Основы квантовой физики

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Квантовые чудеса

Мы живем в мире, полном загадок. И одну из непостижимых тайн квантового мира вы сможете увидеть прямо сейчас. Все, что вам для этого потребуется, это посмотреть в… окно.
В окне вы увидите улицу и… отражение комнаты. Ну и что с этого?
Для физиков остается загадкой формирование ОТРАЖЕНИЯ в стекле. Почему одни фотоны света пролетают стекло насквозь, и нас могут видеть через окно люди, а другие фотоны отражаются, и мы видим себя в отражении?
Физики не знают и не представляют, как узнать (непостижимая загадка мира), как фотон «принимает решение» отразиться или пролететь сквозь стекло. Единственное, что они знают, так это то, что где-то 4 % фотонов отражаются от стекла.
Но чудеса только начинаются!

«В действительности кусок стекла — это страшно сложное чудовище, в котором кишит огромное количество электронов…

Если частичное отражение от одной поверхности — это непостижимая загадка и трудная проблема, то частичное отражение от двух или более поверхностей совершенно ошеломляет…» (Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике).

Представьте, что вы решили добавить вторую поверхность (использовать стеклянную пластину с передней и задней поверхностью). Что тогда произойдет с отражением? Казалось бы, что от передней поверхности отразится 4 % и от задней — 4 %, итого 8 % фотонов вернется к нам в виде отражения.
Куда там! Отражение в случае двух поверхностей плавает от 16 до 0 %.
Да, да… до нуля. Это означает, что если изменять толщину стекла, то отражение рано или поздно ИСЧЕЗНЕТ!!!
Вы что-нибудь из этого понимаете? Как свет узнает, что мы добавили еще одну поверхность? Почему «выключается» отражение или, наоборот, усиливается до 16 %? Загадка. Сам Ньютон не мог ее разрешить…
Разве это не круто, наблюдать чудеса квантового мира, просто смотря в окно или на свое отражение в воде?
О том, как бьются ведущие физики мира над вопросом отражения в стекле, вы можете узнать из книги нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана «КЭД — странная теория вещества».

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Как появилось время? Квантовое объяснение простым языком

У науки есть привычка задавать глупые вопросы. Глупые, конечно, по меркам здравого смысла. Но снова и снова мы приходим к выводу, что здравый смысл-это плохое руководство к тому, что действительно происходит в мире.
Итак, если ваш ответ на вопрос: "Почему время всегда идет вперед, а не назад?" - разве это глупо-спрашивать?
Конечно, мы можем просто сказать, что будущее не влияет на прошлое, потому что этого еще не случилось. На самом деле нет, ибо вопрос о том, откуда взялась стрела времени, является более тонким и сложным, чем кажется.
Более того, это утверждение может даже быть ложью. Некоторые ученые и философы считают, что будущее действительно может повлиять на прошлое – хотя мы узнаем об этом только тогда, когда наступит будущее. И это может быть возможно благодаря эмерджентному свойству квантовой механики.
Во всех смыслах нам кажется, что время имеет направление.
Наш повседневный опыт утверждает, что все происходит только в одном направлении. Чашки кофе всегда становятся холоднее, а не теплее, когда их оставляют в комнате. Если ее сбросить на пол, то она разобьется на осколки и кофе разольется по полу, но осколки и брызги никогда спонтанно не соберутся в чашку кофе обратно.


http://welovewords.com/system/docume...?1378312861Тем не менее, ни один из этих односторонних потоков времени не является очевидным, когда вы смотрите на фундаментальные законы физики, которые описывают, как атомы отскакивают друг от друга.
Эти законы движения не делают никакого различия относительно направления времени. Если бы вы посмотрели видео с двумя бильярдными шарами, сталкивающимися и отскакивающими, вы не смогли бы сказать, катится он вперед или же назад.


https://fastly.4sqi.net/img/general/...PDtbwLUmA.jpgВ то же самое временная симметрия обнаруживается в уравнениях квантовой механики, которые управляют поведением крошечных вещей, таких как атомы. Так где же стрела времени входит в картину нашего мира?
На это есть давний ответ, который гласит, что Стрелка входит только тогда, когда вы начинаете думать о множестве частиц.
Процесс столкновения двух атомов выглядит совершенно обратимым. Но когда атомов много, их взаимодействие неизбежно приводит к увеличению случайности – просто потому, что это наиболее вероятно.
Скажем, у вас есть газовые молекулы азота в одной половине коробки и молекулы кислорода в другой, разделенные перегородкой. Если вы уберете перегородку, случайные движения молекул быстро смешают два газа полностью.
В законах физики нет ничего, что могло бы предотвратить обратное. Смесь этих двух газов могла самопроизвольно разделиться на кислород в одной половине ящика и азот в другой, просто случайно.
Но это никогда не произойдет на практике, потому что вероятность того, что все эти миллиарды молекул просто случайно переместятся в этом направлении, очень мала. Вам придется ждать дольше, чем возраст Вселенной, чтобы произошло спонтанное разделение.
Этот неумолимый рост случайности закреплен во втором законе термодинамики. Количество случайности измеряется величиной, называемой энтропией, и второй закон гласит, что в любом процессе общая энтропия Вселенной всегда увеличивается.
Конечно, мы можем уменьшить энтропию группы молекул, скажем, путем сортировки их друг от друга. Но выполнение этой работы неизбежно высвобождает тепло, которое создает больше беспорядка – больше энтропии где-то еще. От этого никуда не деться.
Однако энтропийная стрела времени становится менее четко определенной на меньших масштабах. Например, шансы трех молекул кислорода и двух молекул азота на короткое время "не смешаться" довольно велики.
Исследователи, изучающие отдельные молекулы, обнаружили доказательства того, что рост энтропии является хорошим показателем того, насколько далеко система была от обращения во времени.
Этот аргумент об энтропии, который был разработан в конце XIX века австрийским ученым Людвигом Больцманом, часто рассматривается как полный и удовлетворительный ответ на загадку стрелы времени.
Но оказывается, что Вселенная хранит и более глубокие тайны. Когда вы начинаете смотреть на очень маленькие вещи, аккуратная история Больцмана становится все более запутанной.
На картине Больцмана требуется некоторое время, чтобы стрелка времени нашла свое направление. За те крохотные доли секунды, которые прошли после удаления перегородки между двумя газами, прежде чем какая-либо из молекул действительно сдвинулась с места, ничто не показывает, в каком направлении движется время вперед.


https://filed9-25.my.mail.ru/pic?url...980026Энтропия возрастает, когда столкновения между атомами выравнивают их энергии, например, когда тепло горячего кофе распространяется в окружающий воздух. Этот процесс, который смывает накопленные запасы энергии, называется диссипацией.
До тех пор, пока диссипация не начнет происходить, процесс выглядит почти одинаково назад или вперед во времени. На самом деле у него нет термодинамической стрелки.
Но в квантовой механике существует односторонний процесс, который происходит гораздо быстрее. Это называется декогеренцией.


Возможно ли повернуть время назад? Квантовое объяснение простым языком. Часть 2


Если вы не читали первую часть статьи, то настоятельно рекомендую ознакомиться с ней, чтобы у вас была полная картина происходящего в данной статье.


Мы говорили про то, что декогеренция - это односторонний процесс в квантовой механике. Декогеренция объясняет, почему объекты в повседневном масштабе кофейных чашек не показывают волнообразное поведение квантовых объектов.
На квантовом уровне частицы ведут себя так, как если бы они были волнами. Это имеет особые последствия.
Например , если вы выстрелите отдельные электроны или целые атомы через две близко расположенные щели в экране, они будут интерферировать друг с другом, как если бы они были волнами. Но этого не происходит с объектами обычного размера. Если вы бросаете две кофейные чашки через два открытых окна, они не мешают друг другу.


