В 2022 году Джон Клаузер, Ален Аспект и Антон Цайлингер стали лауреатами Нобелевской премии по физике за эксперименты с запутанными фотонами. Они экспериментально доказали нарушение неравенства Белла и открыли эру квантовой информатики.
Что такое Квантовая запутанность ?
Квантовая запутанность есть состояние, при котором две системы настолько сильно коррелируют, что получение информации об одной системе немедленно дает информацию о другой, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся эти системы. Этот феномен нарушает закон, гласящий, что никакая информация не может передаваться быстрее скорости света. Однако эксперименты с использованием фотонов и электронов подтвердили квантовую запутанность. Квантовая запутанность возникает, когда две частицы становятся как бы «связанными». Они могут быть далеко друг от друга, но все равно «чувствуют» друг друга. Если что-то происходит с одной частицей, то другая частица «знает» об этом мгновенно.
Квантовая запутанность и корпускулярно-волновой дуализм есть два разных явления в квантовой физике, которые имеют разный физическое смысл и математическое описание.
Корпускулярно-волновой дуализм есть свойство одного квантового объекта, таких как электрон, атом или фотон проявлять свойства как частицы, так и волновые характеристики в зависимости от условий эксперимента. Например, электрон может дифрагировать на щели, как волна, или отражаться от поверхности, как частица. Корпускулярно-волновой дуализм описывается волновой функцией, является решением уравнения Шредингера и характеризует вероятность нахождения одного квантового объекта в определенном состоянии.
Квантовая запутанность есть явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми, даже если они разделены в пространстве. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении поляризации первого фотона она оказывается вертикальной, то поляризация второго фотона всегда оказывается горизонтальной, и наоборот. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если фотоны находятся на большом расстоянии друг от друга. Квантовая запутанность описывается совместной волновой функцией, которая является решением уравнения Шредингера для системы объектов и характеризует вероятность нахождения системы в определенном состоянии.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм относится к свойствам одиночных квантовых объектов, а квантовая запутанность относится к свойствам совокупности квантовых объектов. Кроме того, корпускулярно-волновой дуализм не нарушает принцип локальности, а квантовая запутанность предполагает мгновенную корреляцию между объектами, что может быть в противоречии с теорией относительности.
Сегодня квантовая запутанность позволяет решать такие задачи, как квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовая телепортация.
Квантовые вычисления
Проблемы, которые требуют много времени и вычислительной мощности, различные компании и отрасли промышленности пытаются решить с помощью квантовых компьютеров. Для обработки передачи информации между кубитами феномен квантовой запутанности как раз необходим для сокращения времени и вычислительной мощности.
В квантовых компьютерах изменение состояния запутанного кубита мгновенно изменяет состояние сопряженного кубита. Следовательно, явление квантовая запутанность повышает скорость обработки данных квантовых компьютеров. Удвоение количества кубитов не обязательно удвоит количество процессов, поскольку обработка одного кубита выявит информацию о нескольких, запутанных кубитах. Квантовая запутанность необходима для того, чтобы квантовый алгоритм обеспечивал экспоненциальное ускорение вычислений по сравнению с классическими вычислениями.
Квантовая криптография
Криптография есть процесс обмена информацией между двумя сторонами с использованием зашифрованного кода и ключа для расшифровки сообщения. В квантовой криптографии создание безопасного канала между двумя сторонами обеспечивается квантовой запутанностью. Если две системы полностью квантово запутаны, тогда они коррелируют друг с другом, и никакая третья сторона не разделяет эту корреляцию. Кроме того, квантовая криптография основывается на теореме о запрете клонирования, которая гласит: невозможно создать независимую и идентичную копию произвольного неизвестного квантового состояния. Следовательно, теоретически невозможно скопировать данные, закодированные в квантовом состоянии.
Квантовая телепортация
Квантовая телепортация есть процесс обмена квантовой информацией, на основе фотонов, атомов, электронов и сверхпроводящих цепей, между двумя сторонами. Отправитель должен иметь один из кубитов пары, а получатель обязательно другой кубит пары. Сила предварительной корреляции между кубитами отправителя и получателя увеличивает пропускную способность квантового канала. Квантовая телепортация позволяет проводить квантовые вычисления параллельно и потреблять меньше электроэнергии, снижая энергопотребление в 100-1000 раз. Разница между квантовой телепортацией и квантовой криптографией заключается в том , что
квантовая телепортация обменивается “квантовой” информацией по классическому каналу,
а квантовая криптография обменивается “классической” информацией по квантовому каналу.
Проблемы, с которыми в настоящее время сталкивается квантовая телепортация, есть Обьем телепортируемой информации и Обьем квантовой информации, которой обмениваются отправитель и получатель до телепортации.
Вопрос сверхсветовой скорости
На сегодня известны следующие особенности квантовой запутанности.
- Мгновенная связь. Когда две частицы становятся запутанными, любое изменение в состоянии одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними.
- Неразрушимая связь. Запутанность не может быть разрушена обычными средствами. Даже если частицы отделены на большие расстояния, они все еще остаются запутанными.
- Сложность измерения. Измерение состояния одной из запутанных частиц «разрушает» запутанность, что делает ее очень сложной для изучения и применения.
- Неопределенность. В отличие от классической физики, где мы можем знать все параметры системы, в квантовой механике невозможно точно знать все параметры запутанной системы до момента измерения.
- Запутанность и информация. Сегодня квантовая запутанность не позволяет передавать информацию быстрее скорости света, хотя на первый взгляд может показаться иначе.
Сегодня квантовая запутанность создается между небольшим числом частиц. Однако для большинства практических приложений, таких как квантовые компьютеры, необходимо создавать запутанность между большим числом частиц.
Некоторые ученые полагают, что квантовая запутанность может быть описана существованием гравитонов или тахионов, которые обмениваются информацией между частицами. Тогда скорость обмена информации между частицами равна или больше скорости света. Но сегодня гравитоны и тахионы существуют только на бумаге.
Квантовая запутанность есть одно из самых сложных и непонятных явлений в нашей Вселенной. Сегодня известны её особенности, возможности технологического использования, но полного теоретического понимания того, почему она так работает, на сегодня не существует.