственность. При разумном выборе квантовых вентилей это даже можно спроектировать квантовую схему, которая всегда преуспевает в различение двух случаев за один прогон.

Пример Дойча показывает, как квантовая информация и квантовая запутанность можно использовать для вычисления дизъюнктивного или глобального свойство функции за один шаг, которое может занять два шага классически. Хотя проблема Дойча довольно тривиальна, сейчас существует несколько квантовых алгоритмов с интересными приложениями, особенно алгоритм факторизации Шора для факторинга больших составные целые числа за полиномиальное время (с прямым применением к Криптография с «открытым ключом», широко распространенная классическая криптографическая схема) и алгоритм поиска в базе данных Гровера.Алгоритм Шора достигает экспоненциального ускорения по сравнению с любыми известный классический алгоритм. Для алгоритмов, которым разрешен доступ оракулам (внутренняя структура которых не рассматривается) ускорение можно показать экспоненциально по сравнению с любым классическим алгоритмом в некоторых случаях, например, алгоритм Саймона. Увидеть Нильсена и Чуанга 2000 г., статья Баренко «Квантовые вычисления: Введение »в Lo, Popescu, and Spiller 1998, Bub 2006 (Раздел 6), а также запись о квантовые вычисления.п \) \ (n \) — состояния кубита. В классической механике нет запутанных утверждает: общая \ (n \) — битная составная система может быть описана с помощью просто в \ (n \) раз больше количества информации, необходимого для описания однобитовая система. Итак, классическое моделирование квантового процесса приведет к экспоненциальному увеличению классического информационного ресурс, необходимый для представления квантового состояния, как количество кубиты, запутанные в процессе эволюции, линейно растут, и было бы соответствующее экспоненциальное замедление в вычислении эволюции, по сравнению с реальными квантовыми вычислениями, выполняемыми система.

6. Пояснительные примечания

Дойч (1997) утверждал, что экспоненциальное ускорение квантовой вычисление, и вообще способ обработки квантовой системы информация, может быть правильно понята только в рамках «Многомировая» интерпретация Эверетта (см. записи на Формулировка относительного состояния квантовой механики Эверетта и многомировая интерпретация квантовой механики). Идея, грубо говоря, заключается в том, что возникающее запутанное состояние в квантовом вычислении функции, которая представляет собой линейную суперпозиция по всем возможным аргументам и соответствующим значениям функцию, следует понимать как что-то вроде массового параллельное классическое вычисление для всех возможных значений функции, в параллельных мирах.За проницательную критику этой идеи «Квантовый параллелизм» в качестве объяснения см. Steane 2003.

Альтернативный взгляд подчеркивает небулеву структуру свойств. квантовых систем. Свойства классической системы образуют Булева алгебра, по сути, абстрактная характеристика теоретико-множественная структура. Это отражено в логическом характере классическая логика и логические вентили в классическом компьютере. Из с этой точки зрения картина совершенно иная.Скорее, чем «Вычисление всех значений функции одновременно», квант алгоритм достигает экспоненциального ускорения по сравнению с классическим алгоритмом вычисляя ответ на дизъюнктивный или глобальный вопрос о функция (например, является ли логическая функция постоянной или сбалансированной) без вычисления избыточной информации (например, выходные значения для различные входы в функцию). Решающее различие между квантовая и классическая информация — это возможность выбора исключительная дизъюнкция, представляющая глобальное свойство функции, среди альтернативных возможных дизъюнкций — например, «Постоянная» дизъюнкция, утверждающая, что значение функция (для обоих аргументов) 0 или 1, или «Сбалансированная» дизъюнкция, утверждающая, что ценность функция (для обоих аргументов) такая же, как аргумент или отличается от аргумента — без определения истины значения дизъюнктов.

