Что такое квантовая запутанность и как она работает?

06.10.2023
1
13 мин
509
Что такое квантовая запутанность и как она работает?

Приветствую, друзья!

Хотите узнать много нового про квантовую запутанность? Тогда не останавливайтесь — читайте дальше и познавайте!

  • Квантовая запутанность — загадочное явление, при котором частицы остаются связанными независимо от расстояния, что позволяет мгновенно менять их состояния;
  • Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии» из-за ее необъяснимой природы;
  • Квантовая запутанность имеет потенциальное применение в криптографии, вычислениях, зондировании, визуализации и телепортации.

Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем учёным за новаторский вклад в понимание квантовой запутанности.

Это явление невероятно загадочно и может сбить с толку даже специалистов.

Это означает, что две частицы, такие как электроны или фотоны, связаны независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга или что находится между ними.

Странность квантовой запутанности заключается в том, что, хотя две частицы могут находиться на расстоянии миллионов миль друг от друга, если вы измерите что-то об одной частице в паре, вы мгновенно узнаете что-то о другой.

Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии».

Как будто эти две частицы имеют необъяснимую связь, несмотря на то, что они так далеко друг от друга.

До 1970-х годов исследователи не были уверены, реальна ли квантовая запутанность.

Даже Эйнштейн сомневался в этом.

Потребовались новые технологии и учёные, которые были достаточно смелы, чтобы продолжить исследование, прежде чем мы наконец смогли докопаться до сути такого явления.

Итак, давайте отправимся в это путешествие, чтобы разгадать тайны квантовой запутанности и понять ее глубокие последствия в сфере физики и за ее пределами.

Что такое квантовая запутанность?

Что такое квантовая запутанность?

Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы коррелируют независимо от их расстояния друг от друга.

Это означает, что когда физические свойства или «состояния» одной частицы изменяются мгновенно и одновременно, другая частица также примет то же самое состояние, несмотря на то, что находится в удаленном месте.

Интуитивно говоря, кажется, что запутанные частицы связаны, как звенья цепи.

Каждое кольцо мгновенно передает свое гравитационное притяжение всем близлежащим кольцам за пределами физического контакта.

Было замечено, что корреляция между двумя запутанными частицами выходит за рамки простых совпадений.

Оно превосходит все законы физики, управляющие физическими взаимодействиями, происходящими в локальном пространстве.

Из-за теории относительности, которая утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света, эти мгновенные изменения невозможно объяснить с помощью традиционных методов.

Таким образом, это оставляет нам нелокальные корреляции, которые фактически представляют собой мгновенную связь между двумя состояниями, даже если они могут быть далеко друг от друга пространственно.

Квантовая запутанность: точное определение

Квантовая запутанность — удивительное явление в квантовой физике, когда частицы, такие как фотоны, электроны, атомы или молекулы, остаются связанными, даже если они разделены большими расстояниями.

Другими словами, при физическом взаимодействии этих объектов отдельные состояния каждой частицы становятся связанными, и эта связь сохраняется даже тогда, когда их физическое разделение увеличивается.

Этот тип связи становится возможным благодаря тому, что квантовая механика называет невидимой «силой спутывания».

Когда дело доходит до частиц, когда в системе присутствует несколько степеней свободы, они могут существовать вместе одновременно в более чем одной форме.

Представьте себе электрон, вращающийся вокруг своего ядра.

Вместо того, чтобы оставаться строго в том или ином состоянии, оно существует в обоих состояниях одновременно, пока мы не измерим его и не увидим его результат.

Это означает, что даже если две частицы находятся очень далеко друг от друга, они все равно будут связаны отношениями запутанности.

Итак, наблюдение за одной частицей скажет нам кое-что и о другой.

История квантовой запутанности

Изучение квантовой запутанности началось в 1935 году, когда Альберт Эйнштейн (Albert Einstein), Борис Подольский (Boris Podolsky) и Натан Розен (Nathan Rosen) впервые постулировали это явление в своей знаменитой статье «Можно ли квантово-механическое описание физической реальности считать полным?» они предложили мысленный эксперимент, который поставил под сомнение, могут ли квантовые частицы оставаться коррелированными даже после разделения.

Это послужило толчком к десятилетиям исследований, направленных на понимание последствий запутанности с точки зрения физики и информатики.

С тех пор несколько ключевых мыслителей внесли плодотворный вклад, например, Джон Белл (John Bell), Майкл Фридман (Michael Freedman) и Стивен Визнер (tephen Wiesner).

Благодаря этим первооткрывателям теоретические аспекты получили широкое развитие и позволили нам глубже понять запутанные системы.