Атомы проникают через две щели в экране и интерферируют.
Это происходит потому, что квантовые частицы могут быть скоординированы в их квантовой волнистости, но, если их много как бесчисленных атомов в кофейной чашке – они быстро теряют любую координацию. Это означает, что объект, который они образуют, не может проявлять квантовое поведение.
Декогерентность происходит из-за взаимодействий между объектами и окружающей их средой. Например, при воздействии молекул воздуха на чашку. Квантовая теория показывает, что эти взаимодействия быстро вызывают "утечку квантумности" большого объекта в его окружающую среду.
Это означает, что объект приобретает уникальные характеристики. Квантовая теория говорит нам, что объекты могут проявлять одно из многих возможных свойств, когда они измеряются, но в нашем повседневном мире объекты имеют только одно четко определенное положение, скорость и т. д. Декогерентность считается так, как этот "выбор " осуществляется.
Квантовая декогеренция невероятно быстра, потому что взаимодействия между частицами чрезвычайно эффективны для рассеивания квантовой когерентности.
Для пылинки диаметром в одну тысячную сантиметра, летающей в воздухе, столкновения других молекул воздуха разрушат любое квантовое поведение примерно за 0,000000000000000000000000001 секунды. Это триллионная часть времени, которое требуется свету, чтобы пересечь поверхность одного атома водорода.
Это намного быстрее, чем время, которое требуется для того, чтобы тепло в пылинке перераспределилось в окружающую среду. Другими словами, декогерентность быстрее диссипации, и она работает только в одном направлении. Это означает, что декогеренция обнаруживает стрелку времени быстрее, чем рассеивание.
Это означает, что стрела времени действительно исходит из квантовой механики, а не из термодинамики, как думал Больцман.
В каком-то смысле так и должно быть, потому что все состоит из атомов, а квантовая механика-это правильная теория, которую можно использовать для атомов.
"Термодинамическая стрела времени должна исходить из квантовой", - говорит Джордж Эллис из Университета Кейптауна в Южной Африке.


https://alchetron.com/cdn/george-f-r...resize-750.jpg
И все же в конечном счете квантовое и термодинамическое объяснения сводятся к одному и тому же: скремблированию информации.
Нетрудно заметить, что смешивание двух типов молекул газа - это своего рода скремблирование, разрушение упорядоченности.
Но декогеренция также включает в себя скремблирование координации между "волнами", которые описывают квантовые объекты. По сути, декогерентность возникает из того, как взаимодействие с атомами, фотонами и т. д. В окружающей среде объекта уносит информацию об объекте и рассеивает ее вокруг. Это, по сути, квантовая версия энтропии.
Таким образом, как в классическом, так и в квантовом случаях стрела времени возникает из-за потери информации.
Это предлагает лучший способ думать о стреле времени. Он указывает направление, в котором информация теряется и никогда не может быть восстановлена.
Процесс по-настоящему необратим только тогда, когда информация об изменении теряется, так что вы не можете отследить свои шаги. Если бы вы могли отслеживать движение каждой отдельной частицы, то в принципе вы могли бы повернуть его вспять и вернуться точно туда, откуда вы начали. Но как только вы потеряете часть этой информации, возврата уже не будет.
"Потеря информации - это ключевой аспект". В макроскопическом масштабе это создает второй закон.
До сих пор не совсем ясно, когда в квантовом мире информация действительно теряется.


https://монада.рф/sites/default/file...0.jpgНекоторые исследователи считают, что одной декогеренции достаточно. Но другие говорят, что информация, хотя размазанная и рассеянная, в окружающей среде, все же восстанавливается. Они полагают, что происходит дополнительный, довольно таинственный процесс, называемый "коллапс волновой функции", в котором квантовая волнистость необратимо теряется. Только тогда, говорили, что стрела времени однозначно указывает в одном направлении.
https://zen.yandex.ru/media/id/5dad9...6eaf00b019da8d

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://nplus1.ru/blog/2019/09/24/qu...zen.yandex.com

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://yandex.ru/turbo?text=https%3...zen.yandex.com

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Парадоксальная реальность квантовой механики

Существуют ли скрытые параметры и что такое квантовый ластик

Михаил Коробко




Коллекция
Квантовая механика

Сохранить гид




Контринтуитивность квантовой механики породила множество споров между учеными (вспомним каноничное противостояние Эйнштейна и Бора) и теорий, призванных доказать несостоятельность этой теории. Однако развитие технологий в XX–XXI веках позволило ученым проводить более сложные физические эксперименты, которые раз за разом доказывают, что парадоксальные положения квантовой механики подтверждаются. Вместе с физиком Михаилом Коробко разбираемся, что это значит.
Это материал из гида «Квантовая механика». Партнер гида — Академия Росатома.


Квантовая физика — самая успешная физическая теория, созданная человечеством. Вся современная цивилизация пользуется технологиями, невозможными без квантовых эффектов: флеш-память в компьютере, лазеры и фотодиоды, транзисторы, МРТ и электронные микроскопы. Квантовая криптография защищает передачу сообщений, а квантовые компьютеры откроют принципиальные новые возможности в вычислениях. Квантовые эффекты применяются в фундаментальной науке: гравитационно-волновые детекторы используют квантовый свет для наблюдения гравитационных волн от слияния черных дыр, коллайдеры ищут новые частицы, используя сверхпроводящие магниты, а детекторы темной материи повышают чувствительность при помощи квантовых корреляций.
Несмотря на это, квантовая физика полна парадоксов и явлений, которые не поддаются простому интуитивному объяснению — настолько, что даже сами основатели квантовой теории сомневались в ее справедливости: Шрёдингер придумал эксперимент с котом, чтобы продемонстрировать абсурдность предсказаний теории, а Эйнштейн до конца жизни предлагал мысленные эксперименты, демонстрирующие неполноту квантовой теории. Хотя вопрос о том, как интерпретировать квантовую теорию, еще не закрыт, в последние десятилетия было проведено множество экспериментов, позволивших подтвердить парадоксальную реальность квантовой физики.


ЭПР-парадокс

Одним из центральных аргументов против квантовой теории, а точнее, ее полноты был сформулирован Эйнштейном, Подольским и Розеном (ЭПР) в 1935 году. Они предложили мысленный эксперимент, который, как им казалось, нарушал сами основы квантовой механики. Однако впоследствии оказалось, что этот эксперимент не просто находился в согласии с теорией, но и подчеркивал ее главную необычную особенность — квантовую запутанность.
Прежде чем перейти к формулировке парадокса, важно понять, как в квантовой теории связаны состояние системы и измерения над ней.
Состояние системы в квантовой физике описывается волновой функцией, которая подчиняется общему закону эволюции во времени — уравнению Шрёдингера. Ученые до сих пор спорят, является ли волновая функция физическим объектом или только мерой нашего знания о системе и удобным инструментом для ее описания, в то время как физическая реальность имеет совершенно иное описание. Изучению этого посвящены разные интерпретации квантовой механики. Мы будем придерживаться агностического взгляда на интерпретации: следовать математическому описанию и избегать утверждений, нуждающихся в интерпретации. В любой интерпретации волновая функция характеризует вероятность измерить систему в том или ином состоянии. Например, волновая функция свободной частицы оказывается нормальным распределением вокруг некоторой координаты х c отклонением ∆x. Это значит, что если мы приготовим большое количество идентичных частиц в таком состоянии и измерим их координату, в среднем мы получим значение x. При этом ∆x будет неопределенностью координаты. Аналогичным образом можно задать и неопределенность импульса ∆p. Между неопределенностями координаты и импульса существует связь: их произведение не может превышать определенную постоянную величину ∆x∆p >= ħ/2. Это соотношение неопределенностей Гейзенберга оказывается фундаментально важным для квантовой теории. Оно утверждает, что невозможно одновременно измерить точно координату и импульс частицы: измеряя одну величину с большей точностью, мы обязательно воздействуем на другую так, что неопределенность в ней увеличивается. Чем точнее мы измеряем координату, тем сильнее воздействуем на частицу и тем больше оказывается неопределенность импульса.



На картинке слева изображена трехмерная функция (Вигнера), характеризующая вероятность измерить частицу с определенными координатой и импульсом. Эта функция напрямую связана с волновой функцией, которая описывает состояние частицы. Проекции функции Вигнера на плоскости задают распределения вероятностей для координаты и импульса. Ширина этих распределений называется неопределенностью. На картинке справа изображен вид на функцию вигнера сверху (точнее, ее срез). Такое представление позволяет удобно отмечать, какие значения координаты и импульса были получены при измерении и как они соотносятся с неопределенностью.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Итак, в нашем мысленном эксперименте со свободной частицей ее начальное состояние описывается волновой функцией в двух измерениях — координатном и импульсном, а характерный размер волновой функции задан их неопределенностью ∆x_0 и ∆p_0, которые связаны соотношением неопределенности ∆x_0 ∆p_0 = ħ/2. Допустим, мы произвели измерение координаты и узнали ее с большей точностью: ∆x_1 < ∆x_0. Измерительный прибор подействовал на частицу, и неопределенность ее импульса выросла так, чтобы соблюсти соотношение неопределенности: ∆p_1 > ∆p_0, ∆x_1 ∆p_1 = ħ/2. То есть волновая функция, описывающая состояние частицы, изменилась под действием измерения. В предельном случае мы можем узнать координату частицы точно, но тогда ее импульс окажется полностью неопределен (то есть при измерении импульс примет произвольное значение).



Одна частица распадается на две одинаковые частицы, которые разлетаются в противоположные стороны. По закону сохранения импульса, они обладают равным по величине и противоположным по направлению импульсом. Так как их скорости равны по закону сохранения энергии, они пролетят одинаковое расстояние х за данный промежуток времени.

