Какво е локалност и защо тя не съществува в квантовия свят
Квантовият свят е много далеч от нашия, така че неговите закони често ни се струват странни и неинтуитивни. Важни новини от квантовата физика обаче идват буквално всеки ден, така че сега е необходимо да имаме правилна представа за тях - в противен случай работата на физиците в нашите очи се превръща от наука в магия и обраства с митове. Последния път, когато говорихме за квантови компютри, днес ще разберем какво е локалност и защо тя е нарушена в квантовия свят.
Да кажем, че когато отидете на любимия си научен портал, обръщате внимание на статия със следното заглавие: „Физиците откриха изключително нарушение на локалния реализъм в състоянията на квантовата хиперграфия“. Любопитството подтиква да разберем какво са открили физиците, но не е толкова лесно да преминем отвъд първите четири думи от заглавието. Решихме да помогнем със следващата двойка условия. На въпросите ни относно локалния реализъм и квантовата нелокалност отговори Александър Лвовски, служител на RCC и професор в университета в Калгари.
Какво е локалност и принципът на локалност във физиката?
Така че принципът на локалността, също въведен от Айнщайн заедно с Подолски и Розен през 1935 г., е, че физическата реалност не може да бъде променена от никакви действия върху отдалечен обект, който не взаимодейства с нашия. Тривиално, нали?
Какво означава нарушение на местоположението? Как може нещо да е нелокално, например, в нашия "голям" свят? Защо е лошо, например,в класическата механика?
Нарушаването на локалността е, когато действията на, да речем, Алиса на Венера моментално и без никакво взаимодействие променят физическата реалност на Боб на Марс (например сега Боб,подскачане, витаене във въздуха). Такива неща са неприятни, не само защото изглежда, че нарушават теорията на относителността, според която никаква информация не може да бъде предадена моментално. Още по-лошо, те нарушават здравия разум, самата основа на нашето разбиране за света - че не можете да промените състоянието на обект, без да взаимодействате с него.
Как изглеждат квантовите нарушения на локалността?
В статията от 1935 г., цитирана по-горе, Айнщайн и колеги разглеждат заплетено състояние на две частици, които имат координати и моменти, равни една на друга, но неизвестни за нас. Може да възникне например по време на спонтанно параметрично разсейване - разпадането на един фотон на два други с по-ниска енергия. Тогава вижте какво ще стане. Нека изпратим една от тези частици на Венера при Алис, а втората на Марс при Боб. Да кажем, че Алис измерва координатата на своята частица. Тогава, тъй като е известно, че координатите на частиците на Алис и Боб са точно корелирани, ще получим частица от Боб с определена координата. Ако Алис измерва импулса (и импулсите също са корелирани), тогава Боб ще получи състояние с определен импулс. Но има принцип на несигурност в квантовата механика, който казва, че състояние с определена координата и състояние с определен импулс са две физически реалности, несъвместими една с друга. И ако е така, тогава се нарушава принципът на местността. Тук явно е станала грешка при превода и поставянето на статията. Ситуацията е следната: Ако Алис измери точно координатите от нейната страна, а Боб точно измери импулса от своята страна и след това те прехвърлиха данните един на друг, тогава се оказва, че са успели едновременно да измерят точно както координатите, така и импулса, което принципът на несигурността на Хайзенберг не позволява.
ТакаПо този начин, в мисловния експеримент на Айнщайн, Подолски и Розен, локалността се нарушава само при предположението, че принципът на неопределеността е верен - тоест само при хипотезата, че квантовата теория е вярна.
Възможно ли е да не вземем предвид нещо и частиците да са се „разбрали“ за всичко в момента на раждането?
Всъщност Айнщайн, Подолски и Розен са направили такова заключение. Те казаха, че се оказва, че квантовата теория е или противоречива сама по себе си, или противоречи на фундаменталния принцип на локалността! Физиците изразиха надежда, че може би някой ден в бъдещето ще бъде възможно да се създаде теория, която да обясни експерименталните резултати, както и квантовата механика. В същото време ще обясни корелацията, която описах по-горе, именно по този начин - че частиците от момента на раждането си носят някакви скрити, все още неизвестни за нас, корелирани помежду си параметри, които ще определят резултата от измерванията.
