Из всего, что я читал о квантовой механике и явлениях квантовой запутанности, для меня не очевидно, почему квантовая запутанность считается активным звеном. То есть каждый раз утверждается, что измерение одной частицы влияет на другую.
В моей голове есть менее волшебное объяснение: измерение запутанности влияет на обе частицы таким образом, что делает их состояния идентичными, хотя и неизвестными. В этом случае измерение одной частицы даст информацию о состоянии другой, но без волшебной мгновенной модификации удаленной запутанной частицы.
Очевидно, я не единственный, кому пришла в голову эта идея. Какие проблемы связаны с этим представлением и почему предпочтение отдается волшебному представлению?
Запутанность преподносится как «активное звено» только потому, что большинство людей, в том числе авторы популярных (а иногда и непопулярных, по выражению Сидни Коулмана) книг и статей, не разбираются в квантовой механике. И они не понимают квантовую механику, потому что не хотят верить, что она в корне верна: они всегда хотят вообразить, что за всеми наблюдениями стоит какая-то классическая физика. Но нет ни одного.
Вы абсолютно правы в том, что в связи между запутанными частицами нет ничего активного. Запутанность — это просто корреляция , которая потенциально может влиять на все комбинации величин (которые выражаются в виде операторов, поэтому место для размера и типов корреляций больше, чем в классической физике). Однако во всех случаях в реальном мире корреляция между частицами происходила из их общего происхождения — некоторой близости, существовавшей в прошлом.
Люди часто говорят, что есть что-то «активное», потому что представляют, что существует реальный процесс, известный как «коллапс волновой функции». Измерение одной частицы в паре «вызывает» коллапс волновой функции, что «активно» влияет и на другую частицу. Первый наблюдатель, который измеряет первую частицу, успевает «схлопнуть» и другую частицу.
Эта картина, конечно, ущербна. Волновая функция не является настоящей волной.Это просто набор чисел, единственной способностью которых является предсказание вероятности явления, которое может произойти в какой-то момент в будущем. Волновая функция запоминает все корреляции, потому что для каждой комбинации измерений запутанных частиц квантовая механика предсказывает некоторую вероятность. Но все эти вероятности существуют и за мгновение до измерения. Когда вещи измеряются, один из результатов просто реализуется. Чтобы упростить наши рассуждения, мы можем забыть о возможностях, которых больше не будет, потому что мы уже знаем, что произошло с первой частицей. Но этот шаг, на котором первоначальные полные вероятности для второй частицы были заменены условными вероятностями, учитывающими известный исход, связанный с первой частицей, это всего лишь изменение нашего знания, а не отдаленное влияние одной частицы на другую. Никакая информация не может быть получена быстрее света с использованием запутанных частиц. Квантовая теория поля позволяет легко доказать, что информация не может распространяться через пространственные расстояния — быстрее света. Важным фактом в этом рассуждении является то, что результаты коррелированных измерений все же случайны — мы не можем заставить другую частицу измеряться «вверху» или «внизу» (и таким образом передавать информацию), потому чтоу нас нет этого контроля даже над нашей собственной частицей (даже в принципе: нет никаких скрытых переменных, результат действительно случаен в соответствии с вероятностями, предсказанными КМ).
Я рекомендую прекрасную лекцию покойного Сидни Коулмана «Квантовая механика в вашем лице», в которой обсуждался этот и другие концептуальные вопросы квантовой механики и вопрос, почему люди продолжают говорить о ней глупости:
http://motls.blogspot.com/2010/11/sidney-coleman-quantum-mechanics-in.html
Я хочу завершить ответ @Luboš Motl, с чем я согласен. Я хочу сказать, почему люди продолжают совершать эту ошибку активной ссылки. Эта ошибка связана с одним из интереснейших свойств квантовой механики — теоремой Белла . Можно утверждать, что любая физическая теория является теорией скрытой переменной , причем скрытая переменная представляет собой описание состояния объекта, записанное описывающим его теоретиком. Для квантовой теории волновая функция объекта является скрытой переменной .
Теорема Белла утверждает, что предсказание квантовой теории не может быть описано какой-либо локальной теорией скрытых переменных. Точнее, для любого запутанного состояния можно найти набор измерений со статистикой, противоречащей любой теории локальных скрытых переменных. Три возможных объяснения:
(1) гораздо легче объяснить и часто появляется в популярной науке, главным образом потому, что (2) гораздо труднее объяснить и принять. Но я думаю, что большинство исследователей, работающих с запутанностью, предпочитают объяснение (2). Интуиция Эйнштейна равнялась 3 (до теоремы Белла), потому что он не мог принять (1) и (2).
Интересно, что оригинальная статья Эйнштейна 1936 года о парадоксе ЭПР была посвящена случаю, когда можно легко найти теорию локальной скрытой переменной. Состояние описывало то, что сейчас называется двухрежимным сжатым состоянием. Его функция Вигнера положительна и поэтому может быть интерпретирована как классическое распределение вероятностей по квадратурным измерениям (положение и импульс), единственное, обсуждаемое в статье ЭПР. Такой классический анализ запутанности может быть теоретически очень полезным и в некоторых случаях помочь интуиции без необходимости каких-либо жутких действий на расстоянии . Однако, как показал Белл, такая теория локальных скрытых переменных не может быть достаточно общей, чтобы охватить всю квантовую механику.
