Последователи

петък, 29 март 2019 г.

Квантово заплитане

Доказано е експериментално, че е възможно да създадат двойки фотони с квантова връзка, дори ако те не съществуват в едно и също време. Тоест към удивителния факт, че подобна връзка работи дори на голямо разстояние, се прибавя още и времевото разделение. Получава се, че взаимовръзката между две частици е толкова силна, че тях може да ги разделят и времето, и пространството, а квантовата връзка продължава да действа.

Светлинният квант, наричан още фотон (който едновременно представлява и частица, и вълна), може да бъде поляризиран и да приема две състояния – вертикална и хоризонтална поляризация. Заплитането възниква, ако е налична двойка фотони, всеки от които може да бъде или хоризонтално, или вертикално поляризиран. Квантовата им връзка се проявява по следния начин: ако измерим състоянието на единия фотон, то може с увереност да кажем, че състоянието на другия от двойката ще бъде противоположно. Тоест, ако частицата, чиито свойства можем да регистрираме, е поляризирана вертикално, то частицата от нейната двойка, намираща се дори на другия край на Вселената, ще бъде поляризирана хоризонтално, и обратното.




Квантово заплитане е източник на холографското пространство


Холографският принцип в триизмерно пространство. © Hirosi Ooguri

Учените отдавна се опитват да създадат теория на всичко, способна да опише всички явления, наблюдавани в околния свят на всичките му нива. Общата теория на относителността обяснява природата на гравитацията, процесите на мащабните космологични образувания и явления, като динамиката на съществуване и движение на звездите, галактиките и други масивни космически обекти. Квантовата механика на свой ред обяснява процесите и явленията, протичащи на най-малкото ниво, от молекулярно до ниво субатомни частици.

Двете теории влизат в противоречие на Планкови мащаби (Планковата дължина е равна на 1,62х10-35 м, което е 2х1020 пъти по-малко от „диаметъра“ на протона), тъй като на тях в ОТО е необходимо отчитането на квантовите поправки. Така в черна дупка квантовите ефекти водят до нейното изпарение. Квантовата версия на ОТО, получавана от квантуване на класическите полета, се оказва непренормируема, тоест нейните наблюдаеми величини не може да се направят крайни.

Една от съставките на хипотетичната теория на всичко се явява холографският принцип. Той твърди, че гравитацията в триизмерен обем може да бъде описана от квантовата теория на двуизмерна повърхност, ограничаваща триизмерния обем. В резултат на това трите обичайни пространствени измерения се появяват от повърхността на проекция, която има само две измерения. Но досега никой не е успявал да разбере и обясни механизмите, отговорни за появата на трето „обемно“ измерение.

Хироши Оогури и колегите му изяснили, че ключов момент на споменатите механизми се явява квантовото заплитане. Използвайки теорията на квантовата механика, която не описва гравитацията, учените са изчислили показателя на плътност на енергията, явяваща се източник на гравитационните взаимодействия в трите измерения. Този механизъм на проектиране с помощта на квантовото заплитане е подобен на начина, по който лекарите разбират за проблемите в организма, разглеждайки плоски рентгенови снимки.

Математическо съотношение, получено от Оогури и колегите му, свързва локалните данни за гравитацията (червената точка) с квантовото заплитане, информация за което се съдържа на двуизмерна повърхност (сините полусфери). © Jennifer Lin
Математическо съотношение, получено от Оогури и колегите му, свързва локалните данни за гравитацията (червената точка) с квантовото заплитане, информация за което се съдържа на двуизмерна повърхност (сините полусфери).
© Jennifer Lin


Такъв подход е позволил на учените да интерпретират универсалните свойства на квантовото заплитане като параметри от плътността на енергия, която се явява основа на теорията на квантовата гравитация.

Учените и преди са се опитвали да разберат взаимовръзката между гравитацията и квантовото заплитане, но точната роля на тази взаимовръзка във формирането на пространствено-времевия континуум не била докрай ясна.

