ควอนตัมพัวพันคืออะไร?

การพัวพันควอนตัมเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ Uber-Bizarre ที่เห็นเมื่อสิ่งต่าง ๆ ได้รับ itty-bitty หรือภายในขอบเขตควอนตัม เมื่ออนุภาคสองอนุภาคขึ้นไปเชื่อมโยงกันไม่ว่าพวกเขาจะอยู่ห่างกันแค่ไหนในอวกาศรัฐยังคงเชื่อมโยงกัน นั่นหมายความว่าพวกเขาแบ่งปันสถานะควอนตัมที่รวมกันทั่วไป ดังนั้นการสังเกตของอนุภาคหนึ่งสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาคที่พันกันได้โดยอัตโนมัติโดยไม่คำนึงถึงระยะห่างระหว่างพวกเขา และการกระทำใด ๆ กับหนึ่งในอนุภาคเหล่านี้จะส่งผลกระทบต่อผู้อื่นอย่างต่อเนื่องในระบบที่พาดพิงถึง

ใครค้นพบสิ่งกีดขวางควอนตัม?

นักฟิสิกส์พัฒนาแนวคิดพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการพัวพันในขณะที่พวกเขาทำงานกลไกของโลกควอนตัมในช่วงต้นทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ 20 พวกเขาพบว่าเพื่ออธิบายระบบ subatomic อย่างถูกต้องพวกเขาต้องใช้สิ่งที่เรียกว่าสถานะควอนตัม

ในโลกควอนตัมไม่มีอะไรเป็นที่รู้จักกันเลย ตัวอย่างเช่นคุณไม่เคยรู้แน่ชัดว่าอิเล็กตรอนในไฟล์อะตอมตั้งอยู่เฉพาะที่มันอาจเป็น. สถานะควอนตัมสรุปความน่าจะเป็นของการวัดคุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคเช่นตำแหน่งหรือโมเมนตัมเชิงมุม ตัวอย่างเช่นสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนอธิบายถึงสถานที่ทั้งหมดที่คุณอาจพบพร้อมกับความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนในสถานที่เหล่านั้น

คุณสมบัติอีกอย่างของสถานะควอนตัมคือพวกเขาสามารถมีความสัมพันธ์กับสถานะควอนตัมอื่น ๆ ซึ่งหมายความว่าการวัดของรัฐหนึ่งอาจส่งผลกระทบต่อรัฐอื่น ในกระดาษ 2478 อัลเบิร์ตไอน์สไตน์บอริสพอดอลสกี้และนาธานโรเซ็นตรวจสอบว่ารัฐควอนตัมมีความสัมพันธ์กันอย่างมากจะโต้ตอบกันได้อย่างไร พวกเขาพบว่าเมื่ออนุภาคสองตัวมีความสัมพันธ์อย่างมากพวกเขาจะสูญเสียสถานะควอนตัมของแต่ละบุคคลและแทนที่จะแบ่งปันสถานะเดียวและเป็นหนึ่งเดียวแทน อีกวิธีหนึ่งที่จะคิดเกี่ยวกับมันคือ "ภาชนะ" ทางคณิตศาสตร์เดียวสามารถอธิบายอนุภาคทั้งหมดพร้อมกันโดยไม่คำนึงถึงคุณสมบัติของแต่ละบุคคล รัฐที่เป็นเอกภาพนี้จะกลายเป็นที่รู้จักกันในชื่อควอนตัมพัวพัน

พวกเขาพบว่าหากอนุภาคสองอนุภาคถูกพันกันหมายความว่าสถานะควอนตัมของพวกเขามีความสัมพันธ์กันอย่างมากและกลายเป็นหนึ่งเดียวจากนั้นการวัดของอนุภาคอันใดอันหนึ่งมีอิทธิพลต่ออีกอนุภาคโดยอัตโนมัติไม่ว่าอนุภาคจะอยู่ห่างออกไปไกลแค่ไหนสารานุกรมปรัชญาสแตนฟอร์ด-

นักฟิสิกส์คนแรกที่ใช้คำว่า "พัวพัน" คือ Erwin Schrödingerซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งกลศาสตร์ควอนตัม- เขาอธิบายถึงความพัวพันว่าเป็นแง่มุมที่สำคัญที่สุดของกลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าการดำรงอยู่ของมันเป็นการออกเดินทางอย่างสมบูรณ์จากแนวความคิดแบบคลาสสิก

EPR Paradox คืออะไร?