Парадокс ЭПР основан как раз на этом свойстве измерения квантовой системы. В мысленном эксперименте ЭПР одна частица распадается на две одинаковые частицы, которые по законам сохранения импульса и энергии должны обладать одинаковым по величине импульсом и разлетаться в противоположные стороны. Это значит, что, точно измерив положение первой частицы, мы можем абсолютно точно узнать положение второй частицы, так как они симметрично разлетелись в две стороны. При этом на вторую частицу не оказывается никакого воздействия. Поэтому мы можем измерить импульс второй частицы и рассчитать импульс первой, таким образом узнав и координату, и импульс обеих частиц, нарушая соотношение неопределенностей. Поэтому, рассуждали Эйнштейн, Подольский и Розен, либо нарушается соотношение неопределенностей — основа основ квантовой теории, — либо приходится допустить возможность мгновенного взаимодействия между двумя частицами ради сохранения соотношения неопределенностей. Другими словами, в парадоксе ЭПР мы измеряем одну частицу и точно знаем параметры второй частицы до того, как над ней производится измерение.
На тот момент в физике господствовала теория локального реализма, утверждавшая, что: 1) параметры физических систем, такие как импульс или координата, являются объективными и могут быть измерены (реализм) и 2) физические системы могут взаимодействовать только локально, то есть физическая система не может изменить реальное состояние из-за измерений, произведенных на удалении (локальность). Локальность подразумевает, что любые взаимодействия между системами могут происходить только с помощью некоторого переносчика взаимодействия, распространяющегося со скоростью света.
Парадокс ЭПР нарушал принцип локального реализма: либо квантовая теория не полностью описывает физическую реальность, либо нарушается локальность — и ограничение на максимальную скорость распространения взаимодействия. Нарушение локальности шло вразрез с теорией относительности, поэтому Эйнштейн, Подольский и Розен заключили, что квантовая теория неполна.


Скрытые переменные

Чтобы дополнить квантовую теорию, необходимо было ввести дополнительные параметры — скрытые переменные, которые полностью определяли бы результаты измерений, но при этом они сами были бы недоступны для наблюдений. Со скрытыми переменными результат измерений в эксперименте ЭПР задавался бы в момент разделения частиц и был бы просто недоступен нам до момента измерений. Другими словами, частицы обладают определенным состоянием, просто оно нам еще не известно.
Удивительным оказалось доказательство того, что скрытые переменные — точнее, их локальный вариант — не могут существовать. Разберем простой пример доказательства, названный экспериментом GHZ (по именам авторов — физиков Гринбергера, Хорна и Цайлингера). Рассмотрим систему из трех частиц — А, Б, В, у которых могут быть измерены параметры Х и Y. Каждое измерение возвращает результат +1 или -1. Частицы приготовлены в таком состоянии, что: (1) если у всех трех частиц измерен параметр Х, то произведение трех результатов измерений всегда равно -1; (2) если у любых двух частиц измерен параметр Y, а у третьей — X, то произведение трех результатов измерений равно +1. Если теория скрытых переменных верна, то результаты измерений заданы заранее — частицы уже обладают определенным значением параметра, просто мы еще не знаем об этом. В таком случае предположим, что мы измеряем разные комбинации частиц и записываем результаты в таблицу:

Заметим, что условие (2) накладывает определенные ограничения на возможные значения измерений: если XA=1, то YБYВ=1, а если XA=-1, то YБYВ=-1 (аналогично для других результатов измерений). То есть XA=YБYВ, XБ=YАYВ, ХВ=YАYБ. Тогда мы можем расписать произведение всех измерений X через Y: XAXБXВ=YБYВYАYВYАYБ=(YА)2(YБ)2(YВ)2=1. Но по условию (1) XAXБXВ=-1 мы получили противоречие. При этом во всем рассуждении единственным предположением было то, что частицы обладают определенным значением параметров до измерения.В нашем простом мысленном эксперименте мы смогли опровергнуть это предположение и вместе с ним наличие локальных скрытых переменных. Разумеется, этот эксперимент был проведен в лабораториях и полностью подтвердил предсказание мысленного эксперимента. Локальные скрытые переменные не существуют в нашем мире. А это значит, что нам приходится распрощаться с локальным реализмом.
Исторически скрытые переменные были исключены экспериментальной проверкой неравенств Белла. Эти неравенства основаны на статистическом исследовании корреляций между измерениями разных комбинаций параметров в эксперименте ЭПР (в нашем примере выше — координаты и импульсы). Чтобы лучше понять суть аргумента Белла, давайте вместо квантовых частиц рассмотрим мысленный эксперимент с двумя людьми. Допустим, у нас есть два человека, мы задаем им один из трех вопросов, на который может быть ответ «да» или «нет». Мы заранее им говорим, какие могут быть вопросы, а затем развозим далеко друг от друга. Там мы задаем им вопросы и сверяем их ответы. Когда мы задаем им одинаковые вопросы, мы замечаем, что они всегда дают одинаковые ответы. Как они умудряются провернуть такой фокус? Есть две возможности: либо они заранее договорились, как отвечать на каждый вопрос, либо они как-то могут телепатически общаться друг с другом на любом расстоянии, чтобы ответы на один вопрос у них совпадали. Как вы может заметить, этот эксперимент как раз аналогичен парадоксу ЭПР, где у частиц оказывались «согласованы» измерения координаты или импульса. Завершая аналогию: вариант с телепатией — это нелокальность в парадоксе ЭПР, а предварительная договоренность — локальные скрытые переменные. Однако в таком варианте эксперимента мы не можем определиться с тем, договорились ли люди заранее.
Чтобы разобраться с этим, усложним задачу: мы будем задавать случайный вопрос из трех (необязательно один и тот же для двоих), повторим эксперимент множество раз и посмотрим, какова будет статистика совпадения ответов в двух случаях. Если люди договариваются отвечать одинаково на определенные вопросы (при каждом повторе эксперимента случайным образом), все возможные комбинации их договоренности можно перечислить:




Вопрос задается случайным образом, и в ⅓ случаев вопросы для обоих людей будут совпадать, а значит, и их ответы тоже. В оставшихся ⅔ случаев вопросы совпадать не будут. Теперь предположим, что договоренность включает в себя одинаковый ответ на два из трех вопросов (то есть первые шесть случаев из таблицы выше). В таком случае ответы на разные вопросы будут совпадать в ⅓ случаев, как видно из таблички. Итого при повторении эксперимента множество раз мы получим одинаковые ответы в ⅓ + ⅔ * ⅓ = 55,55% случаев. Осталось два случая, когда у них все три ответа совпадают, что только повысит общую вероятность совпадения ответов. Так что можно сформулировать «неравенство»: если два человека заранее договариваются об ответах, вероятность совпадения ответов при случайных вопросах составляет не меньше 55,55%.
Чем же отличается случай, когда они могут «общаться» телепатически? У них нет заранее условленных ответов, поэтому, если вопросы совпадают, они всегда отвечают одинаково. Если вопросы различаются, для определенным образом подобранных вопросов оказывается, что ответы на разные вопросы совпадают в 25% случаев. Итого при «телепатии» мы получаем одинаковые ответы в ⅓ + ⅔ * ¼ = 50% случаев. Случай телепатии нарушает наше неравенство, сформулированное ранее. То есть если мы проведем эксперимент и покажем, что ответы совпадают в 50% случаев (или даже просто реже, чем в 55,55%), то мы докажем, что игроки не могли договориться заранее. Мы с вами только что построили неравенства, аналогичные неравенствам Белла в квантовой физике, которые были созданы для опровержения существования локальных скрытых переменных. Мы использовали их, чтобы доказать, что два человека не могли договориться заранее, что было бы аналогично использованию локальных скрытых переменных. Эксперименты по проверке нарушения неравенств Белла были проведены множество раз, и их результаты однозначно показали, что локальных скрытых переменных не существует.
Итак, парадокс ЭПР разрешился, но совсем непривычным для нас образом: нам приходится выкинуть одно из предположений, сделанных ЭПР. На самом деле кроме упомянутых локальности и реализма мы сделали еще два скрытых предположения: 1) изначально измерительный прибор статистически независим от системы частиц; 2) результат измерений случаен, задан вероятностным распределением волновой функции, и реализуется только один из возможных вариантов. В зависимости от того, какое из предположений ЭПР мы устраняем, мы приходим к одной из разных интерпретаций квантовой механики. Если мы избавляемся от реализма, нам приходится признать, что волновая функция не описывает реальный мир, а является просто удобным инструментом для объяснения результатов экспериментов — такой точки зрения придерживается Копенгагенская интерпретация и другие, например QBism. Если мы согласны пожертвовать локальностью, нам подойдет интерпретация с нелокальными скрытыми переменными (неравенства Белла и эксперимент GHZ их не исключают), например теория Бома. Если предположить, что статистическая независимость измерений ошибочна, мы обращаемся к теориям супердетерминизма. Наконец, если предположить, что при измерении реализуются все возможные варианты, заданные волновой функцией, то мы приходим к многомировой интерпретации. На настоящий момент у ученых нет однозначного ответа на вопрос о том, какая интерпретация верна. Но мы точно знаем, что квантовая реальность сильно отличается от того, что нам подсказывает наш ежедневный опыт.


