Квантовая механика: телепортация, нелокальность, игры со временем и другие чудеса

О, прямо по теме

// via https://www.linux.org.ru/forum/science/10623248

Офигенно.

Старая, проверенная временем новость про кота Шредингера.

Обход классических ограничений был найден в 2006 году А. Коротковым и Э. Джорданом из Калифорнийского университета за счёт слабых квантовых измерений (англ. weak quantum measurement). Продолжая аналогию, оказалось, что можно не распахивать ящик, а лишь чуть-чуть приподнять его крышку и подсмотреть в щёлку. Если состояние кота неудовлетворительно, то крышку можно сразу захлопнуть и попробовать ещё раз. В 2008 году другая группа исследователей из Калифорнийского университета объявила об успешной экспериментальной проверке данной теории. «Реинкарнация» кота Шрёдингера стала возможной. Наблюдатель А теперь может приоткрывать и закрывать крышку ящика, пока не убедится, что у наблюдателя Б кот окажется в нужном состоянии.

Открытие возможности «обратного коллапса» во многом перевернуло представления о базовых принципах квантовой механики:

Профессор Влатко Ведрал, Оксфордский университет: «Теперь мы даже не можем сказать, что измерения формируют реальность, — ведь можно элиминировать эффекты замеров и начать всё заново» Профессор Шлоссхауэр, университет Мельбурна: «Квантовый мир стал ещё более хрупким, а реальность ещё более таинственной».

Таким образом, двусторонняя квантовая телепортация оказывается неидеальным, но вполне реальным видом связи. Из-за "зашумлённости" передаваемых данных, чтобы сообщить одинаковый объём информации, сторонам потребуется больше усилий (как радистам начала прошлого века, по два раза повторявшим передачу), однако за счёт двусторонности связи они должны вполне окупиться.

Новый подход способен серьёзно продвинуть область квантовой связи. В её рамках можно добиться идеального шифрования сообщений таким образом, чтобы его вовсе нельзя было перехватить незаметно для отправителя и получателя, что имеет большое практическое значение в целом ряде приложений.

 

Электромагнитная антигравитация?
A. Fuzfa, “How Current Loops and Solenoids Curve Space-Time,” Physical Review D, V3, December 2015.
Хотя статья подана первого апреля, но потом прошла редактура декабрьская.
Для шутки слишком сложно выглядит.
A. Fuzfa, How Current Loops and Solenoids Curve Space-Time

Физики из Массачусетского технологического института впервые использовали нейтрино для доказательства нарушения неравенств Леггета-Гарга. Нарушения удалось показать на расстояниях около 735 километров. Неравенства Леггета-Гарга представляют собой условия, которые должны выполняться в полностью детерминированном мире. Реализуемость эксперимента Шредингера с котом, находящимся одновременно в «живом» и «мертвом» состоянии, возможна лишь при нарушении этих неравенств. Исследование принято к публикации вPhysical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает Science и пресс-релиз MIT.

Квантовая механика допускает существование объекта одновременно в двух состояниях, например, вращающимся по и против часовой стрелки. Такие состояния называются суперпозицией. Однако любая попытка измерения разрушает суперпозицию и показывает, что направление вращения объекта строго одно. Результат измерения определяется вероятностью: условно, объект может с 80-процентной вероятностью вращаться по часовой стрелке и с 20-процентной — против. До измерения пять таких объектов будут неразличимы, после один из них, скорее всего, окажется отличным от других.

С точки зрения реализма до измерения эти пять объектов тоже будут различаться, например, за счет каких-то скрытых параметров. Леггет и Гарг разработали специальный эксперимент, с помощью которого можно проверить, нарушается ли реализм. В классической постановке, для этого требуется несколько последовательных измерений. Неравенства Леггета-Гарга устанавливают ограничения на корреляцию между результатами измерений в разные моменты времени. Их еще называют временным аналогом неравенств Белла: последние ограничивают корреляцию между двумя системами, находящимися в разных точках пространства.

Проверка неравенств Леггета-Гарга в случае квантовых частиц затруднена тем, что измерения уничтожают суперпозицию. Поэтому для экспериментов ученые используют методы так называемых слабых измерений, не нарушающих квантовость частиц. Нарушения неравенство были зафиксированы для фотонов, сверхпроводящих цепей, электронов и ядерных спинов. В новой работе авторы увидели нарушения неравенств для реакторных нейтрино, осциллирующих на расстоянии 735 километров между источником и детектором.

