Stan splątany

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Mechanika kwantowa
Quantum intro pic-smaller.png
\Delta x\, \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Równanie Schrödingera
Wstęp
Aparat matematyczny
Koncepcje podstawowe
Stan kwantowy  · Funkcja falowa  · Superpozycja  · Splątanie kwantowe  · Pomiar  · Nieoznaczoność  · Reguła Pauliego  · Dualizm korpuskularno-falowy  · Dekoherencja kwantowa  · Twierdzenie Ehrenfesta  · Tunelowanie
Znani uczeni
Planck  · Bohr  · Sommerfeld  · Bose  · Kramers  · Heisenberg  · Born  · Jordan  · Pauli  · Dirac  · de Broglie  · Schrödinger  · von Neumann  · Wigner  · Feynman  · Candlin  · Bohm  · Everett  · Bell  · Wien

Stan splątany – rodzaj skorelowanego stanu kwantowego dwóch lub więcej cząstek lub innych układów kwantowych. Ma on niemożliwą w fizyce klasycznej cechę polegającą na tym, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części.

Ze splątaniem mamy do czynienia wtedy, gdy funkcja falowa układu składającego się z dwóch podukładów nie da się zapisać w postaci iloczynu funkcji falowych każdego z podukładów.

Istnieje na przykład stan splątany polaryzacji dwóch fotonów, tzw. singlet, który ma tę właściwość, że jeżeli będziemy mierzyć polaryzacje obu fotonów, używając dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów, to zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. Natomiast zmierzone polaryzacje każdego z fotonów z osobna są zupełnie przypadkowe. Zatem para fotonów w stanie singletowym ma precyzyjnie określoną własność wspólną (polaryzacje mierzone tak samo ustawionymi polaryzatorami są zawsze przeciwne), natomiast stan podukładu, czyli pojedynczego fotonu, jest całkowicie nieokreślony — wynik pomiaru polaryzacji pojedynczego fotonu jest zupełnie przypadkowy. Splątanie nie zanika wraz z odległością – tak przewiduje teoria kwantów.

Paradoks EPR[edytuj | edytuj kod]

Pojęcie stanu splątanego prowadzi do tzw. paradoksu EPR. Jeśli dwie cząstki tworzące singlet oddalimy od siebie i zmierzymy spin jednej z nich, dostaniemy informację także o spinie tej drugiej. Ponieważ stan każdej z nich przed pomiarem jest nieokreślony, a z mechaniki kwantowej nie wynika żadne opóźnienie, więc Einstein, Podolski i Rosen doszli do wniosku, że oznacza to natychmiastowe oddziaływanie z nieskończoną prędkością, co jest sprzeczne z teorią względności. Einstein nazwał to zjawisko "upiornym działaniem na odległość".

Teorię sprawdzono eksperymentalnie. W jednym z eksperymentów splątane fotony były przesyłane na odległość 18 km od siebie. Stany kwantowe fotonów były nadal ze sobą skorelowane przy równoczesnym pomiarze, choć żadna informacja nie mogła przedostać się dostatecznie szybko pomiędzy nimi (musiałaby podróżować szybciej niż prędkość światła)[1][2]. Nie pozwala to jednak użyć splątania do przesyłania informacji szybciej od światła, gdyż odczytanie zakodowanej informacji jest możliwe dopiero po porównaniu stanu obydwu fotonów, co wymaga dodatkowego podświetlnego kanału komunikacji.

Splątanie nie wymaga też pojęcia "absolutnego czasu", który byłby potrzebny przy natychmiastowym oddziaływaniu, a który jest sprzeczny z teorią względności. Splątanie zachodzi bowiem także pomiędzy cząstkami oddalonymi w czasie[3] albo poruszającymi się względem siebie z dużą prędkością i ulega odpowiednim zmianom zgodnym z przekształceniami Lorentza[4].

Jedną z prób wyjaśnienia tego paradoksu, podjętą już przez Einsteina, było postulowanie istnienia tzw. teorii zmiennych ukrytych. Fotony z chwilą rozdzielenia mogłyby nieść pewną zakodowaną informację, która wpływałaby na ich przyszłe zachowanie. Informacja ta, czyli właśnie "zmienne ukryte", wyjaśniałaby ich późniejszy skorelowany stan. Analogicznie jeśli dwoje ludzi umówi się co do swoich dalszych działań, ich akcje mogą być później silnie powiązane ze sobą, choć nie mają już oni ze sobą kontaktu. Okazuje się jednak, że nie jest możliwe wyjaśnienie splątania za pomocą teorii zmiennych ukrytych. Udowodniono, że każda taka teoria dawałaby w pewnych warunkach mniejsze korelacje, niż są faktycznie obserwowane (tzw. twierdzenie Bella).

Z twierdzeniem Bella jest powiązane założenie tzw. lokalnego realizmu, głoszące, że każda cząstka i punkt przestrzeni oddziałują tylko z najbliższym otoczeniem ("lokalny") i dają się opisać skończoną liczbą parametrów ("realizm"). Np. przeciwne bieguny magnesów przyciągają się, gdyż każdy z nich wysyła kwanty pola elektromagnetycznego, które są opisane kilkoma parametrami ("realizm") i oddziałują na drugi magnes dopiero po dotarciu w jego pobliże ("lokalność"). Założenie lokalnego realizmu jest milcząco przyjmowane w ogólnej teorii względności, jednak na mocy twierdzenia Bella jest ono sprzeczne z mechaniką kwantową i z wynikami eksperymentów. Z twierdzenia nie wynika natomiast, czy poprawne jest założenie samego realizmu lub samej lokalności.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Kolejne odkrycia doprowadziły do sformułowania teorii stanu splątanego:

Pojęcie splątania zostało wprowadzone przez jednego z twórców mechaniki kwantowej – Erwina Schrödingera w 1935 roku. Stany splątane mają szerokie zastosowanie w informatyce kwantowej (zwłaszcza w kryptografii i teleportacji kwantowej).

W latach 90. XX wieku eksperymentalnie udowodniono istnienie splątania pomiędzy fotonami odległymi od siebie o kilkanaście kilometrów (grupa Gisin'a, Genewa). Potem zaobserwowano to zjawisko na odległości aż 144 km – doświadczenie przeprowadzone na wyspach La Palma i Teneryfa (Anton Zeilinger i współpracownicy).

Od 2011 roku rekordowa liczba splątanych atomów to 10 miliardów[5]. Rok później fizycy jednocześnie splątali rekordowo dużą liczbę 8 fotonów[6]. Również w tym roku w powietrzu o temperaturze pokojowej splątano 2 diamenty milimetrowej wielkości i oddalono je na odległość 15 centymetrów[7].

W czerwcu 2013 roku Juan Maldacena oraz Leonard Susskind w preprincie[8] zasugerowali, że splątanie kwantowe może być wynikiem istnienia między fotonami mostu Einsteina-Rosena.

Przypisy

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]