Квантовото заплитане е явление, чрез което квантовото състояние, като посоката на въртене на частицата или поляризацията на фотона, може моментално да бъде предадено от една заплетена частица към друга, независимо от разделящото ги разстояние. Алберт Айнщайн е наричал това явление „призрачно действие на разстояние“, а работата на Хироши Оогури доказва, че именно квантовото заплитане произвежда допълнителни пространствени измерения.

„Преди известно време беше известно, че квантовото заплитане е свързано с фундаменталните проблеми и парадокси, пречещи за обединяването на ОТО и квантовата механика – разказва Оогури. – Нашата работа хвърля нова светлина на отношенията и определя математическите зависимости между квантовото заплитане и структурата на пространство-времето на най-микроскопично ниво.

Освен това нашата теория се явява нещо като интерфейс между квантовата гравитация и потоците информация, циркулираща в обичайното триизмерно пространство. И за нашите бъдещи изследвания ще привлечем специалисти в областта на информационните технологии, с чиято помощ да продължим изследванията в тази насока.“

https://megavselena.bg/


Призрачно квантово действие крепи Вселената


Браян Суингъл тъкмо завършил физика на веществото в Масачузетския технологичен институт, когато изведнъж решил да вземе няколко урока по теория на струните, за да подкрепи своето образование – както той си спомня, „защото защо не?“, макар че никога не се интересувал особено от тази област.

Със задълбочаването в детайлите Суингъл започнал да открива неочаквани сходства между подхода на струнната теория към физиката на черните дупки и квантовата гравитация със собствената му работа, в която той използвал т.нар. тензорни мрежи за прогнозиране на свойствата на екзотичните материали.

„Осъзнах, че се случва нещо дълбоко“, казва той.

Тензори възникват по цялата физика – това са прости математически обекти, които могат да представляват няколко числа едновременно. Например векторът на скоростта е прост тензор – той улавя стойността на скоростта и посоката на движение. По-сложни тензори, свързани в мрежа, може да се използват за опростяване на изчисленията на комплексни системи, състоящи се от много различни взаимодействащи части, включително и сложно взаимодействие на огромния брой субатомни частици, съставящи материята.

Суингъл е един от физиците, които виждат ценност в адаптацията на тензорните мрежи към космологията. Сред останалите преимущества те могат да помогнат в решаването на продължаващия спор за природата на самото пространство-време.

Според Джон Прескил, професор по теоретична физика в Калифорнийския технологичен институт в Пасадена, много физици заподозрели дълбока връзка между квантовото заплитане – „призрачното действие на разстояние“, което толкова недолюбвал Алберт Айнщайн,– и геометрията на пространство-времето на малки мащаби, която физикът Джон Уилър първи описал като мехурчеста пяна преди шестдесет години.

„Ако изучавате геометрията в мащаби, близки до Планковата дължина – най-малката от всички възможни, – тя все по-малко и по-малко ще прилича на пространство-времето – казва Прескил. – Всъщност това вече няма да е геометрия. Това ще е нещо друго, възникващо от друго, по-фундаментално.“

Физиците продължават да се борят с този заплетен проблем, свързан с фундаменталната картина, но много подозират, че той е свързан с квантовата информация.

„Когато говорим, че информацията се кодира, ние имаме предвид, че можем да разбием системата на части, и ще има известна корелация между тези части, така че можем да разберем нещо за едната част, като наблюдаваме другата“, казва Прескил. Такава е същността на заплитането.

Свикнали сме да говорим за „тъкан“ на пространство-времето, метафора, която предизвиква образа на тъкането на отделни нишки в гладко и непрекъснато цяло. Тези нишки принципно са квантови.