Альберт Эйнштейн

Эйнштейн и другие выдвинули теорию запутанности, но на проведение экспериментов ушли десятилетия.

Наконец, в 1993 году Клаудио Макконе (Claudio Maccone) предположил, что запутанные состояния могут общаться быстрее, чем скорость света, что было примечательно, учитывая то, чему нас научила теория относительности.

В 2003 году Ганс Бригель (Hans Briegel) совершил прорыв, разработав свой Протокол идентификации.

Затем Николя Гизен (Nicolas Gisin) и другие в 2005 году продолжил исследования по надежному созданию удаленных кубитов.

Флорентин Маунц (Florentin Maunz) быстро последовал этому примеру, используя оптические лазерные импульсы, управляемые атомами или ионами внутри ловушек, для расширения микроволновых измерений в 2014 году.

Наши знания о запутанных системах быстро возросли за последние несколько лет.

Мы прошли путь от использования его для улучшения вычислительных алгоритмов до исследования и попыток разработать квантовый интернет.

Примером этого является «Syegeforce», который был продемонстрирован в 2019 году и ориентирован на анализ сетей на нескольких платформах, позволяя информации с распределенных компьютеров оставаться в безопасности благодаря протоколам безопасности, обеспечиваемым криптографией.

Криптографические устройства такого типа могут увеличить скорость вычислений, намного превышающую ту, которую мы могли достичь ранее.

И только благодаря тому, что улучшенное оборудование становится более рентабельным, мы приблизились к тому, чтобы сделать идеи Эйнштейна возможными.

Как работает квантовая запутанность?

Квантовая запутанность — странное, но реальное явление, при котором две маленькие частицы образуют необычайно прочную связь, известную как квантовая корреляция.

Они становятся связанными независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга — даже если одна частица находится на Земле, а другая — на расстоянии нескольких световых лет.

Это означает, что когда что-то происходит с одной из них, например, измерение или манипуляция, то же самое произойдет и с его запутанным партнером, независимо от того, сколько пространства их разделяет.

Ключ к этой связи лежит в их волновой функции — математическом выражении, основанном на теории вероятностей, которое полностью описывает квантовую систему.

Запутанные частицы имеют совпадающие «подписи», поэтому все, что влияет на одну частицу, влияет и на ее коллегу — даже на межзвездных расстояниях.

В некоторых случаях измерения, сделанные на любом аспекте одного фотона, могут одновременно повлиять на свойства других.

Наконец, один из самых загадочных аспектов запутанности называется «нелокальностью».

Проще говоря, это означает, что при измерении или взаимодействии с одной запутанной частицей другая мгновенно станет коррелированной, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга в пространстве и времени.

В настоящее время физики понимают эти принципы на теоретическом уровне, но их применение распространяется как на промышленность, так и на научные исследования.

Как работает квантовая запутанность?

Квантовая запутанность относится к корреляции двух частиц независимо от их расстояния друг от друга.

Каковы применения квантовой запутанности?

Несколько примеров применения квантовой запутанности.

Квантовая криптография

Квантовая криптография — это тип метода шифрования, в котором используются запутанные квантовые биты (кубиты).

Эта система использует принципы квантовой запутанности, когда двухкубитные частицы остаются связанными, даже если их разделяет расстояние.

Она более безопасна, чем существующие криптографические методы, поскольку любая попытка получить доступ или нарушить соединение вызывает заметные искажения, которые предупредят как отправителя, так и получателя передачи.

При правильном применении это обеспечивает непревзойденный уровень безопасности для пользователей и имеет потенциальное применение в таких секторах, как информационные технологии здравоохранения, банковские системы, военные коммуникации, сети интернета вещей и т. д.

Примеры включают такие протоколы, как протокол BB84, который позволяет передавать данные через состояния поляризации, и протокол Ekert, который использует запутанные фотоны для безопасной связи.

Возможности квантовой криптографии безграничны.

В настоящее время проводятся многочисленные исследования о том, как эти технологии могут быть использованы дальше.

Квантовые вычисления

Это революционная форма вычислений, основанная на квантовой механике.

Они использует квантовые явления, такие как суперпозиция и запутанность, для решения сложных проблем, которые в настоящее время невозможно выполнить с помощью традиционных компьютеров.

Основным компонентом этого продвинутого типа вычислений является использование запутанных частиц, известных как кубиты.

Квантовая запутанность позволяет определенным свойствам или состояниям быть связанными друг с другом, а это означает, что любые изменения в одной частице немедленно повлияют на другую, независимо от их расстояния друг от друга.

