История спора длиною почти век - всё о квантовой запутанности
Сегодня мы разберём научный факт, в котором ошибся сам Эйнштейн - квантовая запутанность. В отличии от теории струн, это подтверждено и научно доказано. Сейчас объясню кем и как, но начнём с истории:
БЛОК 1: ИСТОРИЯ
Итак, началось все в начале 20 века - физики жили спокойной жизнью, думая что все подчиняется привычным им законам физики: яблоко падает, земля крутится. Но когда они заглянули в атом, то их привычное понимание мира рухнуло: оказывается, в микромире объекты не подчиняются законам макромира.
В 1920-х на Сольвеевских Конгрессах об этом заговорили уже известные учёные. Бор и Гейзенберг заявили:
"частицы по типу фотона или электрона не имеют чёткого расположения и координат пока мы не измерим или посмотрим на них. Они находятся в состоянии "суперпозиции", тоесть везде и нигде одновременно. Как только произошло измерение, суперпозиции пропадает и мы видим или фиксируем привычный нам электрон."
Дальше появляется сама " запутанность". Чтобы объяснить я возьму электроны: два электрона одинакового происхождения, например с одного атома, автоматически становятся " запутанными" тоесть связанными между собой. И здесь начинается "магическая физика" - если один из них примет одно положение, то другой мгновенно примет согласованое или противоположное состояние. И без разницы где они находятся, хоть один на разных углах вселенной, не влияет.
БЛОК 2: УДАР ЭЙНШТЕЙНА
И тут вдруг появляется Эйнштейн. Его бесила эта "ересь" - ему казалось, что мир должен быть логичным и легко предугадыватся, спрашивая у своих коллег " если вы не смотрите на луну, значит её нет?"
В 1935 году Эйнштейн вместе с Розеном и Подольским выдвинули ответный удар - ЭПР-парадокс. Почему ЭПР? первые буквы фамилий. Так в чем же его суть? Суть в железобетонном аргументе обычного мира из их работы: "Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?":
Скорость света. Это абсолютный максимум Вселенной, его нельзя преодолеть. Ни один сигнал, ни одна крупица информации не может перемещаться быстрее неё. Но если Бор прав, то измерение одного электрона мгновенно меняет второй на другом конце космоса. Эйнштейн назвал это "жутким дальнодействием" и заявил, что это нарушает принцип локальности - что ничто не может влиять на другое быстрее скорости света. Но технически теория относительности не запрещает корреляции(это когда одно событие связано с другим. Если меняется одно - меняется и другое) между частицами - она запрещает передачу информации. Именно эту тонкость и не учёл Эйнштейн.. Чтобы объяснить его логику, приведу пример(это его же пример чтобы объяснить тем, кто не разбирается в физике): пару ботинок разложили по двум коробкам, одну увезли в горы, а вторую оставили в лаборатории. И как только одир из учёных открывает коробку и видит правый - он знает, что то левый. И наоборот. Он предположил у частиц есть "скрытые параметры". Они изначально знают какой из них правый, а какой левый. Просто мы не умеем их читать. Или не можем вовсе.
БЛОК 3: ОТВЕТ БОРА
Как только Бору пришёл ответ, он бросил все дела. Как вспоминают рабочие, он ходил от угла в угол покуривая и предлагая варианты тут же стирая. Но он придумал ответ. Он сказал Эйнштейну, что тот судить квантовый мир по законам макромира, что неправильно. Во время того, как ботинок в закрытой коробке, он находится в суперпозиции - внутри квантовое облако вероятностей(волновая функция) и когда ученый открывает коробку, облако схлопывается и функция определяет какой это ботинок и выдаёт его(это называется коллапсом волновой функции). А тот, что в лаборатории принимает противоположное положение.
Эйнштейн был в ярости. Бор сломал привычное восприятие мира, а тем самым отрицал теорию относительности на микроуровне. И каждый так и умер при своем мнении. Почему? А потому что в те года(30-50-е) не было технологий фиксирования отдельных фотонов и электронов. И другие учёные просто пользовались формулами, не думая об этом на то время "философском вопросе".
БЛОК 4: ИРЛАНДЕЦ, РАЗРЕШИВШИЙ ВСЕ.
До 1963 все пользовались формулами не думая. Но в 1964 появился Джон Белл - ирландец, который решил спор длиною более 29 лет. Работая в ЦЕРНе(это Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), проще говоря, это крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий) и любил копаться в квантовых парадоксах после работы. Он смог найти математическое чудо, по которому можно было узнать про частицу и врет она или нет, придумав тест, прозвали который "Неравенства Белла"
Логика его рассуждения была очень гениальной: если прав Эйнштейн, то по математической формуле число совпадений при массовом тестировании в разных условиях будет не выше определённого значения в процентах, а если был прав Бор то это значение будет превышено на порядок и пробило бы потолок математических расчётов. Белл смог перевести все в расчёты и цифры, так, чтобы инженеры смогли это осуществить. Белл смог сделать то, чего не смог Бор и Эйнштейн. Осталось дело за малым - передать расчёты инженерам и проверить кто прав.