„Заплитането е тъканта на пространство-времето – казва Суингъл, понастоящем учен в Станфордския университет. – Това е нишката, която свързва системата ведно, прави общите свойства отличими от индивидуалните. За да видите интересното колективно поведение, трябва да разбирате как се разпределя заплитането.“

Тензорните мрежи предоставят математически инструмент, който позволява да се направи това. От такава гледна точка пространство-времето възниква като мрежа от взаимно свързани възелчета в сложна мрежа с отделните парченца квантова информация, свързани подобно на LEGO. Заплитането е лепилото, което държи мрежата заедно. Ако искаме да разберем пространство-времето, е необходимо първо да помислим геометрично за заплитането, тъй като именно по този начин информацията се кодира в безкрайното количество взаимодействащи възли на системата.
Много тела, една мрежа

Моделирането на сложна квантова система е не просто подвиг, дори класическа система с повече от две взаимодействащи части представлява проблем.


Когато Исак Нютон публикувал своите „Принципи“ през 1687 г., една от многото теми, които той засегнал, е известна като „задачата за трите тела“. Сравнително прост въпрос е изчисляването на движението на два обекта от рода на Земята и Слънцето, като се вземат под внимание ефектите на взаимното им гравитационно привличане.

И все пак, ако се добави трето тяло от рода на Луната, задачата се усложнява, проблемът със сравнително преките и конкретни решения става хаотичен и дългосрочното прогнозиране изисква мощни компютри за моделиране на приблизителната еволюция на системата. Накратко, колкото повече обекти има в системата, толкова по-сложно е да се изчисли и тази сложност нараства линейно, или поне в класическата физика.

Сега си представете квантова система с много милиарди атоми, като всички си взаимодействат в съответствие със сложни квантови уравнения. На такива мащаби сложността нараства експоненциално с броя на частиците в системата, така че подходът на грубата изчислителна сила няма да работи.

Представете си буца злато. Тя се състои от множество милиарди атоми, които си взаимодействат. От тези взаимодействия произтичат различните свойства на метала, цвета, твърдостта или проводимостта. „Атомите са мънички квантовомеханични неща, вие поставяте атоми на едно място и се случат нови и прекрасни неща“, казва Суингъл.

Но на такива мащаби се прилагат правилата на квантовата механика. Физиците трябва точно да изчислят вълновата функция на тази буца злато, в която се описва състоянието на системата. И тази вълнова функция е многоглавият драконна експоненциалната сложност.

Дори в буцата злато да има само 100 атома, всеки с квантов спин, който може да е или горен, или долен, общият брой на възможните състояния е 2100, или един милион трилиона трилиона. С всеки добавен атом проблемът става неизмеримо по-лош. (И ще бъде още по-лошо, ако решите грижливо да опишете нещо в допълнение към спиновете на атомите съгласно всеки реалистичен модел.)

„Ако вземем цялата видима Вселена и я запълним с най-добрите ни материали за съхранение, като направите най-добрия от възможните харддискове, ще можете да съхраните състоянието общо на 300 спина – казва Суингъл. – Тази информация присъства, но не цялата е физическа. Никой никога не е измервал всички тези числа.“

Тензорните мрежи позволяват на физиците да свият информацията, съдържаща се във вълновата функция, и да работят само с тези свойства, които могат да измерят експериментално: как отделно взет материал изкривява светлината, например, или как той поглъща звука, или колко добре провежда електричество.

Тензорът е нещо като „черна кутия“, която взема един набор числа и изплюва съвсем друг. По този начин може да се включи проста вълнова функция – множество невзаимодействащи електрони, всеки в своето най-ниско енергийно състояние – и да се пропускат тензорите в системата отново и отново, докато процесът не произведе вълновата функция на голямата и сложна система, милиардите взаимодействащи атоми в буцата злато.

Резултатът ще бъде ясна диаграма, изобразяваща това сложно парче злато, иновацията много прилича на диаграмите на Файнман, които са опростили процеса на представяне на взаимодействието на частиците в средата на ХХ век. А тензорната мрежа има геометрия точно като в пространство-времето.