Квантовая запутанность и квантовый ластик

Но давайте вернемся к парадоксу ЭПР. Мы выяснили, что парадокса никакого нет, а есть только странная непривычная логика квантовой физики. Настало время разобраться, что же именно происходит с двумя частицами и как получается, что соотношение неопределенностей нарушается.
Квантовая механика объясняет парадокс ЭПР, вводя понятие квантовой запутанности.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Запутанность означает, что свойства частиц невозможно отделить друг от друга. Запутанные частицы не имеет смысла рассматривать по отдельности: это единый квантово-механический объект, который описывается одной волновой функцией. Эта волновая функция принципиально нелокальна — запутанность не зависит от расстояния между частицами. Соответственно, измерение одной частицы воздействует сразу на всю волновую функцию, и она мгновенно меняется целиком. Это значит, что при измерении положения одной частицы вторая моментально принимает соответствующее значение положения. Но если мы вспомним рассуждение из прошлой части, мы увидим, что частицы не обладали определенным положением до измерения, поэтому обычная логика рассуждений о динамике одиночных частиц тут неприменима. Эйнштейн называл квантовую запутанность «мистическим дальнодействием», но она не нарушает принципы теории относительности, так как никакие взаимодействия при этом не распространяются.
Но даже квантовая запутанность не позволяет нарушить принцип неопределенности. Так почему же мы можем измерить и координату, и импульс частиц одновременно с абсолютной точностью? Дело в том, что мы измеряем эти величины относительно друг друга. Мы знаем точно положение и импульс одной частицы относительно другой. Принцип неопределенности распространяется только на измерения относительно классической системы отсчета, то есть на абсолютные измерения, а не на измерения относительно квантовой системы, которая может быть запутана.
Самым важным в понимании квантовой запутанности является следующий момент. При измерении одной частицы из запутанной пары мы всегда получаем случайный вариант из распределения вероятности. При многократном повторении эксперимента мы получим нормальное распределение. Наблюдая за статистикой, мы не можем сказать, является ли частица запутанной с другой частицей. Запутанность можно выявить, только измерив обе частицы и сравнив результаты измерений. Тогда мы увидим, что на самом деле каждый раз, когда мы измеряли координату у первой, мы получали соответствующий результат и у второй частицы, то есть результаты измерений скоррелированы.



На картинке изображен эксперимент ЭПР, где при распаде частицы возникает запутанная пара частиц. Каждая из них может быть измерена. Если проводить эксперимент множество раз, для двух частиц независимо мы получим случайное распредление, неопределенность которого показана окружностью снизу. Однако, если мы выберем один конкретный эксперимент (помечен крестиком или кружком) и сравним результаты измерений двух частиц, мы увидим, что они коррелируют: координата и импульс окажутся равными по величине, и мы сможем точно измерить расстояние между частицами и их суммарный импульс. В этом нет противоречия с соотношением неопределенности.

Важное следствие этого заключается в том, что если нам недоступна для измерения вторая частица, первая оказывается в «классическом», тепловом состоянии. Именно этот процесс, когда квантовая система запутывается с другими квантовыми системами, недоступными нам для наблюдения, называется декогеренцией. Частица в таком «классическом» состоянии не будет проявлять характерных квантовых свойств. Декогеренция происходит всегда и с любым квантовым состоянием, так как любое взаимодействие с окружением, например с космическими лучами или тепловым излучением, приводит к запутыванию системы с окружением. Декогеренция оказывается главным препятствием на пути к квантовым компьютерам.
Это понимание позволяет нам рассмотреть еще один парадоксальный эксперимент, носящий название квантового ластика.
Начнем с того, что пошлем фотон на делитель луча и поставим два детектора на обоих выходах. После делителя луча фотон находится в состоянии суперпозиции, и в половине случаев мы его измерим в состоянии «вверх», в половине — «вниз». Волновая функция такого состояния выглядит так:
|Psi> = 1/√2 |вверх> + 1/√2 |вниз>



Фотон попадает на делитель луча и переходит в состояние суперпозиции состояний “вверх” и “вниз”. В результате в половине случае он будет измерен на нижнем детекторе, а в половине - на верхнем.

Теперь добавим второй делитель луча так, чтобы две части волновой функции фотона проинтерферировали друг с другом. Эта интерференция будет зависеть от разности фаз в плечах, которую можно сделать такой, что фотон попадет на один детектор в 100% случаев. Волновая функция после второго делителя луча окажется такой:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>)+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) = |детектор вверх>



Если добавить второй делитель луча, фотон в состоянии суперпозиции после первого делителя луча проинтерферирует сам с собой. В зависимости от разницы в длине верхнего и нижнего путей, после второго делителя луча детекторы могут регистрировать разную пропорцию событий. Например, даже 100% к 0%.

Это состояние суперпозиции внутри интерферометра также подвержено декогеренции. Например, если эксперимент поставлен не очень аккуратно, излучение от окружения может провзаимодействовать с фотоном и разрушить квантовую суперпозицию. Интерференция на втором делителе луча пропадет, а мы снова будем наблюдать фотоны на детекторах поровну. Декогеренция может быть введена и искусственно: если мы добавим детектор фотонов между делителями луча, мы разрушим состояние суперпозиции и также не получим интерференции на втором делителе. Для этого нам понадобится запутать частицу с прибором, измеряющим прохождение по конкретному пути.
Но мы можем поступить хитрее: использовать квантовую систему для регистрации прохождения по конкретному пути. Например, поместим кубит в один из путей. Если фотон пройдет по этому пути, кубит примет значение |1>, а в противном случае останется в значении |0>. Тогда волновая функция такого запутанного состояния будет выглядеть так:
|Psi> = 1/√2 |вверх>|1> + 1/√2 |вниз>|0>
Разумеется, после второго делителя луча интерференции уже не случится, так как фотон остался запутанным с кубитом:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>)|1>+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) |0>



Наблюдение фотона нарушает суперпозицию. Если мы поместим кубит в один из путей, мы разрушим состояние суперпозиции, запутав кубит с фотоном. На делителе луча мы снова будем наблюдать распределение 50 на 50, никакой интерференции. Состояние кубита может быть измерено независимо.

Если мы измерим кубит в состоянии |1> (или |0>), мы увидим, что фотоны снова достигают обоих детекторов равновероятно. Но такое измерение в определенном смысле будет классическим: мы пока не воспользовались тем фактом, что кубит — квантовая система. С тем же успехом мы могли поставить неразрушающий детектор фотонов. Кубит же позволяет стереть информацию о пути, по которому прошел фотон.
Для этого перед измерением кубита мы переведем его в состояние суперпозиции |1> -> 1/√2 |1> — 1/√2 |0>, |0>-> 1/√2 |1> + 1/√2 |0> и только потом измерим. На первый взгляд это ничего не меняет. Мы так же при измерении в половине случаев получим кубит в состоянии 0, а в половине — в состоянии 1. Однако посмотрим на волновую функцию до измерения:
|Psi> = 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> + 1/√2 |детектор вниз>) (1/√2 |1> — 1/√2 |0>)+ 1/√2 (1/√2 |детектор вверх> — 1/√2 |детектор вниз>) (1/√2 |1> + 1/√2 |0>) = 1/√2 |детектор вверх>|1> — 1/√2 |детектор вниз>|0>
Мы видим, что она изменилась, и теперь не обладаем информацией о том, по какому пути прошел фотон: теперь измерение состояния кубита 1 или 0 не позволяет нам сделать никакого вывода о пути фотона. Распределение событий на детекторах по-прежнему остается 50/50. Но теперь мы можем соотнести однозначно результат измерения кубита и измерения фотона. Если мы выберем только случаи, когда мы измерили состояние кубита 1, верхний детектор зарегистрировал фотон в 100% таких случаев. Получается, что, выбрав другой способ измерения кубита, мы стерли наше знание о пути, который проходит фотон. Не правда ли, напоминает о парадоксе ЭПР? Если у нас нет доступа к измерению кубита, мы никогда не получим распределение, отличное от классического случая. Как только мы получаем доступ к запутанной части системы, измерения окажутся полностью коррелированы, как в случае с двумя частицами в ЭПР-парадоксе.
Мы можем даже отложить выбор измерения кубита. Например, использовать квантовую память и сохранить кубит на долгие годы после окончаний измерения. После этого выбрать способ измерения кубита, и мы можем либо получить информацию о пути, либо стереть ее, получив доступ к результату. Такой квантовый ластик с отложенным выбором часто оказывается в центре популярных дискуссий о причинности и прочих мнимых парадоксах квантовой механики. Однако, как мы увидели на простом примере, в нем нет ничего парадоксального, и он сводится к главному свойству квантовой запутанности.
За вторую половину XX века квантовая механика превратилась в инструмент, двигающий цивилизацию вперед. Но также она обросла многими парадоксальными и необычными следствиями. Однако, несмотря на разницу в 50 лет, парадокс квантового ластика оказался по сути тем же парадоксом, что обсуждали Эйнштейн, Подольский и Розен. И он разрешается тем же способом — правильным учетом квантовых корреляций в квантовой запутанности. И хотя эти парадоксы не нарушают принципов квантовой теории, они требуют от нас избавления от привычных интуитивных представлений о квантовой теории. Каким образом мы совершим это: приняв возможность многих миров или отказавшись от реализма волновой функции, — пока неизвестно. Но прорывы в создании квантовых компьютеров и квантовых коммуникаций закладывают основу к более глубокому исследованию парадоксальной реальности квантового мира.
https://www.youtube.com/watch?v=GUlQ...ature=emb_logo

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://postnauka.ru/longreads/156065

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Любой, кого не шокирует квантовая теория, просто не понимает её

20 февраля
9,1 тыс. дочитываний
3 мин.