БЛОК 5: КАК ЛАЗЕРЫ СМОГЛИ РЕШИТЬ СПОР
Эксперименты заставили себя ждать действительно долго. Начиная с 70-х, учёные начали исследования и попытки воплотить в жизнь Неравенства Белла.
В историю себя вписали 3 учёных-практика: Джон Клаузер, Ален Аспэ и Антон Цайлингер.
Учёные брали кристалл (бета-борат бария, нелинейный кристалл, сокращено: ВВО или брали титанил-фосфат калия(КТР)), облучали его(этот процесс называется спонтанное параметрическое рассеяние) и получали "запутанные" (связанные) фотоны. Потом их пускали по трубкам(в которых стояло тысячи датчиков, которые изменяли поляризацию(характеристики) фотонов), на километры друг от друга. Но особенность датчиков в том, что они меняли свои параметры за несколько наносекуд до фотона, что он не успевал передать другие данные своему "брату". Неравенства были порваны в щепки. Нильс Бор оказался прав в своих догадках, и великий Эйнштейн ошибся. Но ошибаться может каждый в физике тем более. А трём учёным дали Нобелевскую премию по физике в 2022 году.
БЛОК 6: КВАНТОВАЯ "ТЕЛЕПОРТАЦИЯ" И ДОПОЛНЕНИЯ
Мгновенно вопрос - разве запутанность и телепортация это не одинаковые вещи? Нет. Запутанность это состояние частиц. А телепортация это процесс, использующий запутанность
Все наверняка слышали о квантовой телепортации. Сразу проясню это не мгновенный переход из А в Б, а как раз таки та самая передача состояния частицы к другой связанной частице.
Для начала что это? Это способ перенести состояние одной частицы на другую, используя запутанность + классическую связь. Это не мгновенная передача информации. Ты не можешь телепортировать состояние без отправки дополнительных данных (по интернету, радио и т.д.). Ты не можешь обмануть скорость света.
Как это работает:
1) Создаем запутанную пару частиц. А и Б. Их состояния зависят друг от друга как мы знаем, если на А монетке выпал орел, то на Б выпадет решка моментально.
2) Берем частицу В. Она может быть в суперпозиции(орел и решка вместе, как мы тоже знаем)
3) нам нужно связать частицу А и В, что мы и делаем. Производим измерение. Это разрушает позицию В, так как она была в суперпозиции, но стала к примеру решкой. Также это разрушает запутанность А и Б.
4) мы берём вычислительные данные, и отправляем их ученому, который находится возле частицы Б.
5)тот восстанавливает положение частицы В, только уже на частице Б.
Именно и это есть "телепортация" на квантовом уровне.
Теперь ответы на частые вопросы и дополнения по теме.
Можно ли сделать тоже самое с человеком? На теоретическом уровне законы физики не запрещают передачу состояния человека, но это требует невообразимых ресурсов, и на практике никогда не будет реализовано. Для одного человека нужно передать состояние 7×10^27 атомов, на практике это не имеет смысла и невозможно. Нужно было бы передать состояние триллионов частиц и ещё и запутать их, а ещё восстановить их состояния вообщем долго очень, на это ушел бы не один год. Фактически это телепортация, но не мгновенная, а по частицам и занимает много времени.
Нарушает ли это теорию относительности как запутанность? Нет. Теория запрещает передавать сигналы быстрее скорости света, а здесь это не задействовано.
Куда девается оригинал? Он уничтожается сразу. Невозможно чтобы две частицы были в одном положении, и как вторая переходит в это же состояние оригинал уничтожается.
Безопасно ли это и может стать будущим интернета? Да. Ответ на оба вопроса положительный, потому что цепляют за одно свойство - нельзя посмотреть инфо не изменив состояние.
Можно ли телепортировать сознание?
Нельзя. Это процесс в мозге, а не состояние. Мы не знаем как онон само работает не Говоря уже о его телепортации.
Это дорого?
Безумно. Установки, аппараты. Очень сложно.
Насколько далеко уже делали?
Фотон - около 100км, 44км для атомов. В Китае передавали запутанные фотоны на спутник (1200км~) MIcius.
Как связывают частицы? Один из способов представлен в статье, а так чтобы не листать просто пропускают через кристалл специальный и там они оьретают запутанность
Итак. Итоги: мы разобрали что такое квантовая запутанность, и её вытекающие, историю, и спор, который длился почти век.
Постарался над постом, надеюсь оцените. Нейросеть не применялась никак. В этот раз я решил вообще сделать без неё, так что приятного чтения. Старался сделать без сложных терминов, а если и были то пояснял.