Ключът към постигането на такова опростяване е принцип, наречен локалност. Всеки отделен електрон взаимодейства само с близките си съседи електрони. Заплитането на всеки от многото електрони с неговите съседи произвежда серия „възли“ в мрежата. Тези възли са тензори, а заплитането ги свързва заедно. Всички тези съединени възли съставят мрежа. Става по-лесно да се визуализира сложното изчисление.

Има много различни видове тензорни мрежи, но сред най-полезните има една, известна със съкращението MERA (multiscale entanglement renormalization ansatz). Ето как работи тя: представете си едномерна линия на електроните. Заменете осем отделни електрона – A, B, C, D, E, F, G, H – с основните единици квантова информация (кюбити) и ги заплетете с близките съседи, за да образувате връзки. А се заплита с В; С се заплита с D; E се заплита с F; G се заплита с H.

Това произвежда по-високо ниво в мрежата. Сега заплитаме AB с CD, EF с GH, за да получим следващото ниво. Накрая ABCD се свързва с EFGH и се образува най-горният пласт.

„В известен смисъл може да се каже, че заплитането се използва за построяване на многочислена вълнова функция“, казва Роман Орус, физик от университета „Йоханес Гутенберг“ в Германия.

Защо някои физици толкова се вълнуват от потенциалните тензорни мрежи – особено MERA – в светлината на квантовата гравитация? Защото тези мрежи демонстрират как една геометрична структура може да излезе от сложните взаимодействия на много обекти. И Суингъл (наред с други) се надява да се възползва от тази възникваща геометрия и да покаже как тя може да обясни възникването на гладко непрекъснато пространство-време от дискретните битове квантова информация.


Границите на пространство-времето

Физиците на кондензираните среди случайно открили възникващо допълнително измерение, когато разработвали тензорните мрежи: тази техника дава двуизмерна система от едно измерение. В същото време гравитационните теоретици изваждали измерение – от три в две – с развитието на така наречения холографски принцип. Тези две понятия може да се обединят, за да се формира дълбоко разбиране на пространство-времето.

През 70-те години физикът Якоб Бекенщайн показал, че информацията за съдържанието на черната дупка се кодира в нейната двуизмерна зона (на „границата“), а не в триизмерна (в „обема“). Двадесет години по-късно Ленард Съскинд и Герардус т’Хоофт разширили тази идея на цялата Вселена, като я наподобили на холограма – нашата триизмерна Вселена в целия си блясък се появява от двумерен „изходен код“.

През 1997 година Хуан Малдасена открил конкретни примери за холографията в действие, демонстриращи, че игралният модел, описващ плоско пространство без гравитация, е еквивалентен на описаното седловидно пространство с гравитаация. Тази връзка физиците нарекли дуалност.

          
Марк ван Раамсдонк, теоретик от университета на Британска Колумбия във Ванкувър, сравнява тази холографска идея с двумерен компютърен чип, който съдържа код за създаването на триизмерното виртуално пространство на видеоигра.

Ние живеем в това триизмерно игрово пространство. В известен смисъл нашето пространство е илюзорно, ефимерен образ, проектиран в нищото. Но както подчертава Ван Рамсдонк, „има реално физическо нещо във вашия компютър, което съхранява всичката тази информация“.

Тази идея е получила широко признание сред физиците теоретици, но те както и преди се борят с проблема, как именно по-ниското измерение може да съхранява информация за геометрията на пространство-времето. Препъникамъкът се явява това, че нашият метафоричен чип трябва да е нещо от рода на квантов компютър, където традиционните нули и единици, използвани за кодиране на информацията, се заменят с кюбити, способни да бъдат нули, единици, и всичко едновременно.

Тези кюбити трябва да се свързват със заплитане – в резултат на което състоянието на един кюбит се определя от състоянието на неговия съсед, – преди да може да се кодира реалистичен триизмерен свят.

Заплитането изглежда фундаментално за съществуването на пространство-времето. До този извод още през 2006 година са стигнали двама учени – Шинсей Рю (университета на Илинойс, Урбана-Шампейн) и Тадаши Такаянаги (университета на Киото), получили наградата New Horizons 2015 по физика за тази работа.