Классически исключительная дизъюнкция истинна тогда и только тогда, когда одно из дизъюнкты верно. Квантовая схема Дойча достигает своей ускорение за счет использования небулевой структуры квантовых свойств эффективно различать два дизъюнктивных свойства без определение значений истинности соответствующих дизъюнктов (представляющих связь отдельных входов с функцией с соответствующие выходы). Смысл процедуры — избежать оценка функции для конкретных входов при определении глобальное свойство, и именно эта функция — невозможна в Булева логика классических вычислений — что приводит к ускорение по сравнению с классическими алгоритмами.(Для квантовой логики нет особенно в отношении квантовых вычислений, см. запись на квантовая логика и квантовая вероятность).

Некоторые исследователи в области квантовой информации и квантовых вычислений выступал за теоретико-информационную интерпретацию квантового механика. В своей обзорной статье о квантовых вычислениях Эндрю Стейн (1998, с. 119) делает следующее замечание:

Исторически сложилось так, что большая часть фундаментальной физики была связана с открытие фундаментальных частиц природы и уравнений которые описывают их движения и взаимодействия.Теперь выясняется, что разные программы могут быть одинаково важны: открывать пути что природа позволяет и препятствует выражению информации и манипулируют, а не движутся частицы.

Стеан завершает свой обзор следующим радикальным предложением (1998 г., стр. п. 171):

В заключение я хотел бы предложить более широкий теоретическая задача: прийти к набору принципов, таких как энергия и сохранение импульса, но которые применяются к информации, и из которых многое из квантовой механики может быть получено.Два теста таких идей будет ли корреляция ЭПР-Белла таким образом прозрачной, и сделали ли они очевидным правильное использование таких терминов, как «Измерение» и «знание».

В рамках так называемого «Обобщенные теории вероятностей» или «Boxworld» по проблеме того, что теоретико-информационное ограничения в классе теорий «отсутствия сигналов» будут характеризуют квантовые теории. См. Brassard 2005, van Dam 2005, Скшипчик, Бруннер и Попеску 2009, Павловски и др. .2009 г., Оллкок и др. . 2009, Navascues and Wunderlich 2009), Аль-Сафи и Шорт, 2013 г., и Раманатан, и др., . для интересные результаты в этом направлении. Чирибелла и Спеккенс 2016 — это сборник статей по материалам конференции на Периметре Институт теоретической физики в Ватерлоо, Канада, о новых исследованиях на стыке квантовых основ и квантовой информации. Видеть Fuchs 2014 за обсуждение QBism, радикально субъективное теоретико-информационная перспектива.

Суперпозиция и запутанность

Суперпозиция

Одним из свойств, которое отличает кубит от классического бита, является то, что он может находиться в суперпозиции. Суперпозиция — один из фундаментальных принципов квантовой механики. В классической физике волну, описывающую музыкальный тон, можно рассматривать как несколько волн с разными частотами, которые складываются и накладываются друг на друга. Точно так же квантовое состояние в суперпозиции можно рассматривать как линейную комбинацию других различных квантовых состояний.Это квантовое состояние в суперпозиции образует новое действительное квантовое состояние.

Типичным примером визуализации суперпозиции является эксперимент с двумя щелями. Этот эксперимент объясняется в следующем видео:

Кубиты могут находиться в суперпозиции базисных состояний ∣0⟩ \ left \ lvert 0 \ right \ rangle∣0⟩ и ∣1⟩ \ left \ lvert 1 \ right \ rangle∣1⟩. Когда кубит измеряется (точнее: измеряются только наблюдаемые), кубит схлопывается до одного из своих собственных состояний, и измеренное значение будет отражать это состояние.Например, когда кубит находится в состоянии суперпозиции с равными весами, измерение заставит его коллапсировать в одно из двух своих базовых состояний ∣0⟩ \ left \ lvert 0 \ right \ rangle∣0⟩ и ∣1⟩ \ left \ lvert 1 \ right \ rangle∣1⟩ с равной вероятностью 50%. ∣0⟩ \ left \ lvert 0 \ right \ rangle∣0⟩ — это состояние, которое при измерении и, следовательно, свертывании всегда будет давать результат 0. Аналогично, ∣1⟩ \ left \ lvert 1 \ right \ rangle∣1⟩ всегда будет преобразовываться в 1.