Это явление обеспечивает огромную выгоду для вычислений благодаря способности распространять информацию по динамической сети без ущерба для безопасности.

В результате он имеет широкое применение, включая криптографию, медицинскую визуализацию, интеллектуальные алгоритмы для автономных транспортных средств/роботов и машинное обучение.

Зондирование и визуализация

При зондировании и визуализации квантовая запутанность используется для измерения невероятно малых сигналов или объектов с точностью, превосходящей возможности классических методов.

Запутанные состояния повышают точность измерений, позволяя высвобождать больше информации при каждом измерении, чем это было бы возможно без этого.

Эту повышенную точность затем можно использовать для обнаружения и количественной оценки очень небольших изменений в данной системе, обеспечивая, таким образом, гораздо более точную детализацию, чем традиционные датчики.

Квантовая запутанность находит применение в таких областях, как медицинская визуализация, спектроскопия, микроскопия, оптическая связь и системы безопасности.

Кроме того, технологические достижения позволили исследователям изучить его применение при изучении мезоскопических систем, включая клетки, для применения в здравоохранении.

Квантовая метрология

Это раздел квантовой механики, ориентированный на использование квантовых технологий для повышения точности сверх того, что возможно с помощью классических методов.

Для достижения своей цели она использует такие принципы, как запутанность, суперпозиция и интерференция.

При этом запутанные состояния используются путем создания взаимозависимой системы между невзаимодействующими частями, так что измерение одной части может также дать информацию о другой.

Это использовалось для создания исключительно чувствительных инструментов для таких измерений, как обнаружение гравитационных волн и атомных часов, где необходима более высокая точность.

Более того, запутанные частицы действуют на молекулы в гораздо меньших масштабах, чем при использовании традиционных метрологических методов.

Это позволит добиться революционных достижений в области нанотехнологий, материаловедения и биосенсорства.

Квантовая телепортация

Квантовая телепортация — это процесс, в котором информация о квантовом состоянии, такая как положение, импульс и спин частицы, может быть передана из одного места в другое с помощью запутанности.

В этом методе используется запутанная пара, состоящая из двух частиц, которые связаны, даже если расположены далеко друг от друга.

Запутанные состояния позволяют мгновенно передавать информацию между локациями без какой-либо физической связи или перемещения между ними.

Протоколы квантовой телепортации используют специальные операции одновременно с обеими запутанными частицами, а также классический канал связи между ними.

Эксперименты показали, что можно точно телепортировать определенные свойства, такие как энергия и угловой момент, на расстояния до 10 километров.

Потенциальные приложения варьируются от связи и шифрования до квантовых вычислений, сетей и отказоустойчивых распределенных систем.

Фундаментальные тесты квантовой механики

Квантовая механика — это раздел физики, который постулирует, что поведение компонентов материи и энергии лучше всего можно объяснить на атомном и субатомном уровнях.

Он основан на таких принципах, как корпускулярно-волновой дуализм, неопределенность, случайность, нелокальность, запутанность и суперпозиция.

Для проверки этих постулатов были разработаны экспериментальные тесты, одним из которых является квантовая запутанность.

Неравенство Белла служит фундаментальным инструментом в этих экспериментах, проверяя несовместимость локального реализма с предсказаниями квантовой механики.

Эти эксперименты важны для проверки фундаментальных концепций природы.

Преимущества квантовой запутанности

Квантовая запутанность — явление, возникающее между двумя частицами, при котором квантовые состояния каждой частицы из пары коррелируют.

Это означает, что когда одна частица, находящаяся в запутанном состоянии, испытывает изменение, ее партнер, находящийся на любом расстоянии, мгновенно испытывает тот же эффект и тоже меняется.

Ниже приведены некоторые преимущества квантовой запутанности:

  • Быстрая связь. Квантовую запутанность можно использовать для создания сетей, в которых информация может передаваться быстрее, чем традиционные методы связи. Как упоминалось ранее, пары запутанных частиц реагируют мгновенно, независимо от расстояния между ними. Это позволяет точкам таких сетей практически мгновенно обмениваться данными на больших расстояниях и даже в разных регионах;
  • Повышенная безопасность. В значительной степени конфиденциальная функция, связанная с квантовыми сетями, основана на их неукротимости перед взломом. Поскольку не существует возможности визуального распознавания или нарушения, перехватчики, отслеживающие коммуникации, никогда не смогут нарушить конфиденциальные данные, передаваемые из точки А в точку Б. Хакеры будут замечены механизмами автоматической проверки в этих защищенных сетях;
  • Улучшенные измерения: высокая надежность удаленных соединений благодаря квантовой запутанности благодаря безупречному предотвращению физических препятствий или шумового загрязнения, что позволяет исследователям проводить более точные измерения, чем когда-либо прежде, наряду с традиционными измерительными операциями;
  • Высокоточная вычислительная мощность. По прогнозам, квантовые вычисления станут одним из крупнейших прорывов со времен обычных компьютеров. Она способна решать большие проблемы за гораздо меньшее время, чем классические машины.