Неравенствата на Бел, свързани ли са с локалност и нелокалност, с локален реализъм? Ако да, как?
Работата на Айнщайн, въпреки цялата си важност, е по-скоро от философско естество. В крайна сметка физиката се основава на сравнение между теория и експеримент. Провеждайки експеримент, физикът открива кои хипотези a са верни и кои са грешни. И Айнщайн не предлага алтернативна теория. Напротив, той постулира, че новата теория ще предскаже същите резултати като квантовата физика. Следователно, през следващите тридесет години, той служи като основа само за спекулативни разсъждения.
Наблюдавали ли сте експериментално нарушения на местността? Има ли фундаментални разлики между различните експерименти?
Експериментите със схемата на Бел се появяват почти веднага след откриването му ипродължава и до днес, непрекъснато се подобрява. Всички тези експерименти свидетелстват в полза на нарушаването на локалността. Тоест има корелации, които не могат да бъдат обяснени с помощта на скрити локални параметри. Целта на подобряването на експериментите е да се премахнат „дупките“. Например, една от тези „дупки“, която доскоро не можеше да бъде преодоляна, беше загубата на част от частиците по пътя към Алис и Боб и по време на откриването. Ако се губят частици, тогава човек, играейки ролята на адвокат на дявола, може да каже, че природата създава тези загуби избирателно и че те изкривяват статистиката на резултатите и създават само илюзията за нелокалност. Експериментът, при който бяха премахнати всички "дупки", се появи само преди няколко месеца. Това е значително постижение в съвременната физика.
Оказва се, че частиците обменят информация моментално. Как се сравнява товас постулатите на SRT, които забраняват движението на нещо със скорост, по-висока отскоростта на светлината?
Квантовите нарушения на локалността са нелокалност в олекотената версия. Не е толкова грубо, колкото може да са нарушенията на локалността в „големия свят“. Нелокалното действие не се случва детерминистично (Алиса размаха магическата си пръчка и квантовото състояние на частицата на Боб се промени по определен начин), а като следствие от измерването на Алиса. Освен това състоянието, получено от Боб, зависи от произволния резултат от измерването на Алис. Докато Боб не разбере какъв резултат е получила Алис, той няма да може да извлече нова информация от своята частица. Следователно няма моментално предаване на информация на разстояние.
В мисловния експеримент на Айнщайн, Подолски и Розен, например, съществува нелокалност (Алис може да сготви частицата на Боб в едно от двете несъвместими състояния), ноинформацията не се предава. В края на краищата и стойността на координатата, и стойността на импулса, които Боб може да измери, остават произволни от негова гледна точка дори след измерване на Алис. Едва след като научи от Алис резултата от нейното измерване, той може да заключи, че състоянието на неговата частица се е променило.
Има ли примери за нелокални теории?
Квантовата нелокалност съществувасамо в рамките на Копенхагенската интерпретация на квантовата механика. В съответствие с него при измерване на квантово състояние то се срива. Ако вземем за основа интерпретацията на много светове, която казва, че измерването на състояние само разширява суперпозицията към наблюдателя, тогава няма нелокалност. Това е просто илюзия за наблюдател, който "не знае", че е влязъл в заплетено състояние с частица в противоположния край на квантовата линия.
В кои други физични теории работи принципът на локалността?Локална ли е електродинамиката на Максуел?
Принципът на локалността е универсален принцип на класическата физика, който включва и електродинамиката на Максуел. Само в квантовата механика тя е нарушена, и то под формата на "светлина" - че някои експериментално наблюдавани корелации не могат да бъдат обяснени с помощта на скрити локални параметри.
Трябва ли по някакъв начин да се справим с квантовата нелокалност? Как ще ни помогне това?
Тъй като нелокалността, както установихме, не води до катастрофални последици за нашите представи за света, не е необходимо да се „борави“ с нея. Въпреки това, мисленето за това ни дава по-дълбоко разбиране на същността на квантовата механика. В допълнение, квантовото заплитане, което поражда нелокалност, е крайъгълният камък на квантовите компютри и други квантови технологии.