Квантовая суперпозиция принципиально отличается от наложения классических волн.n2n состояния: от ∣000 … 0⟩ \ left \ lvert 000 … 0 \ right \ rangle∣000 … 0⟩ до ∣111 … 1⟩ \ left \ lvert 111 … 1 \ right \ rangle∣111 … 1⟩. Напротив, воспроизведение nnn музыкальных звуков с разными частотами может дать только суперпозицию nnn частот. Добавление классических волн масштабируется линейно, где суперпозиция квантовых состояний экспоненциальна.

Запутанность

Запутанность — одно из других противоречивых явлений квантовой физики. Пара или группа частиц запутываются, когда квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от квантового состояния другой частицы.Квантовое состояние системы в целом можно описать; он находится в определенном состоянии, хотя части системы — нет.

Когда два кубита перепутаны, между ними существует особая связь. Запутанность станет очевидной по результатам измерений. Результат измерения на отдельных кубитах может быть 0 или 1. Однако результат измерения на одном кубите всегда будет коррелирован с измерением на другом кубите. Так бывает всегда, даже если частицы удалены друг от друга на большое расстояние.Примерами таких состояний являются состояния Белла.

Например, две частицы созданы таким образом, что полный спин системы равен нулю. Если спин одной из частиц измеряется на определенной оси и оказывается против часовой стрелки, то гарантируется, что измерение спина другой частицы (вдоль той же оси) покажет, что вращение идет по часовой стрелке. Это кажется странным, потому что кажется, что одна из запутанных частиц «чувствует», что измерение выполняется на другой запутанной частице, и «знает», каким должен быть результат, но это не так.Это происходит без обмена информацией между запутанными частицами. Они могут быть даже на расстоянии миллиардов миль друг от друга, и эта путаница все равно будет присутствовать.

был сбит с толку Эйнштейн, а не квантовая теория — Стивен Хокинг

Распространенное заблуждение состоит в том, что запутанность может использоваться для мгновенной отправки информации из одной точки в другую. Это невозможно, потому что, хотя можно узнать состояние другой частицы при измерении одной, результаты измерений отдельных частиц являются случайными.Невозможно заранее определить индивидуальный результат, поэтому невозможно отправить сообщение таким образом.

Сила кванта

Тот факт, что кубиты могут быть запутанными, делает квантовый компьютер более мощным, чем классический компьютер. Благодаря информации, хранящейся в суперпозиции, некоторые проблемы могут быть решены экспоненциально быстрее.

Любовные отношения или запутанность — Жаклин Мюллер

Жаклин Мюллер, LCSW-R

Есть большая разница между отношениями и запутанностью.Отношения относятся к способности плавно взаимодействовать таким образом, чтобы это было значимо для обеих / всех сторон. Чаще всего люди думают, что они состоят в отношениях, однако они обнаруживают, что отождествляют себя с чем-то, что больше похоже на запутанность. Согласно The Edge, запутанность «это связь, которая образуется между двумя частицами / людьми. Эта необычная связь остается настолько прочной, что даже если эти две частицы разделятся и окажутся на расстоянии в тысячи миль (или на самом деле, на любое расстояние), они останутся неразрывно связанными.«Запутанность может быть удивительной, хотя и взаимно полезной, однако для этой статьи давайте поговорим о отрицательной запутанности, которая может иметь место и действительно происходит в отношениях, и не всегда приятно. Эти запутанности — это чувство застревания, которое оставляет ощущение, будто они в ловушке. То, что должно быть любящим, становится одиноким, и конечный результат — отсутствие взаимоотношений и борьба желаний, которых никто не хочет.