Нильс Бор сказал: «Любой, кого не шокирует квантовая теория, не понимает её». Что же так шокирует в квантовой теории?
Квантовая теория постоянно «переписывает» всё, что, как мы думаем, мы знаем о реальности и Вселенной. Вот несколько примеров того, что делает квантовую реальность такой поразительной.

• Тепло может передаваться через вакуум.

«Тепло» от Солнца, как мы его знаем здесь, на Земле, является побочным продуктом излучения Солнца, которое затем передаёт свою энергию атмосфере Земли. Долгое время учёные считали, что тепло, которое мы ощущаем здесь, на Земле, не может проходить через вакуум. Но эксперимент показал, что это не так.
В одном эксперименте 2019 года физики воспользовались тем фактом, что в квантовом масштабе вакуум на самом деле не пуст. Исследователи обнаружили, что в достаточно малых масштабах тепло может преодолевать вакуум, «перепрыгивая» от одного колебания к другому через кажущееся пустое пространство. Этот эксперимент опровергнул мнение о том, что тепло может передаваться от звезды к планетам только в форме излучения.

• Суперпозиция.

Одно из явлений, наблюдаемых в квантовом масштабе, называется суперпозицией. Когда одна частица (обычно электрон) может существовать в нескольких местах одновременно.
Это само по себе уже показывает шокирующую реальность квантовой физики. Но снова в 2019 году был проведён некий эксперимент с олиготетрафенилпорфирином, обогащённым фторалкилсульфанильными цепями.
То, что, по мнению большинства ученых, ограничивалось субатомным масштабом, удалось применить в гораздо большем масштабе. Учёные достигли квантовой суперпозиции молекулы, которая состоит из 2000 атомов.

• Причина и следствие могут иногда работать в обратном направлении.

Большинство учёных скажут вам, что реальность, как мы её знаем, работает по простому принципу причины и следствия. И что она никогда не может работать в обратном направлении, когда следствие предшествует причине.
И хотя это ещё не доказано, некоторые учёные представили данные, свидетельствующие о том, что иногда результат действительно может определять причину. Исследователи, работающие с квантовой гравитацией — теоретической конструкцией, разработанной для объединения миров квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна — показали, что при определенных обстоятельствах событие может вызвать эффект, который произошёл раньше.
Поместите очень тяжелый объект (например, большую планету) в состояние квантовой суперпозиции, и вы сможете разработать необычные сценарии, в которых причина и следствие имеют место в неправильном порядке.
Это как если бы кто-то ответил на вопрос ещё до того, как вы его задали. Или вы пострадали в результате несчастного случая, которого пока не произошло.

• Квантовую запутанность можно увидеть.

Это изображение из Университета Глазго.


То, что Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», было сфотографировано. Квантовая запутанность — это особенность квантового мира, которая давно проверена экспериментально.
На две запутанные частицы, даже если они разделены большим расстоянием, можно повлиять, воздействуя только на одну из этих частиц.

• Квантовый компьютер повернул время вспять.

Большинство учёных скажут вам, что время движется только в одном направлении — вперёд. Представьте себе, что вы бросили бутылку на землю, и когда она разбилась, кусочки просто не разлетаются. Научное описание этой ситуации состоит в том, что квантовая волновая функция не распространяется.
Используя двухкубитный квантовый компьютер, физики смогли написать алгоритм, который мог возвращать каждую рябь волны частице, создавшей её. «Разматывая» событие и эффективно обращая время вспять.
Эти и многие другие вещи берут то, что с точки зрения традиционной науки невозможно, и показывают им, что это может произойти. Это настолько шокировало некоторых людей, но они доходили до состояния полного отрицания...
По материалам публикации (англ.).

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Кем является человек? [ Квантовая физика индивидуальности]

9 декабря 2020
10 тыс. дочитываний
4 мин.









(Иллюстрация: Skye Studios on Unsplash)Хотя всем нам нравится думать о себе как о уникальных личностях, квантовая физика давно предполагает, что это представление является иллюзией. Один из основных принципов буддизма, который ставит его в противоречие с большинством других религий, особенно авраамических, заключается в том, что нет «Я», нет ядра или сущности, которые делают человека личностью. Скорее люди представляют собой смесь мыслей и чувственных впечатлений. Осознание их нами является общим и неотличимо от иных. Таким образом, все предполагаемые признаки нашей индивидуальности на самом деле являются частью мира, а не нашим «я». Таким образом, наше ощущение Самости и уникального индивидуального существования - это психологическая уловка нашего мозга, способ интеграции мыслей и убеждений в единое Я таким же образом, как наши мышцы, кости и сухожилия интегрируют совокупность клеток в все тело.
Квантовая механика, кажется, поддерживает эту идею в том смысле, что частицы не обладают индивидуальностью, но фактически неразличимы, кроме как по своим свойствам. В то время как классическая статистика рассматривает частицы как индивидуумы, квантовая статистика - нет. Возьмите электрон и замените его другим электроном, и вы не заметите разницы. Этот так называемый постулат неразличимости лежит в основе квантовой статистики.
Более фундаментальная квантовая теория поля идет дальше, чем квантовая механика, и отбрасывает само понятие частиц, а вместо этого просто создает статистику «да/нет», где «да» в определенном месте указывает на то, что частица есть, а «нет» в том же месте указывает на отсутствие частицы (это называется виртуальными частицами). Поле - это одно целое с одной природой, и идентичность включается в распределение ее поля.
Это мало чем отличается от индуистского представления о божественности. Все - Бог. Бог - это все, и наша индивидуальность подобна «да/нет» в области божественного. Это контрастирует с четким различием, проводимым в западных религиях между Богом и людьми. В этих религиях Бог дает людям индивидуальность, поскольку они созданы из «праха» (лучший перевод может быть «почва»), а не обладают своей индивидуальностью в силу своей собственной божественной природы. Таким образом, мы – существа из грязи, личность и индивидуальность которых проистекает из божественного духа, вдыхаемого в нас извне.
Независимо от мнения Бога по этому поводу, мы можем спросить, важна ли вообще индивидуальность для нашей природы. Опираясь на альтернативную философию, которая является одновременно древней и постмодернистской, квантовые частицы могут вообще не иметь никакой внутренней идентичности, но люди присваивают им свою идентичность посредством именования. Таким образом, называя частицу обладающей определенным набором свойств (поскольку электрон, безусловно, не имеет представления о свойствах, которые люди выбрали для измерения), экспериментатор, подобно богу, придает внешнюю идентичность частице в своем детекторе.
Точно так же посредством именования люди наделяют друг друга идентичностью, и как социальные существа мы впитываем это чувство идентичности. Этот социолингвистический источник индивидуальности имеет то преимущество, что не требует изобретения источника идентичности, помимо физического, но у него есть недостаток, заключающийся в том, что он означает, что мы такие, какими нас называют другие люди.
Хотя очевидно, что генетика и другие физиологические факторы также должны играть здесь роль, ни один из этих источников сам по себе не придает никакой идентичности. Скорее они информируют нас о том, как «назвать» нашу личность. Сама идентичность происходит из обозначения этих внешних и внутренних факторов. Таким образом, язык становится ключевым как в квантовой физике, так и в человеческой идентичности. Ведь язык, разговорный или математический, описывает, что такое частица, поле или человек, и что может считаться частью ее природы по сравнению с другой. И действительно, природа этого языка: английский, французский, китайский или теория операторов в гильбертовом пространстве определяет, какие типы тождеств могут существовать.
В средние века эта идея получила название номинализм: идея о том, что язык является основой метафизики (теории сущности). Виллем Оккам и Питер Абеляр, как известно, поддерживали эти идеи. Буддизм также можно рассматривать как номиналистическую философию. Эссенциалисты и неоплатоники/аристотелевские философы, такие как Фома Аквинский, отвергали его.
Если вы платоник и верите, что существует «мир форм» или томист (тот, кто заимствует свою философию от Фомы Аквинского) и считаете, что формы существуют в разуме или духе Бога, вы представляете себе это (примитивную идентичность не зависящую от свойств) существующим отдельно от реальности. Ибо в «реальном» мире мы не находим источника такового.
Но даже здесь возникает вопрос, где же индивидуальность. Фома Аквинский считал, что душа - это платоническая форма тела. Таким образом, каждый из нас имеет уникальную форму. Платон, однако, предположил, что каждый экземпляр вещи имеет форму или шаблон в каком-то другом мире. Имеют ли электроны, лишенные аквинских душ, платоническую форму? Или это поле, в котором они существуют, является своего рода универсальной формой электронности как внутри мира, так и стоящей отдельно от него? Если это так, то индивидуальность может быть не так важна, как данное свойство квантовых полей. Таким образом, наша собственная идентичность и самоощущение - не более чем «да» в квантовом поле, которое порождает наше существование.
В этом случае квантовая теория поля может сразу дать нам сущностную идентичность и забрать ее, поскольку мы не можем отличить себя от других, существуя, скорее, в квантовом поле размером со Вселенную, которое присваивает нам сущность.
Независимо от нашего осознания собственного существования, наша природа может быть существенной, но если так, то научным способом определить это невозможно. Более того, что бы это ни было, вероятно, оно гораздо более примитивно, чем то, в чем мы хотели бы видеть свою уникальность.
Наша идентичность с психологической точки зрения является функцией нашего мозга, которая проявляет свою идентичность через развитие и взаимодействие генетики, окружающей среды, языка и обстоятельств. Любое «я» за пределами этого кажется делом веры.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Понимание квантовых вычислений через случайное блуждание пьяненьких людей