На самом деле ваша точка зрения весьма близка к «официальной»; запутанность возникает только потому, что обе частицы описываются одной волновой функцией; магия заключается в нашей классической привычке думать, что отдельные объекты описываются отдельными «координатами».
Просто хороший аналог . Профессор Юрген Одретш однажды сказал мне:
Представьте, что дома вы не глядя засовываете в пальто одну перчатку (и замечаете, что это только одна из двух). Выйдя из поезда, вы замечаете, что холодно, и вытаскиваете эту единственную перчатку. В этот самый момент вы знаете, что это либо левая, либо правая перчатка, и, следовательно, вы знаете, какая из них осталась дома. Однако никакая информация не была передана вашим «измерением». Конечно, в квантовой механике это сложнее из-за не совсем измеримой волновой функции, но это основная идея.
для меня неочевидно, почему активным звеном считается квантовая запутанность
Давайте пройдемся по частному варианту парадокса ЭПР. Вы, наверное, уже знаете это, но я не знаю, как объяснить проблему по-другому:
Рассмотрим источник, производящий запутанные пары фотонов, поляризованных в направлении z с нулевым суммарным спином, и двух физиков Алису и Боба, производящих измерения.
Алиса всегда измеряет спиновую составляющую своего фотона в направлении x, тогда как Боб может измерять спиновую составляющую своего фотона либо в x-, либо в y-направлении.
Предположим, что источник, Алиса и Боб покоятся относительно лабораторной системы отсчета, но Боб находится ближе к источнику и производит измерение первым. Если Боб произведет измерение в направлении Y, измерения Алисы не будут коррелированы. Если Боб произведет измерение в направлении x (с поправкой), результаты будут коррелированы: Алиса всегда будет измерять противоположное вращение.
Это парадоксально, если вы предполагаете, что коллапс волновой функции реален и локален, как бы он ни происходил (магия, декогеренция, стохастические взаимодействия или что-то еще, что вас не устраивает).
Каким-то образом фотон Боба должен сказать своему партнеру, что он может делать все, что захочет, если измерение было проведено в направлении y, но заставить его поступать правильно, если измерение было выполнено в направлении x. Эта информация должна распространяться быстрее света, чтобы она была доступна до того, как Алиса проведет измерение.
Есть несколько возможных выходов из этой ситуации, и я перечислю три из них:
Во-первых, вы можете утверждать, что коллапса никогда не было, что мы имеем дело только со статистической корреляцией, а парадокс является результатом применения классической интуиции к квантовым системам.
Во-вторых, вы можете предположить, что жуткое действие на расстоянии симметрично во времени, т. е. измерения Алисы и Боба будут посылать информацию медленнее света, но в обратном направлении во времени, пока не достигнет события, вызвавшего запутанность, которое, в свою очередь, отправит информация вперед во времени. Фотоны всегда будут знать, какое вращение им нужно в итоге. Псевдо-время, которое я использовал в своем объяснении, — всего лишь дидактический инструмент: физический процесс — это вневременное вмешательство в пространство-время.
В-третьих, вы можете признать, что действительно существуют сверхсветовые взаимодействия, которые, однако, нельзя использовать для передачи информации — они являются внутренним бухгалтерским механизмом, который поддерживает синхронизацию Вселенной. То же самое происходит и в квантовой теории поля, что становится явным, если вы используете картину виртуальной частицы, но даже без нее существуют корреляции между возбуждениями поля через пространственно-подобное разделение.
Не совсем ясно, являются ли случаи 1, 2 и 3 исчерпывающими. В дискуссиях об этом явлении используется множество терминов, которые не имеют точного определения. Например, «частица» и «система». Если есть запутанность, то есть одна комбинированная система, и неправильно называть эту комбинированную систему «двумя частицами».
Комментарий о реализме и приближении также неточен: все положения и данные в классической физике тоже приблизительны, это не имеет ничего общего с различием между классической и квантовой или различием между использованием гамильтоновой системы, состояния которой являются точками, заданными импульсом и положением. координат и используя гамильтонову систему, точки которой являются лучами в гильбертовом пространстве.
Комментарий о запутанности, происходящей только из смежности в прошлом, неточен, и даже если он верен, он ничего не доказывает. не имеет практического значения.
Комментарии людей здесь касаются важного вопроса о том, является ли волновая функция объективной или субъективной. Точка зрения, согласно которой вероятности представляют наши знания, называется «байесовской» точкой зрения, это байесовская или субъективная интерпретация вероятности, в отличие от «объективной точки зрения», которая имеет некоторые проблемы. Но у байесовской точки зрения также есть проблемы, поскольку вы связываете квантовую механику с сознанием, а не с материальными измерительными приборами, такими как счетчики Гейгера и пузырьковые камеры.