Вы можете начать отличать отношения от негативной привязанности, проверив, что вы чувствуете.Вы чувствуете себя любимыми и заботливыми? Вы чувствуете себя понятым? Вы чувствуете себя в безопасности? Вам нравится общество другого человека? И это чувство кажется взаимным? Кто-то должен быть всегда прав? Легко ли участвовать? Если вы ответили НЕТ на любой из этих вопросов, возможно, вы запутались.

Есть надежда, и вот что вы делаете. Оцените, есть ли какие-либо проблемы с зависимостями или домашним насилием. Если да, не останавливайтесь, ИДТИ, от этого зависит ваша безопасность и рассудок.Оказавшись в безопасной ситуации, ищите поддержки, чтобы помочь вам выбраться из этой ситуации здоровым образом, чтобы вы могли быть более объективными. Чаще всего отношения с активной зависимостью или домашним насилием не могут быть здоровыми, и посредничество невозможно, пока эти проблемы не будут безопасно оценены. В случае домашнего насилия позвоните Джеки Мюллер за дополнительной поддержкой, и / или квалифицированный консультант ждет ответа на ваши вопросы: Safe Horizons 1.800.621.HOPE (4673)

Если нет зависимости или домашнего насилия, и предполагая, что все стороны хотят урегулирования, обратитесь к профессиональному консультанту или посреднику, который поможет вам разобраться в проблемных областях, чтобы найти более эффективные способы улучшить общение и жить той жизнью и отношениями, о которых вы мечтаете .Посредничество позволяет всем сторонам почувствовать себя обоснованными и / или найти мирный способ признать, что вам нужно двигаться вместе или идти разными путями. Никто не начинает отношения с мыслью о том, чтобы их бросить, и если отношения приносят больше вреда, чем пользы, больше раздоров, чем поддержки, более одиноких, чем любви, пора обратиться за помощью. Прежде всего, любовные отношения с самим собой являются ключом к счастливой и здоровой жизни, и первым шагом к развитию этих отношений является забота о себе и создание здоровых границ уважения и любви к вам.

Для получения дополнительных ресурсов об отношениях, посредничестве и коммуникационных стратегиях позвоните Джеки Мюллеру, LCSW-R по телефону 845-702-1042 или подпишитесь на нас на Facebook

В поисках квантовой запутанности

Более 12 миллиардов лет назад летящие частицы света покинули чрезвычайно яркий небесный объект, называемый квазаром, и начали долгое путешествие к планете, которой еще не было. Более чем 4 миллиарда лет спустя еще больше фотонов покинули другой квазар и отправились в похожий путь. Когда Земля и ее солнечная система сформировались, жизнь эволюционировала, и люди начали изучать физику, частицы продолжали свой путь.В конце концов, они приземлились на Канарском острове Ла-Пальма в паре телескопов, установленных для эксперимента, проверяющего саму природу реальности.

Эксперимент был разработан для изучения квантовой запутанности, явления, которое связывает квантовые системы способами, которые невозможны в нашем макро-классическом мире. Когда две частицы, такие как пара электронов, запутаны, невозможно измерить одну, не узнав что-то о другой. Их свойства, такие как импульс и положение, неразрывно связаны.

«Квантовая запутанность означает, что вы не можете описать вашу совместную квантовую систему только с помощью локальных описаний, по одному для каждой системы», — говорит Майкл Холл, физик-теоретик из Австралийского национального университета.

Запутанность впервые возникла в результате мысленного эксперимента, разработанного не кем иным, как Альбертом Эйнштейном. В статье 1935 года Эйнштейн и двое его коллег показали, что если квантовая механика полностью описывает реальность, то проведение измерения на одной части запутанной системы мгновенно повлияет на наши знания о будущих измерениях на другой части, по-видимому, посылая информацию быстрее, чем скорость свет, что невозможно по всем известным физикам.Эйнштейн назвал этот эффект «жутким действием на расстоянии», подразумевая что-то в корне неправильное с зарождающейся наукой квантовой механикой.