Автор оригинала: Dylan Miracle, Dr. César A. Rodríguez-Rosario

• Блог компании Маклауд,
• Open source,
• Математика,
• Научно-популярное,
• Квантовые технологии

• Перевод

Квантовые вычисления — это самая большая революция в вычислениях со времен… вычислений. Наш мир состоит из квантовой информации, но мы воспринимаем мир как классическую информацию. То есть очень много происходит в небольших масштабах, недоступных нашим нормальным чувствам. Как люди, мы эволюционировали, чтобы обрабатывать классическую информацию, а не квантовую информацию: наш мозг запрограммирован на то, чтобы думать о саблезубых кошках, а не о кошках Шредингера. Мы можем достаточно легко закодировать нашу классическую информацию с помощью нулей и единиц, но как насчет доступа к дополнительной доступной информации, из которой состоит наша Вселенная? Можем ли мы использовать квантовую природу реальности для обработки информации? Конечно, иначе нам пришлось бы закончить этот пост здесь, и это нас всех не удовлетворило бы. Давайте исследуем возможности квантовых вычислений, а затем приступим к написанию собственного квантового кода.

Отправной точкой для изучения квантовых вычислений является понимание того, что, хотя многие принципы противоречат здравому смыслу, классическая вселенная, которую мы знаем и любим, — всего лишь тень квантовой ткани реальности. Часть того, чтобы привыкнуть к кванту, — это привыкнуть к ограничениям нашего собственного восприятия. Это ограничение аналогично рисованию трехмерного объекта на двухмерном листе бумаги. Взгляните на каркас ниже. Он может представлять собой либо коробку (мы можем проиллюстрировать это стаканом сверху), угол (мы можем поместить бутылку внутрь, чтобы мы увидели угол).



Мы вынуждены видеть либо одно, либо другое, а не то и другое одновременно. Мы можем менять их взад и вперед, но поскольку мы застряли в двухмерном представлении, мы можем видеть только одно или другое. Двух измерений недостаточно для идеального изображения трехмерного объекта. Точно так же мир классической информации в ее простейшем кодировании представлен в битах, нулях и единицах. Однако этого недостаточно для описания квантового мира. В квантовом мире нам нужны квантовые биты или кубиты для описания нашей информации. Подобно тому, как ставят напиток на коробку или в угол, мы можем провести измерение, которое заставит наш кубит сообщать нам классический бит, но там есть больше информации, которой мы можем воспользоваться.

Квантовые компьютеры будут использовать остальную информацию для достижения большей вычислительной мощности. Это изменит все в приложениях в фармацевтике, новых экологически чистых материалах, логистике, финансах, больших данных и многом другом. Например, квантовые вычисления будут лучше вычислять энергию молекул, потому что это фундаментально квантовая проблема. Итак, если вы можете представить себе отрасль, занимающуюся молекулами, вы можете представить себе применение квантовых вычислений. Часто люди хотят знать, будут ли квантовые компьютеры быстрее, и хотя они смогут выполнять вычисления быстрее, но это не потому, что они делают то же самое с большим количеством циклов. Вместо этого квантовые компьютеры используют принципиально другой способ обработки информации. Чтобы почувствовать это фундаментальное различие, мы рассмотрим пример, который помогает проиллюстрировать мощь квантовых вычислений.

Познакомьтесь с квантовым пьяницей


Проведем мысленный эксперимент. В классической пьяной прогулке (иногда называемой случайной прогулкой) у нас есть пьяница, который выходит из туалета и пытается найти своего друга в баре.



В баре все выглядят одинаково, наш пьяница выпил слишком много, поэтому он подходит к случайному человеку, сидящему в баре. Когда он обнаруживает, что первый человек, которого он побеспокоил, не его друг, он случайным образом переходит к следующему табурету, либо слева, либо справа. Мы можем смоделировать нашего пьяного ходока, подбросив монетку и сказав, что если выпадет орел, то он пойдет направо, если решка — налево.



Следующий человек тоже будет не искомый друг, но память нашего пьяницы коротка, поэтому он с равной вероятностью будет двигаться влево или вправо. Это будет продолжаться до тех пор, пока не вызовут охрану, чтобы выгнать его.

Служба безопасности любит физику, поэтому они решили каждый раз подсчитывать, где наконец догнать пьяного человека. Вот что видит служба безопасности:



Форма — колоколообразная, и интересной особенностью колоколообразной кривой является то, что разброс середины (наиболее вероятное место, где можно найти пьяницу) представляет собой квадратный корень из количества шагов, которые делает пьяный ходок. Когда пьяница проходит девять барных стульев, разброс кривой равен трем; служба безопасности, вероятно, найдет его в пределах трех барных стульев от того места, где пьяница сидел изначально. Когда пьяница сделает 100 попыток, служба безопасности скорее всего найдет пьяницу в радиусе 10 табуретов от того места, откуда стартовал пьяница. Эти статистические данные помогают службам безопасности узнать, где они, скорее всего, найдут пьяного ходока, который находится где-то недалеко от точки старта.



Теперь у службы безопасности есть модель, которую они могут использовать, чтобы не отставать от классических пьяниц, но, к сожалению, в этом баре есть и квантовые пьяницы. В то время как классического пьяницы — это простое подбрасывание монеты для каждого направления, для квантового пьяницы монета является квантовой и может одновременно находиться в суперпозиции орла и решки. Квантовый пьяница идет по траектории, которая представляет собой суперпозицию левого и правого шага у каждого барного стула.

Суперпозиция — одно из фундаментальных понятий квантовой механики и один из инструментов, позволяющих различать квантовую информацию и классическую информацию. Чтобы получить больше удовольствия от суперпозиций, прочтите этот пост Strangeworks о некоторых основах кубитов.

Квантовый пьяница будет идти в суперпозиции левого и правого одновременно без определенного местоположения, пока служба безопасности не найдет его.



Когда служба безопасности смотрит на распределение позиций, где находится квантовый пьяница, они обнаруживают совершенно отличный результат от классического пьяницы.



В отличие от гладкого распределения колоколообразной кривой, они обнаружат распределение «клыков», показанное ниже:



Что происходит? Где квантовый пьяница? Почему пики распределения должны быть снаружи? Почему внутри есть области с очень низкой вероятностью, а другие — с более высокой? У квантового пьяницы появились новые свойства.

Пьяница, как правило, находится дальше от центра и менее вероятно, что он будет ближе к центру. Некоторые пути менее вероятны из-за помех, а некоторые более вероятны. Общий разброс тоже сильно отличается. Вместо того, чтобы относить разброс к квадратному корню, разброс линейно связан с числом или шагами. Квантовый пьяница, делающий десять шагов, скорее всего, будет обнаружен на внешней стороне десяти барных стульев, так же далеко, как классический пьяница, делающий 100 шагов.



Итак, как мы можем использовать это в своих интересах? Есть ли проблема, которую мы можем решить лучше с квантовыми пьяницами, чем с классическими пьяницами? Что ж, я рад, что вы спросили, потому что да, есть! Чтобы убедиться в этом, мы собираемся поставить пьяниц на прохождение лабиринта. Мы выбираем конкретный лабиринт, который продемонстрирует силу квантовых пьяниц. В этой задаче у нас есть древовидная структура, которая зеркально отражается, а затем склеивается.



Слева вход в лабиринт, а справа выход. Мы хотим увидеть, насколько хорошо наши пьяные ходоки находят выход. Помните, что классический пьяница будет подбрасывать монетку в каждом узле, тогда как квантовый пьяница будет создавать суперпозицию каждого пути в каждом узле. Пьяницы, как правило, застревают в случайных точках посередине, и им требуется больше времени, чтобы найти выход.