„Идеята е, че начинът, по който е кодирана геометрията на пространство-времето, има много общо с това, как различните части на този чип с памет се заплитат помежду си“, обяснява Ван Раамсдонк.

Вдъхновен от техните изследвания, а също от работата на Малдасена, през 2010 година Ван Раамсдонк предложил мисловен експеримент, демонстриращ критичната роля на заплитането във формирането на пространство-времето, размишлявайки над това, което може да се случи, ако се разреже чипът с памет на две и след това се отстрани заплитането между кюбитите в двете половини.

Той открил, че пространство-времето започва да се разкъсва, подобно на дъвката, която при разтягане образува дупки в центъра. Продължавайки да разделя този чип с памет на по-малки и по-малки части, пространство-времето може да се разплита, докато не останат само малки индивидуални фрагменти, несвързани помежду си.

„Ако отстраните заплитането, вашето пространство-време просто ще се разпадне– казва Ван Раамсдонк. – По аналогичен начин, ако искате да построите пространство-време, ви е необходимо да започнете със заплитане на кюбитите по определен начин.“

Комбинирайте тези идеи с работата на Суингъл по съединение на заплетената структура на пространство-времето и холографския принцип с тензорните мрежи, и още едно парченце от пъзела ще застане на мястото си. Изкривеното пространство-време съвсем естествено се появява от заплитането в тензорните мрежи чрез холографията. „Пространство-времето е геометрично представяне на тази квантова информация“, казва Ван Раамсдонк.

И на какво прилича тази геометрия? В случая със седловидното пространство-време на Малдасена тя прилича на „Кръговия лимит“ на Мориц Корнелис Ешер от края на 50-те – началото на 60-те години. Ешер дълго време бил заинтересуван от реда и симетрията, включвайки тези математически идеи в своето изкуство.

            


Неговият „Кръгов лимит“ са илюстрации на хиперболична геометрия – отрицателно огънати пространства, представени в две измерения във вид на изкривен диск, подобно на това как плоският глобус на Земята на двуизмерна карта изкривява континентите. Суингъл твърди, че диаграмите на тензорните мрежи имат поразително сходство със серията „Кръгов лимит“.

Днес тензорният анализ е ограничен от модели на пространство-времето от рода на този на Малдасена, които не описват Вселената, в която ние живеем – неседловидна Вселена, чието разширение се ускорява. Физиците могат само да правят преводи между двата модела в рамките на някои специални случаи. В идеалния вариант те биха искали да получат универсален речник. И биха искали да правят точни преводи, а не приблизителни.

„Ние сме в забавна ситуация с тези дуалности, тъй като всички са съгласни, че това наистина е важно, но никой не знае как да ги извлече – казва Прескил. – Може би подходът с тензорната мрежа ще позволи да се отиде по-далече.“

През изминалата година Суингъл и Ван Раамсдонк са си сътрудничили, за да придвижат работата в съответната област извън пределите на статичната картина на пространство-времето и да изследват неговата динамика – как пространство-времето се изменя с времето и как се криви в отговор на тези изменения.

Засега са успели да изведат уравненията на Айнщайн, по-конкретно принципа на еквивалентност – доказателство, че динамиката на пространство-времето, както и неговата геометрия, произтичат от заплетени кюбити. Това е обещаващо начало.

