Квантовая запутанность независимых частиц происходит всегда без какого-либо контакта

Что такое взаимодействие и когда оно происходит? Интуиция предполагает, что необходимым условием взаимодействия независимо созданных частиц является их прямое касание или контакт через носители физических сил. В квантовой механике результатом взаимодействия является запутывание — появление неклассических корреляций в системе. Кажется, что квантовая теория допускает запутывание независимых частиц без какого-либо контакта. Фундаментальная идентичность частиц того же вида ответственна за это явление.

Квантовая механика в настоящее время является лучшей и наиболее точной и сложной теорией, используемой физиками для описания окружающего нас мира. Однако его характерной чертой является абстрактный математический язык, который, как известно, ведет к серьезным проблемам интерпретации. Взгляд на реальность, предложенный этой теорией, все еще является предметом научного спора, который, вместо того, чтобы истечь со временем, становится все более горячим и интересным. Новые мотивирующие и интригующие вопросы рождаются с новой точки зрения, вытекающей из точки зрения квантовой информации и огромного прогресса экспериментальных методов. Это позволяет проверить выводы, сделанные из тонких мысленных экспериментов, непосредственно связанных с проблемой интерпретации. Более того, сейчас мы наблюдаем огромный прогресс в области квантовой коммуникации и квантовых компьютерных технологий, которые в значительной степени опираются на неклассические ресурсы, предлагаемые квантовой механикой.

Работы Павла Блазяка из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове и Марцина Маркевича из Гданьского университета посвящены анализу широко распространенных парадигм и теоретических концепций, касающихся основ и интерпретации квантовой механики. Исследователи пытаются ответить на вопрос, в какой степени интуиция, используемая для описания квантово-механических процессов, оправдана в реалистическом взгляде на мир. Для этого они пытаются прояснить конкретные теоретические идеи, часто функционирующие в виде смутных интуиций, используя язык математики. Такой подход часто приводит к появлению вдохновляющих парадоксов. Конечно, чем более базовая концепция, к которой относится данный парадокс, тем лучше, поскольку она открывает новые двери для более глубокого понимания данной проблемы.

В этом духе оба ученых решили задуматься над фундаментальным вопросом: что такое взаимодействие и когда оно происходит? В квантовой механике результатом взаимодействия является запутанность, которая представляет собой появление неклассических корреляций в системе. Представьте себе две частицы, созданные независимо в далеких галактиках. Казалось бы, необходимым условием возникновения запутанности является требование, чтобы в какой-то момент их частицы касались друг друга или, по крайней мере, непрямой контакт должен происходить через другую частицу или физическое поле для передачи взаимодействия. Как еще они могут установить эту таинственную связь, которая является квантовой запутанностью? Как это ни парадоксально, однако оказывается, что это возможно. Квантовая механика позволяет запутыванию происходить без необходимости какого-либо, даже косвенного, контакта.

Чтобы обосновать такой неожиданный вывод, необходимо представить схему, в которой частицы будут демонстрировать нелокальные корреляции на расстоянии (в эксперименте типа Белла). Тонкость этого подхода заключается в том, чтобы исключить возможность взаимодействия, понимаемого как некоторая форма контакта на этом пути. Такая схема также должна быть очень экономичной, поэтому она должна исключать присутствие носителей силы, которые могут опосредовать это взаимодействие (физическое поле или промежуточные частицы). Блазяк и Маркевич показали, как это можно сделать, исходя из первоначальных соображений Юрка и Стелера, которые они интерпретировали как перестановку путей, пройденных частицами из разных источников. Эта новая перспектива позволяет генерировать любые запутанные состояния двух и трех частиц, избегая любого контакта. Предлагаемый подход может быть легко распространен на большее количество частиц.

Как можно запутать независимые частицы на расстоянии без их взаимодействия? Намек дает сама квантовая механика, в которой тождество — фундаментальная неразличимость всех частиц одного вида — постулируется. Это означает, например, что все фотоны (а также другие семейства элементарных частиц) во всей Вселенной одинаковы, независимо от их расстояния. С формальной точки зрения это сводится к симметризации волновой функции для бозонов или ее антисимметризации для фермионов. Эффекты идентичности частиц обычно связаны с их статистикой, имеющей последствия для описания взаимодействующих многочастичных систем (таких как конденсат Бозе-Эйнштейна или теория твердотельных зон).

В случае более простых систем прямым результатом идентичности частиц является принцип исключения Паули для фермионов или группирование в квантовой оптике для бозонов. Общей чертой всех этих эффектов является контакт частиц в одной точке пространства, что следует простой интуиции взаимодействия (например, в теории частиц это сводится к вершинам взаимодействия). Отсюда и убеждение, что последствия симметризации можно наблюдать только таким образом. Однако взаимодействие по самой своей природе вызывает запутывание. Следовательно, неясно, что вызывает наблюдаемые эффекты и неклассические корреляции: это взаимодействие само по себе или это неотъемлемая неразличимость частиц? Схема, предложенная обоими учеными, обходит эту трудность, устраняя взаимодействие, которое может произойти при любом контакте. Отсюда вывод о том, что неклассические корреляции являются прямым следствием постулата идентичности частиц. Отсюда следует, что был найден способ чисто активировать запутывание от их фундаментальной неразличимости.

Этот тип представления, начиная с вопросов об основах квантовой механики, может практически использоваться для создания запутанных состояний для квантовых технологий. В статье показано, как создать любое запутанное состояние двух и трех кубитов, и эти идеи уже реализованы экспериментально. Представляется, что рассмотренные схемы могут быть успешно расширены для создания любых запутанных многочастичных состояний. В рамках дальнейших исследований оба ученых намерены подробно проанализировать постулат об идентичных частицах, как с точки зрения теоретической интерпретации, так и практического применения.

Большой неожиданностью может быть тот факт, что постулат неразличимости частиц является не только формальной математической процедурой, но в чистом виде приводит к последствиям, наблюдаемым в лабораториях. Нелокальность присуща всем одинаковым частицам во Вселенной? Фотон, испускаемый экраном монитора, и фотон из далекой галактики на глубинах Вселенной кажутся запутанными только своей одинаковой природой. Это великий секрет, с которым скоро столкнется наука.

-=GadZZillA=-

Компьютерный системный администратор, веб-огородник, IT-шник, специалист по строительным материалам, создатель и администратор проекта "Лаборатория Рабочих Столов"

Вас также может заинтересовать...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

 

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.