Поскольку квантовые пьяницы более распространены, им легче избежать застревания. Вот почему квантовые пьяницы находят выход быстрее, чем классические пьяницы.



По мере того, как мы отправляем все больше и больше пьяниц, квантовые справятся с этой проблемой экспоненциально лучше, чем классические!

В этом и заключается сила квантовых вычислений. Несмотря на то, что это простой пример, все квантовые алгоритмы работают одинаково: посредством использования квантового разброса хитроумными способами, которые соответствуют структуре проблемы. Есть много приложений для квантовых алгоритмов, поэтому сейчас самое время начать изучать квантовое программирование.

В ближайшей будущем лучшими приложениями станут разработки фармацевтических препаратов и разработка новых материалов. Многие из этих приложений в химии в основе своей являются квантово-механическими. Это связано с тем, что вычисление энергии электронов для разных молекул более эффективно с использованием квантового компьютера. Проблемы оптимизации — еще одна область, в которой квантовые вычисления окажут влияние в недалеком будущем. Этот класс логистических проблем включает оптимизацию хранения (привет, FedEx, позвоните нам) или распределение товаров, таких как вакцины. Управление финансовыми рисками может осуществляться с помощью аналогичных алгоритмов. Кроме того, существуют технологии для создания квантового Интернета, который заменит некоторые из наших криптографических систем, чтобы обеспечить конфиденциальность и безопасность.

Начните программировать квантовые компьютеры


Вы можете начать работу с квантовыми вычислениями прямо сейчас (не напиваясь квантовым опьянением и не вызывая классического алкоголика на гонку по лабиринту)! В Strangeworks мы снижаем барьеры для программирования квантовых вычислений, чтобы вы могли стать частью этого захватывающего сообщества разработчиков ПО с открытым исходным кодом. Вы можете изучить нашу постоянно растущую библиотеку контента или создать свой собственный как член сообщества Strangeworks. Вы можете запустить код прямо здесь, без установки, и увидеть результат. Изучите множество различных языков и платформ квантового программирования.

Вот несколько отличных отправных точек:

Поиграйте с кодом для упрощенного квантового случайного блуждания

В этом посте подробно рассказывается, как кодировать четырехузлового квантовго случайного «пешехода». Если начать с упрощенной задачи, это поможет вам сразу приступить к написанию квантового кода без больших накладных расходов из-за сложности проблемы. Понимание, которое у вас появится из этого поста, будет достаточным, чтобы осмыслить происходящее, в то время как фактический код и описание квантовой схемы познакомит вас с мельчайшими подробностями создания программ для квантовых компьютеров.

Начало работы с платформой Strangeworks

Если вы просто хотите окунуться в мир квантовых вычислений, нет ничего лучше, чем совершить экскурсию по платформе Strangeworks Quantumcomputing.com. Это руководство является идеальной отправной точкой для этой новой парадигмы вычислений.


Наши серверы можно использовать для вычислений.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
https://habr.com/ru/company/macloud/blog/552982/

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://hi-news.ru/eto-interesno/cht...zen.yandex.com

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

Как измерения создают проблемы в квантовом мире?

Думаю, что уже много раз вы слышали про такое явление, как парадокс наблюдателя. Если сильно упростить его понимание, то он означает очень простое явление: если проводить измерения, то можно влиять на состояние системы. Сама идея о том, что наблюдение за системой изменяет хоть как-то её свойства, кажется абсурдной.

Измерение чёрной дыры микрометром
Как представить себе влияние измерений?

На практике оно звучит даже интереснее. Если посмотреть в микроскоп на частицу, то эта частица будет менять своё состояние. Понятно, что речь далеко не о макрочастицах и не об оптическом микроскопе, а о более серьезных и "тонких" устройствах, но суть остаётся прежней.
Конечно же, главный вопрос тут только один и, я думаю, вы тоже задумались именно об этом в первую очередь. Как это вообще может работать? Что за магия такая? Между тем, квантовая физика довольно часто сталкивается с парадоксом наблюдателя и уже воспринимает его как должное.
Что происходит при измерении?

Говоря научным языком, состояние системы может быть описано группой уравнений. Это квантовая функция. Если происходят измерения, то квантовая функция коллапсирует и из квантового состояния, где частица сразу и тут и там с некоторой долей вероятности, частица приобретает обычное состояние, описываемое классической механикой.


Измерения в квантовом мире другие
Но вот как так получается, что измерения могут влиять на физику процесса? Может быть тогда и если смотреть на вареную картошку, то она будет и остывать быстрее?
Пример про картошку более абстрактный и я уже однажды рассказывал, что работал у нас один химик, который единственный из всех мог успешно проводить ряд экспериментов. Остальные сотрудники не могли это сделать. Он был просто уверен, что получится так, как он считает нужным и оно всегда получалось. В науке есть ряд подобных задокументированных наблюдений. Один эффект плацебо чего стоит. Или шуточный эффект Паули. Но это уже стык философии и физики, что не является целью настоящей статьи. Посмотрите ролик про подобные явления.
ww.youtube.com/watch?v=L8DJW5eraZA
Измерение с физической точки зрения

Но если вернуться к физической трактовке явления, то начать стоит с определения термина "измерение". Нужно чётко понимать, чем является измерение с физической точки зрения.

Измерение - это процесс, когда почти невесомые квантомеханические системы приходят в соприкосновение с классическими измерительными приборами.

Но это только одно из вменяемых определений явления. Если покопаться в статьях, то можно обнаружить, что конкретного описания термина "измерение" фактически не существует.
Можно было бы списать всё это на недостаточное понимание происходящих процессов, подкрепленное отсутствием хорошего оборудования. Но есть уже множество публикаций и исследований, которые подтверждают реальное существование рассматриваемой проблемы. Например в журнале Physical Review Letters была статья Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement, где описывалось изучение зависимости суперпозиции атома стронция от измерений и показана однозначная зависимость.
Измерения в классической физике


Понятно, что при механическом измерении есть обязательно взаимодействие
Пока всё в рамках классической теории оно как-то увязывается в некоторую логику. Измерение действительно физически воздействует на систему. Например, если прибор излучает видимый свет и проводит измерение с его помощью, то он однозначно скажется на поведении системы. По этому принципу можно описать даже влияние простого человеческого взгляда. Ведь всё это работа с потоками энергии, которые окажут влияние на систему.
Но усовершенствование современных измерительных приборов привело к тому, что граница между макроприборами и микроприборами стала размытой, а эффект сохранился. Теперь непонятно, где классический измерительный прибор, а где квантовый. Парадокс наблюдателя так никуда и не пропадал. Он всё также продолжает существовать.
Измерение как способ уничтожения информации

Изменился и взгляд на суть физического процесса, происходящего при измерении. Если раньше это был только лишь коллапс волновой функции, то сейчас на этот момент наложились развития представлений о квантовом мире. Теперь коллапс волновой функции, пропущенный через призму о многомировой вселенной, стал описываться не только как превращение квантовой системы в стандартную, а как факт фиксации только лишь одной из вселенной со стандартной для неё картиной.
В эту кастрюлю с борщом упало и как таковое понимание информации в физике. А, точнее сказать, отсутствие этого полноценного понимания. Однако, если принять на минутку, что всё есть информация, то логика работы эффекта наблюдателя станет куда более простой и понятной и физическая суть измерения тоже.
Возьмем например измерение спина частицы. Измерение происходит на установке Штерна-Герлаха и заключается в вычислении спина на базе магнитной составляющей этого понятия.


Установка Штерна-Герлаха
Тут довольно сложная и объемная теория. Коротко - измеряется магнитный момент. Получается забавный парадокс - измерение вдоль одного направления уничтожает полученную ранее информацию о двух других направлениях.
Каждое новое измерение приводит к обновлению информации. Или, если сказать это красиво, каждое новое измерение стирает любую полученную ранее информацию и прописывает новую. Новая информация описывает новое состояние частицы. Что же, боюсь более конкретного и точного объяснения физики процесса пока попросту нет. Если у вас есть какие-то мысли на этот счёт, то обязательно опишите свои представления в комментариях.
__________________

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://dzen.ru/a/Yz5l8XL4Jxezf9Yp?&
Телепортация реальна: свежие нобелиаты опровергли идеи Эйнштейна


Изображение запутанных частиц© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Николай Гурьянов
Долгожданное и заслуженное — так называют решение Нобелевского комитета по физике в этом году. Главной научной награды мира удостоились трое ученых, создавших фундамент квантовой эры, в которую вступает человечество. Серией экспериментов лауреаты доказали, что Альберт Эйнштейн был не прав.
Ошибка гения

Десять миллионов шведских крон, или около 900 тысяч долларов по текущему курсу, разделят француз Ален Аспе (75 лет), американец Джон Клаузер (79) и австриец Антон Цайлингер (77).
Согласно официальной формулировке, премию присудили им "за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике".
"Мы уже живем в квантовом веке. Нобелевский комитет подтвердил фундаментальное значение нашей области науки", — говорит старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха Игорь Захаров.
"Примечательно, что это произошло практически через 100 лет после Нобелевской премии Альберта Эйнштейна, который также получил ее за достижения в области квантовой физики, хотя идеологически не был с ней до конца согласен", — отмечает руководитель теоретической группы Российского квантового центра и Университета МИСИС Алексей Федоров.
Основатель теории относительности внес большой вклад в квантовую механику своей теорией фотоэффекта. В 1922-м Эйнштейну вручили за эту работу высшую научную награду.
Но он спорил с создателями квантовой механики — Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом и другими. В 1935-м Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью "Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?", сформулировав там так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий авторов этой работы).