„Въпросът: „Какво е пространство-времето?“ звучи като напълно философски въпрос – казва Ван Раамсдонк. – Но той е съвсем конкретен и фактът, че пространство-времето може да се изчисли, е нещо невероятно.“

Quanta Magazine



Телепортацията може да стане възможна


Квантовата физика би могла, теоретично, да бъде използвана, за да изпълни старото желание да телепортира. Въпреки това, всяка практическа употреба е изключително дълъг път, като учените само управляват отделни частици досега.
Във видеоклипа по-долу, minutephysics обясняват как телепортацията може да бъде теоретично възможна, използвайки квантова физика. Квантовата телепортация използва квантовото заплитане - ситуация, при която един набор от частици зависи от състоянието на друг. По принцип, ако учените създадат специфични части от частици, които могат да бъдат пренаредени в каквото те желаят да телепортират, те могат да изпращат частична информация за единия край на заплитането – кодиран като квантово състояние – и по този начин да го произвеждат в другия край. Като аналогия: представете си да сканирате какво искате да транспортирате, да го изпратите до другите заплетени частици и да го възстановите от това.
Докато може да транспортира нещо голямо, като котка – примерът, който видеото използва – е далеч, учените са успели да транспортират един фотон или електрон около 100 километра. Трудността се състои в създаването на два заплетени комплекта частици и впоследствие в транспортирането на единия от тях, без да се размива.
Това е свързано с учените, постигнали наскоро за първи път непосредствена противоположна квантова комуникация, която се с ефекта ”Зенон” е (замразяване на ситуацията, като го наблюдава), а не заплитане фазата на светлината. В експеримента учените успешно транспортират информация,
Зависи от какво имате предвид чрез заплитане. В теорията на квантовата теория заплитането се отнася до два кванта, които се създават заедно и чиито свойства следователно се свързват, така че ако някой се срине и други прави също. В този смисъл няма никаква връзка с “телепортацията”. Но нека да ви обясня по-нататък. Първо тук пиша за квантовия колапс в моята книга:

Шрьодингер, от друга страна, искаше да повярва, че електронът е вълна, разпространявана в цялото пространство, но той трябваше да се изправи срещу поведението на частиците, както се вижда, например в облачна
камера.
Ние твърдим, че атомът в действителност е просто … явлението на електронната вълна, заловен в ядрото на атома … От гледна точка на вълновата механика, [фигурата на частиците] би била само фиктивна. Аз обаче вече споменах, че все още сме наблюдавали такива пътища за частици … Смятаме, че е трудно да се интерпретират следите, които виждаме, като нищо повече от тесни връзки на еднакво възможни пътища. - Е. Шрьодингер ( Нобелова лекция , 1933 г.)
Квантов колапс . Отговорът на дилемата на Шрьодингер е квантов колапс (вж. Глава 3). Ако квантовото поле предаде енергията си на атом, то трябва да направи това като единица и да изчезне от цялото пространство, без значение колко е разпространено. Дори ако прехвърля само част от енергията си, тя трябва да се срути всеки път, когато енергията се прехвърля. Както писа Арт Хобсън, позовавайки се на маршрутите на облачната камера, показани по-горе:
Пистите са направени чрез последователни индивидуални взаимодействия между поле на материя и молекули на газ или вода. Въпросът квантово рухва … всеки път, когато взаимодейства с една молекула, докато се разпространява като поле на материя между въздействията. - А. Хобсън ( H2007, стр. 313 )
И ето какво пишех за заплитането :

Квантов колапс може да възникне и ако две кванти са създадени заедно, така че техните свойства (въртене, инерция и т.н.) са взаимосвързани. Такива кванти се смятат за заплетени ; ако един квантов се срине или промени състоянието си, другият трябва да направи същото и трябва да го направи мигновено. Експерименти със заплетени фотони са показали, че когато завъртането на един фотон се променя (чрез взаимодействие с магнит), другото завъртане също се променя и го прави едновременно, без значение колко далеч са фотоните. Това е, което Айнщайн нарича “призрачно действие на разстояние”.
Резолюция . В QM няма начин да се обясни това, но в QFT е просто още един пример – по-сложен пример – за квантов колапс. Ако можем да приемем, че едно квантово, макар и разпръснато на километри от космоса, може мигновено да се срине, не е достатъчно да се приеме, че две заплетени кванти могат да направят същото.

http://sciencetechworld.com/teleportation-possible-using-quantum-physics/:

Няма коментари:

Публикуване на коментар