Спустя десятилетия квантовая запутанность неоднократно подтверждалась экспериментально. Хотя физики научились контролировать и изучать квантовую запутанность, им еще предстоит найти механизм, чтобы объяснить ее или достичь консенсуса в отношении того, что она означает в отношении природы реальности.

«Сама запутанность проверялась на протяжении многих-многих десятилетий», — говорит Эндрю Фридман, астрофизик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, который работал над экспериментом с квазаром, также известным как «испытание космического Белла».«Настоящая проблема в том, что, хотя мы знаем, что это экспериментальная реальность, у нас нет убедительной истории о том, как это работает».

Предположения Белла

Мир квантовой механики — физики, которая управляет поведением Вселенной в самых маленьких масштабах — часто описывается как чрезвычайно странный. Согласно ее законам, строительные блоки природы одновременно являются волнами и частицами, не имеющими определенного места в пространстве. Требуется внешняя система, наблюдающая или измеряющая их, чтобы подтолкнуть их к «выбору» окончательного состояния.И запутанные частицы, кажется, мгновенно влияют на «выбор» друг друга, независимо от того, насколько далеко они друг от друга.

Эйнштейн был настолько недоволен этими идеями, что постулировал классические «скрытые переменные» вне нашего понимания квантовой механики, что, если бы мы их поняли, запутанность не была бы такой пугающей. В 1960-х годах физик Джон Белл разработал тест для моделей с такими скрытыми переменными, известный как «неравенство Белла».

Белл обрисовал в общих чертах три предположения о мире, каждое с соответствующим математическим утверждением: реализм, который утверждает, что объекты обладают свойствами, которые они сохраняют вне зависимости от того, наблюдаются они или нет; местность, где говорится, что ничто не может повлиять на что-то достаточно далеко, чтобы сигнал между ними должен был распространяться быстрее света; и свобода выбора, согласно которой физики могут проводить измерения свободно и без влияния скрытых переменных.Зондирование запутанности — ключ к проверке этих предположений. Если эксперименты показывают, что природа подчиняется этим предположениям, тогда мы живем в мире, который можем понять классически, а скрытые переменные создают только иллюзию квантовой запутанности. Если эксперименты показывают, что мир не следует за ними, тогда квантовая запутанность реальна, а субатомный мир действительно столь же странен, как кажется.

«Белл показал, что если мир подчиняется этим предположениям, существует верхний предел того, насколько могут быть коррелированы измерения запутанных частиц», — говорит Фридман.

Физики могут измерять свойства частиц, такие как их спин, импульс или поляризация. Эксперименты показали, что когда частицы запутаны, результаты этих измерений более статистически коррелированы, чем можно было бы ожидать в классической системе, что противоречит неравенствам Белла.

В одном из тестов Белла ученые отправляют два запутанных фотона на детекторы, расположенные далеко друг от друга. Достигнут ли фотоны детекторов, зависит от их поляризации; если они идеально выровнены, они пройдут, но в противном случае существует некоторая вероятность того, что они будут заблокированы, в зависимости от угла выравнивания.Ученые чаще пытаются выяснить, имеют ли запутанные частицы одну и ту же поляризацию, чем это можно объяснить классической статистикой. Если они это сделают, то по крайней мере одно из предположений Белла не может быть истинным по своей природе. Если мир не подчиняется реализму, тогда свойства частиц не будут четко определены до измерений. Если бы частицы могли влиять друг на друга мгновенно, то они каким-то образом общались бы друг с другом быстрее скорости света, нарушая локальность и специальную теорию относительности Эйнштейна.

Ученые давно предполагают, что предыдущие экспериментальные результаты можно лучше всего объяснить, если мир не подчиняется одному или обоим из первых двух предположений Белла — реализму и локальности. Но недавняя работа показала, что виновником может быть его третье предположение — свобода выбора. Возможно, решение ученых о том, под каким углом впустить фотоны, не такое свободное и случайное, как они думали.