Так что другой ответ на ваш вопрос таков: люди предпочитают говорить об активной связи, потому что они не могут принять субъективную интерпретацию вероятности и волновой функции. Существует множество современных исследований, изучающих квантовые измерения как реальный физический процесс, включающий термодинамические пределы неустойчивых систем с отрицательной температурой (пузырьковые камеры и т. д.).
Другими словами:
Альтернатива 1 неявно предполагает, что в объединенной системе есть «две частицы», но это, вероятно, заблуждение: квантовая механика на самом деле не признает никакого точного понятия частицы. Как и в термодинамических пределах, понятие «частица» является полезным приближением в определенном диапазоне настроек и теряет силу и приводит к парадоксам, если вы пытаетесь использовать его вне пределов его применимости.
Альтернатива 2 неявно предполагает, что если что-то вроде волновой функции может быть измерено только приблизительно, то оно каким-то образом не является «физическим», но это чрезмерно упрощенно и беспокоит людей из-за кажущейся необходимости приплетать субъективную байесовскую точку зрения.
Альтернатива 3, по крайней мере, настолько открыта, что к ней нельзя придраться, но и для нее нет ни малейшего экспериментального подтверждения. Единственные проблемы с QM носят логический, а не экспериментальный характер.
Следовательно, если кто-то ставит под сомнение неявные предположения, сделанные о небрежном использовании таких понятий, как «частица», «система» и «вероятность», то существует гораздо больше альтернатив, и окончательный ответ — «нет».
Я думаю, что лучшая картина для понимания этой корреляции дается многомировой интерпретацией:
Синглет распадается в суперпозиции связанных пар частиц , поэтому наблюдатель А видит простую суперпозицию (что является частичным следом глобальной матрицы плотности), как и B.
В многомировой интерпретации наблюдатель А будет разделен на и наблюдатель (как и наблюдатель B). Где же проявится эффект корреляции?
Эффект «связывания» возникает, когда наблюдатель A и наблюдатель B соединяются вместе на субсветовых скоростях, чтобы сравнить записи своих измерений: (помните, что согласно множеству миров у нас есть два наблюдателя A и два наблюдателя B).
Наблюдатель A+ не может взаимодействовать с наблюдателем B+ из-за сохранения углового момента (иначе они оба согласятся, что угловой момент не сохраняется). Точно так же наблюдатель A- не может взаимодействовать с наблюдателем B- по той же причине.
Итак, оставшиеся взаимодействия между наблюдателями:
А+ взаимодействует с В-
А- взаимодействует с В+
поэтому конечное состояние является суперпозицией а также , что интерпретируется как «корреляция между удаленными наблюдениями».
каждый раз утверждается, что измерение одной частицы влияет на другую
Да, это правильно. Когда измеряется одна из частиц, это фиксирует состояние этой частицы и ее партнера.
измерение запутывания влияет на обе частицы таким образом, что делает их состояния идентичными, хотя и неизвестными.
Это неправильно. Частицы запутываются перед измерением. Измерение делает состояние частицы известным. После измерения мы обнаруживаем, что определено не только состояние частицы, но и ее партнеров. Невозможно измерить одно из них, не повлияв на другое. Состояния после измерения не обязательно идентичны. Измерение запутанных частиц дает случайные результаты, не соответствующие ожидаемому их поведению.
волшебная мгновенная модификация удаленной запутанной частицы
Запутанная частица не модифицируется мгновенно. Он будет находиться в одном из своих возможных состояний после измерения.
Квантовая запутанность считается активным звеном, потому что состояние обеих частиц становится определенным, когда измеряется только одна.
какие проблемы связаны с этим представлением?
«Кажется», что прикосновение к одной частице касается другой, не касаясь ее!
Попробуем разобраться через Sock Physics. Предположим, у вас есть два носка, которые подчиняются законам классической физики и они разного цвета, теперь вы берете один из них, не зная, и оставляете один из них дома, не зная, какой вы взяли. Потом, когда вы оказались на другой планете, вы решили поискать. Вы обнаружите, что он зеленый, и можете сделать вывод, что другой носок должен быть синим. Почему ? Потому что это классическая физика. Вы знаете, что классическая физика, следуя за объектами, ведет себя так по опыту классической физики .
Теперь предположим, что есть два перепутанных носка, которые подчиняются законам квантовой физики. Вы измерили одно и могли сделать вывод о другом из-за их запутанной природы. Почему ? Потому что они подчиняются квантовым законам. Квантовые законы странны, но они говорят вам о том, что произошло. Все дерьмо с передачей информации придет, если вы попытаетесь понять квантовые законы через классическую картину. В квантовых законах у вас также есть передача информации. Оказывается, здесь он не нужен.
А остальное понятно из ответа Любоша Мотля. Почему волновая функция не является настоящей волной и, следовательно, в некоторых случаях может двигаться быстрее света, а в некоторых нет. Ваши настоящие частицы не могут двигаться быстрее света, и эволюция волновой функции будет автоматически регулироваться в соответствии с заданными для этого ограничениями в КТП, а не в нерелятивистской квантовой механике.
диффеоморфизм
Кевин Костлан
Кнчжоу