Таблица результатов

Аспект Описание
Квантовая запутанность Явление, при котором две частицы коррелируют независимо от их расстояния друг от друга, что приводит к мгновенным изменениям их состояний.
История Впервые постулировано в 1935 году Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном. В его развитие внесли свой вклад такие пионеры, как Джон Белл, Майкл Фридман и Стивен Визнер.
Приложения Квантовая криптография, квантовые вычисления, зондирование и визуализация, квантовая метрология, квантовая телепортация и фундаментальные тесты квантовой механики.
Преимущества Повышенная безопасность, более быстрые вычисления, улучшенная точность и потенциал для революционных достижений в области связи и вычислений.

Что такое квантовая запутанность и как она работает? Часто задаваемые вопросы

Что такое квантовая запутанность?

Квантовая запутанность — это явление в квантовой физике, когда две или более частицы становятся взаимосвязанными таким образом, что их состояния коррелируют и связаны, независимо от расстояния между ними.

Является ли квантовая запутанность формой телепортации?

Да, квантовую запутанность часто связывают с концепцией квантовой телепортации.

Квантовая телепортация — это процесс, позволяющий передавать квантовые состояния от одной частицы к другой, даже если они физически разделены.

Она использует явление квантовой запутанности для мгновенной передачи квантовой информации.

При квантовой телепортации запутанные частицы служат каналом связи.

Выполняя конкретные измерения на одной частице и передавая результаты другой запутанной частице, квантовое состояние первой частицы может быть передано второй частице, эффективно «телепортируя» информацию.

Важно отметить, что квантовая телепортация не предполагает фактического физического перемещения частиц из одного места в другое.

Вместо этого она позволяет передавать квантовые состояния, которые являются фундаментальными свойствами частиц, такими как их спин или поляризация.

Квантовая телепортация имеет большой потенциал для безопасной связи и приложений квантовых вычислений.

Можно ли наблюдать запутывание в предметах повседневного обихода?

Нет, запутанность обычно наблюдается в области квантовой механики и на уровне отдельных частиц или систем.

Повседневные объекты, состоящие из множества частиц в сложной организации, не демонстрируют заметной или наблюдаемой запутанности.

Запутанность возникает из-за уникального поведения квантовых систем, где частицы коррелируют и взаимосвязаны таким образом, что состояние одной частицы запутано или связано с состоянием другой частицы, независимо от физического расстояния между ними.

Эти запутанные состояния обладают особыми свойствами, такими как нелокальные корреляции и мгновенные связи.

Хотя сама запутанность не наблюдается в повседневных объектах, ее эффекты можно наблюдать косвенно в некоторых экспериментах и квантовых явлениях.

Существуют ли практические применения квантовой запутанности?

Да, квантовая запутанность имеет несколько практических применений.

К ним относятся квантовая криптография для безопасной связи, квантовая телепортация для передачи квантовой информации и потенциал квантовых вычислений для решения сложных проблем более эффективно, чем классические компьютеры.

Можно ли объяснить квантовую запутанность с помощью классической физики?

Нет, квантовая запутанность — это чисто квантовомеханическое явление, которое не может быть объяснено классической физикой.

Это бросает вызов классической интуиции и бросает вызов понятиям локальности и причинности.

Последние мысли

Квантовая запутанность — это механическое явление, при котором две частицы соединяются друг с другом независимо от расстояния между ними.

Когда состояние одной частицы изменится, другая частица также мгновенно изменится.

Это явление Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».

Это происходит даже тогда, когда частицы разделены пространственно-временными расстояниями и демонстрируют нелокальность — его нельзя объяснить с помощью классической физики.

Квантовую запутанность можно использовать в различных приложениях, таких как мгновенная связь, безопасные ключи шифрования и телепортация, чтобы преодолеть ограничения скорости света.

Ее значение заключается в ее потенциале произвести революцию как в области коммуникаций, так и в области вычислений.

Исследования продолжают понимать, как это работает в больших масштабах, когда одновременно запутано более двух частиц.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 5
Комментарии к этой статье:
  1. Борис:   23.12.2023

    Столько слов и повторов свойств КЗ, но ничего о том как реально получить и наблюдать это явление. Игры разума, наукообразный трёп ни о чём, не более.