Нильс Бор с Альбертом Эйнштейном дома у Пауля Эренфеста в Лейдене (декабрь 1925)CC0 / Paul Ehrenfest /
"Представьте две частицы (обычно рассматривают фотоны), связанные определенным образом. Когда они сталкиваются и затем разлетаются, действует закон сохранения энергии: если спин (направление вращения) первого фотона направлен в одну сторону, то спин второго — в противоположную. То есть сумма их вращения равна нулю. И если измерить частицу в одном месте, мгновенно будет известен результат измерений в другом. Это соответствует классической физике. Но в квантовой физике свойство "направление вращения" фиксируется измерением первой частицы. Прибор может выбрать любое направление вращения. Вторая связанная частица магическим образом узнает, как вертится первая, и крутится в противоположную сторону. Это и есть ЭПР-парадокс", — рассказывает Захаров.
На сайте Нобелевского комитета объясняют: запутанные пары можно сравнить с машиной, которая выбрасывает шарики разных цветов в противоположных направлениях. Когда мальчик ловит черный мяч, он сразу понимает, что девочка поймала белый. Согласно классической физике, шары всегда были такими, а мы просто ликвидируем свое незнание их цвета. Однако квантовая механика утверждает, что шары не имели определенного цвета до тех пор, пока кто-то не посмотрел на них. И только тогда один случайным образом стал белым, а другой — черным.

Скрытые переменные и квантовая механика© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Причем насколько далеки два кванта друг от друга, не имеет значения.
"Эйнштейн рассуждал: если это так, значит, мы допускаем, что скорость света не является основным ограничением скорости передачи информации. Он считал квантовую механику неполной. То есть следовало найти некие скрытые переменные, которые и определяют результат экспериментов", — уточняет Захаров.
Квантовый мир победил

В 1964-м североирландский физик Джон Стюарт Белл доказал, что существует тип эксперимента, способный установить, возможно ли описание мира, отличное от чисто квантово-механического. Если неизвестные переменные есть, то такой эксперимент, повторенный несколько раз, даст определенное статистическое значение. Эта теорема известна как неравенства Белла.
"Эксперименты нынешних нобелиатов продемонстрировали: неравенства Белла нарушаются. Мир квантовый, и нам придется с этим жить", — говорит Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений ЦКТ МГУ.
Заслуга Джона Клаузера в том, что он первым провел реалистичный опыт, выявивший нарушение неравенств Белла. В 1972-м американский физик построил аппарат, испускавший одновременно два запутанных фотона. Частицы под некоторым углом направляли на фильтры, устроенные наподобие солнечных очков: они блокировали свет, поляризованный в определенной плоскости.
Фотоны были с параллельной поляризацией, направление которой и устанавливали с помощью фильтров.
Однако у эксперимента имелся недостаток: фильтры были зафиксированы. Наблюдатель мог подвергнуть результаты сомнению: что, если установка каким-то образом выбрала частицы с сильной корреляцией и проигнорировала другие?

Схемы экспериментов нобелиатов© THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES
Ален Аспе усовершенствовал методику Клаузера. Он регистрировал и те фотоны, которые через фильтр не прошли. Французский ученый направлял частицы к двум фильтрам, установленным под разными углами. Тумблеры задавали направление фотонам уже после того, как те вылетели из источника. Это происходило за миллиардные доли секунды, что исключало даже теоретическую возможность подделки результатов. Таким образом, "полноценность" квантовой механики была доказана.
Работы Антона Цайлингера открывают путь к практическому применению знаний о свойствах запутанных частиц.
"Мы не можем посылать сигнал быстрее скорости света. Эйнштейн здесь абсолютно прав. Но если мы заранее позаботимся о том, чтобы передать на большое расстояние связанные частицы, то сумеем манипулировать их состоянием. Сама манипуляция, или, как мы говорим, телепортация, происходит мгновенно. Она действительно не зависит от скорости света или каких-то других ограничений", — объясняет Захаров.
Квантовая телепортация происходит, когда одна из двух запутанных частиц, разлетевшихся в разные стороны, встречается и "запутывается" с третьей. При этом первая частица, оставшаяся в одиночестве, приобретает свойства третьей — а та, в свою очередь, теряет идентичность. Впервые такой эксперимент выполнили Цайлингер и его коллеги в 1997-м. Позже ученый на практике отработал передачу квантовой информации по оптоволоконной и спутниковой связи.
Квантовая механика в народном хозяйстве

Системы связи — наиболее перспективная область применения квантовых технологий.
"Cигналы кодируются в одиночные квантовые объекты, например кванты света — фотоны. Это гарантирует, что любое вмешательство в процесс передачи информации не останется незамеченным. Тем самым можно создать системы, в которых информация заведомо защищена", — рассказывает Алексей Федоров.
В этих технологиях заинтересованы правительственные структуры. Есть и коммерческий потенциал.
"Квантовая связь уже вполне успешно работает, существуют соответствующие устройства. Сейчас проблема в экономической целесообразности. Не для всех приложений имеет смысл переходить на более дорогостоящую технологию — только для самых критически значимых. И вопрос в том, насколько быстро удастся ее удешевить, чтобы она получила более широкое распространение. Устройства производят несколько компаний, в том числе и в России", — отмечает Страупе.
Захаров добавляет, что по квантовой связи не станут пересылать большие массивы данных. "Будут передавать ключ. Скажем, тысячу байтов. А остальное — как угодно, информацию не раскрыть без ключа. Но технология по-прежнему сложная", — говорит он.
Второе направление, где стоит ожидать прорыва в ближайшие годы, — квантовые компьютеры. Несколько научных групп из разных стран пытаются достичь так называемого квантового превосходства, то есть способности решать задачи, недоступные классическим вычислительным машинам.
СМИ несколько раз за последние годы сообщали об успехе, однако затем это опровергали.
"Квантовое превосходство — это moving target (движущаяся цель). Классические алгоритмы симуляции квантовых систем тоже развиваются. Это некая гонка, динамический процесс. В какой-то момент считалось невозможным просимулировать квантовый процессор компании Google. Но конкуренты это сделали, — поясняет Страупе. — Следом китайцы представили квантовый процессор с большим числом кубитов. И так далее. Но понятно, что рано или поздно этого превосходства достигнут. Сейчас мы на грани этого".
По мнению Захарова, речь идет о ближайшем десятилетии. Ожидается, что квантовое превосходство позволит совершить качественный скачок в области моделирования материалов, предсказания поведения сложных систем, машинного обучения, оптимизации.
Развивается и квантовая сенсорика. "Это возможность за счет квантовых эффектов, в том числе квантовой запутанности, с беспрецедентной точностью измерять различные параметры, такие как время (что важно для систем глобального позиционирования) или электромагнитные поля (для биомедицинских приложений)", — говорит Федоров.
"С теорией у российской науки все нормально"

В 2020-м в России утвердили дорожную карту развития квантовых технологий. Выделили 51,1 миллиарда рублей. Для сравнения: в США конгресс утвердил проект на 20 миллиардов долларов, в Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом более трех миллиардов евро, в Китае создают Национальную квантовую лабораторию с предполагаемым финансированием в 12 миллиардов долларов. В то же время частные компании на Западе получают на такие разработки огромные суммы от венчурных фондов.
В рамках российской программы планируется развивать и квантовую связь, и вычисления, и сенсорику. Уже создали квантовый симулятор на базе 11 кубитов (кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере). Но для практического применения нужен квантовый компьютер с тысячами кубитов. По оценке специалистов, разработать такую машину получится в лучшем случае к концу десятилетия.
"С точки зрения экспериментов у нас тоже есть свои победы, но они пока достаточно скромные. США, Канада, Япония и Китай в этой области впереди, — признает Захаров. — А вот с теорией у российской науки все нормально, не отстаем. Мы следим за тем, что происходит, участвуем в разработках, пишем свои статьи и публикуем их в международных научных журналах".
По его словам, в области квантовой физики сотрудничество с западными коллегами не прекращается даже в нынешней сложной ситуации.

[Феникс Джонатанович ДонХуанЦзы]

https://www.youtube.com/watch?v=Os-gGgrfQNs