เมื่อ Einstein, Podolsky และ Rosen ค้นพบการพัวพันจะปรากฏขึ้นทันที: เมื่อคุณมีความรู้เกี่ยวกับสถานะควอนตัมหนึ่งสถานะคุณจะรู้สถานะควอนตัมของอนุภาคที่พัวพันโดยอัตโนมัติ โดยหลักการแล้วคุณสามารถวางอนุภาคที่พันกันสองอันไว้ที่ปลายตรงข้ามของกาแลคซีและยังคงมีความรู้ทันทีซึ่งดูเหมือนจะละเมิดขีด ​​จำกัด ของความเร็วแสง

ผลลัพธ์นี้เรียกว่า EPR Paradox (สั้นสำหรับ Einstein, Podolsky และ Rosen)ตามสมาคมกายภาพอเมริกัน- เอฟเฟกต์ Einstein ขนานนามว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" เขาใช้ความขัดแย้งเป็นหลักฐานว่าทฤษฎีควอนตัมไม่สมบูรณ์ แต่การทดลองได้ยืนยันซ้ำ ๆ ว่าอนุภาคที่พันกันมีอิทธิพลต่อกันและกันโดยไม่คำนึงถึงระยะทางและกลไกควอนตัมยังคงตรวจสอบจนถึงทุกวันนี้

ไม่มีการลงมติที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับความขัดแย้ง อย่างไรก็ตามแม้ว่าระบบที่พาดพิงถึงไม่ได้รักษาสถานที่ (หมายถึงส่วนหนึ่งของระบบที่พาดพิงถึงสามารถมีอิทธิพลต่ออนุภาคที่ห่างไกล) แต่พวกเขาก็เคารพเวรกรรมซึ่งหมายความว่าผลกระทบมีสาเหตุอยู่เสมอ ผู้สังเกตการณ์ที่อนุภาคที่ห่างไกลไม่ทราบว่าผู้สังเกตการณ์ในท้องถิ่นรบกวนระบบที่ยุ่งเหยิงและในทางกลับกัน พวกเขาจะต้องแลกเปลี่ยนข้อมูลซึ่งกันและกันไม่เร็วกว่าความเร็วแสงเพื่อยืนยัน

กล่าวอีกนัยหนึ่งข้อ จำกัด ที่กำหนดโดยความเร็วของแสงยังคงอยู่ด้วยระบบที่พันกัน ในขณะที่คุณอาจรู้สถานะของสถานะของอนุภาคที่อยู่ห่างไกล แต่คุณไม่สามารถสื่อสารข้อมูลนี้ได้เร็วกว่าความเร็วแสง

คุณสร้างสิ่งกีดขวางควอนตัมได้อย่างไร?

มีหลายวิธีในการพัวพันอนุภาค วิธีหนึ่งคือการทำให้อนุภาคเย็นลงและวางไว้ใกล้กันมากพอเพื่อให้สถานะควอนตัมของพวกเขา (แสดงถึงความไม่แน่นอนในตำแหน่ง) ทับซ้อนกันทำให้ไม่สามารถแยกแยะอนุภาคหนึ่งจากที่อื่นได้

อีกวิธีหนึ่งคือการพึ่งพากระบวนการ subatomic บางอย่างเช่นการสลายตัวของนิวเคลียร์ซึ่งจะผลิตอนุภาคที่พันกันโดยอัตโนมัติตามที่นาซ่านอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างโฟตอนที่พันกันหรืออนุภาคของแสงโดยแยกโฟตอนเดี่ยวและสร้างโฟตอนในกระบวนการหรือผสมโฟตอนในสายเคเบิลใยแก้วนำแสง

การพัวพันควอนตัมสามารถใช้อะไรได้บ้าง?

บางทีการใช้งานควอนตัมพัวพันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดอาจอยู่ในการเข้ารหัสตามนิตยสาร Caltech-ในสถานการณ์นี้ผู้ส่งและตัวรับสัญญาณสร้างลิงค์การสื่อสารที่ปลอดภัยซึ่งรวมถึงคู่ของอนุภาคที่พันกัน ผู้ส่งและตัวรับสัญญาณใช้อนุภาคที่พาดพิงถึงเพื่อสร้างกุญแจส่วนตัวซึ่งรู้จักกันเฉพาะว่าพวกเขาสามารถใช้เพื่อเข้ารหัสข้อความของพวกเขา หากมีคนสกัดกั้นสัญญาณและพยายามอ่านกุญแจส่วนตัวการพัวพันจะแตกเนื่องจากการวัดอนุภาคที่พันกันจะเปลี่ยนสถานะของมัน นั่นหมายความว่าผู้ส่งและผู้รับจะรู้ว่าการสื่อสารของพวกเขาถูกบุกรุก

แอพพลิเคชั่นการพัวพันอีกประการหนึ่งคือการคำนวณควอนตัมซึ่งมีอนุภาคจำนวนมากเข้าไปพัวพันดังนั้นจึงช่วยให้พวกเขาทำงานร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อนและซับซ้อน ตัวอย่างเช่นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีเพียง 10 qubits (บิตควอนตัม) สามารถแสดงหน่วยความจำในปริมาณเท่ากันกับ 2^10 บิตดั้งเดิม

การเคลื่อนย้ายทางไกลควอนตัมคืออะไร?

ตรงกันข้ามกับการใช้คำว่า "เทเลพอร์ต" ตามปกติควอนตัมเทเลพอร์ตไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวหรือการแปลของอนุภาคเอง แต่ในการเคลื่อนย้ายทางไกลควอนตัมข้อมูลเกี่ยวกับสถานะควอนตัมหนึ่งสถานะจะถูกขนส่งระยะทางไกลและทำซ้ำที่อื่นตามข่าวธรรมชาติ-

เป็นการดีที่สุดที่จะคิดว่าควอนตัมเทเลพอร์ตเป็นรุ่นควอนตัมของการสื่อสารแบบดั้งเดิม

ก่อนอื่นผู้ส่งเตรียมอนุภาคเพื่อเก็บข้อมูล (เช่นสถานะควอนตัม) ที่พวกเขาต้องการส่ง จากนั้นพวกเขารวมสถานะควอนตัมนี้เข้ากับหนึ่งในอนุภาคที่พันกัน สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในคู่ที่พันกันซึ่งสามารถนั่งห่างออกไปโดยพลการ

จากนั้นผู้รับจะบันทึกการเปลี่ยนแปลงในพันธมิตรที่พันกันของทั้งคู่ ในที่สุดผู้ส่งจะต้องส่งผ่านช่องทางปกติ (เช่น จำกัด ด้วยความเร็วของแสง) การเปลี่ยนแปลงดั้งเดิมที่เกิดขึ้นกับคู่ที่พันกัน สิ่งนี้ช่วยให้ผู้รับสามารถสร้างสถานะควอนตัมในตำแหน่งใหม่ได้

สิ่งนี้อาจดูเหมือนว่าจะมีงานมากมายที่จะส่งผ่านข้อมูลชิ้นเดียว แต่ควอนตัมเทเลพอร์ตทำให้การสื่อสารที่ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ หากสกัดกั้นสัญญาณดักฟังพวกเขาจะทำลายความพัวพันซึ่งจะถูกเปิดเผยเมื่อผู้รับเปรียบเทียบสัญญาณดั้งเดิมกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในคู่ที่ยุ่งเหยิง

เรียนรู้เพิ่มเติม:

• ด้วยมีผู้อธิบายที่ยอดเยี่ยมON: คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร?
• เรียนรู้เกี่ยวกับการใช้งานที่ทันสมัยทั้งหมดของควอนตัมพัวพันที่หน้ามหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูนี้-