Эксперимент с квазаром был последним, кто проверил предположение о свободе выбора.Ученые определили угол, под которым они будут пропускать фотоны в свои детекторы, на основе длины волны света, обнаруженного ими от двух далеких квазаров, что было определено 7,8 и 12,2 миллиарда лет назад соответственно. Длинно перемещающиеся фотоны заняли место физиков или обычных генераторов случайных чисел в решении, устраняя земное влияние на эксперимент, будь то человеческое или иное.

В конце теста команда обнаружила гораздо более высокую корреляцию между запутанными фотонами, чем теорема Белла могла бы предсказать, если бы мир был классическим.

Это означает, что, если бы какая-то скрытая классическая переменная на самом деле определяла результаты эксперимента, в самом экстремальном сценарии выбор измерения должен был бы быть сделан задолго до человеческого существования — подразумевая, что квантовая «странность» действительно является результат вселенной, где все предопределено.

«Многих это не устраивает, — говорит Холл. «Они на самом деле говорят, что если бы это было так давно, вам пришлось бы попытаться объяснить квантовые корреляции с помощью предопределенных вариантов.Жизнь потеряет всякий смысл, и мы перестанем заниматься физикой ».

Конечно, физика идет вперед, и запутанность сохраняет много загадок, которые нужно исследовать. Помимо отсутствия причинного объяснения запутанности, физики не понимают, как измерение запутанной системы внезапно возвращает ее в классическое, незапутанное состояние или действительно ли запутанные частицы каким-то образом сообщаются, загадки, которые они продолжают исследовать с помощью новых экспериментов. .

«Никакая информация не может перейти отсюда туда мгновенно, но разные интерпретации квантовой механики согласятся или не согласятся с тем, что существует какое-то скрытое влияние», — говорит Габриэла Баррето Лемос, научный сотрудник Международного института физики в Бразилии.«Но мы все согласны с этим определением с точки зрения корреляции и статистики».

Ищу что-то странное

Более глубокое понимание запутанности может помочь решить проблемы как практического, так и фундаментального характера. Квантовые компьютеры полагаются на запутанность. Квантовое шифрование — теоретическая мера безопасности, взломать которую, согласно прогнозам, невозможно, — также требует полного понимания квантовой запутанности. Если скрытые переменные действительны, квантовое шифрование может быть взломано.

И запутанность может содержать ключ к некоторым из самых фундаментальных вопросов физики. Некоторые исследователи изучали материалы с большим количеством запутанных частиц, а не просто пары. Когда происходит это многочастичное запутывание, физики наблюдают новые состояния материи, выходящие за рамки привычных твердого тела, жидкости и газа, а также новые паттерны запутывания, которые больше нигде не наблюдаются.

«Одна вещь, которую он говорит вам, — это то, что Вселенная богаче, чем вы предполагали ранее», — говорит Брайан Суингл, физик из Мэрилендского университета, исследующий такие материалы.«То, что у вас есть скопление электронов, не означает, что результирующее состояние вещества должно быть электронным».

Такие интересные свойства проявляются в этих материалах, что физики начинают понимать, что запутанность может фактически сшить воедино само пространство-время — несколько иронический поворот, поскольку Эйнштейн, впервые связавший пространство и время в своей теории относительности, так не любил квантовую механику. . Но если теория окажется верной, запутанность может помочь физикам наконец достичь одной из своих конечных целей: создать теорию квантовой гравитации, которая объединяет релятивистский мир Эйнштейна с загадочным и, казалось бы, противоречивым квантовым миром.

«Очень важно проводить эти эксперименты, даже если мы не верим, что обнаружим что-нибудь странное», — говорит Лемос. «В физике революция наступает, когда мы думаем, что не обнаружим чего-то странного, и тогда мы это делаем. Так что ты должен это сделать ».