Осцилляциями нейтрино называют периодический процесс превращения мюонных нейтрино в частицы другого сорта — электронные или тау-нейтрино — и обратно. Сорт нейтрино показывает как нейтрино взаимодействует с разными лептонами (электронами, мюонами и тау). Благодаря осцилляциям вместо мюонного нейтрино, родившегося в ядерной реакции, можно получить в детекторе электронное. Именно этот процесс изучали в эксперименте MINOS, данными которого воспользовались авторы.

В работе авторы использовали не последовательные измерения, а одновременный анализ для частиц с разными энергиями. Такую замену, по словам ученых, можно сделать, поскольку частота осцилляций сильно зависит от энергии частиц. Для высокоэнергетичных нейтрино «часы тикают быстрее», поясняетScience — поэтому можно искать корреляции в эксперименте можно между частицами с разными энергиями. 

Как и ожидали авторы, эксперимент показал, что до измерения нейтрино не отличимы друг от друга. Ученые отмечают, что это рекордный по масштабу расстояний тест неравенств, аналогичных неравенствам Белла. 

«Если бы вы сказали мне десять лет назад, что мы будем использовать нейтрино для исследования основ квантовой механики, то я бы ответил, что вы курили нечто очень интересное» — прокомментировал работу Эндрю Уайт, физик из Университета Квинсленда, Австралия. — «Это неудивительный результат, но он привлекает тем, что показывает новую систему для исследования квантовых основ».

Ранее физики-теоретики из Института квантовой оптики Общества Макса Планка показали, что использовать неравенства Леггета-Гарга для тестов макрореализма недостаточно. Ученые предложили заменить эти неравенства на уравнения, отражающие принцип причинности и «не-передачи» информации во времени.

Владимир Королёв

 

Полосатый кот Шрёдингера.
(тянет на название НФ-рассказа - название неплохое, но чаще почему-то их придумывают слабые писатели, и пишут какую-то фигню; ну типа как "Старик и марсианское море")

Международная группа учёных сделала революционное открытие в области квантовой физики, впервые обнаружив явление квантового запутывания между кварками и глюонами внутри протонов — частиц, составляющих ядра всех атомов.

Квантовое запутывание — это феномен, при котором две частицы могут мгновенно влиять на состояние друг друга, независимо от расстояния между ними, даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Несмотря на первоначальный скептицизм Альберта Эйнштейна, который называл это явление «жутким», его существование было многократно подтверждено экспериментально.

В новом исследовании, которое длилось шесть лет, учёные изучили запутывание на рекордно малом расстоянии — одной квадриллионной доли метра, обнаружив его внутри отдельных протонов.

«До нашей работы никто не исследовал запутывание внутри протона на основе экспериментальных данных о столкновениях высоких энергий. Десятилетиями мы рассматривали протон как совокупность кварков и глюонов, сосредоточиваясь на свойствах отдельных частиц. Теперь, с доказательством их запутанности, эта картина изменилась. Мы имеем дело с гораздо более сложной и динамичной системой», — отметил физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту.

Для изучения внутренней структуры протонов исследователи анализировали данные высокоэнергетических столкновений частиц, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК) и ускорителе HERA. Используя технику, разработанную в 2017 году, они исследовали, как запутанность влияет на траектории частиц, вылетающих после столкновений.

Теоретик Лаборатории Брукхейвена Дмитрий Харзеев объяснил: «При максимально запутанном состоянии кварков и глюонов существует простое соотношение, позволяющее предсказать энтропию частиц, образующихся при высокоэнергетическом столкновении». Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчётами энтропии показало идеальное совпадение, что убедительно подтверждает максимальную запутанность кварков и глюонов внутри протонов.

Это открытие может помочь понять, что удерживает эти фундаментальные частицы вместе в атомных ядрах. Более того, оно открывает новые перспективы для исследования более глубоких вопросов ядерной физики, например, как структура протонов изменяется под влиянием окружающих протонов и нейтронов в ядре атома.

«Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно будет сталкивать электроны не только с отдельными протонами, но и с ядрами», — добавил Ту. Это станет одним из ключевых направлений исследований на строящемся электрон-ионном коллайдере (EIC) в Лаборатории Брукхейвена, запуск которого запланирован на 2030 год.

В PDF: https://arxiv.org/pdf/2408.01259

Сотрудники Оксфордского университета утверждают, что им удалось успешно провести эксперимент по квантовой телепортации. Учёные связали удалённые квантовые системы таким образом, чтобы те могли обрабатывать вычисления синхронно, находясь в разных местах.

Квантовая телепортация позволяет передавать информацию между частицами, находящимися на расстоянии друг от друга. Исследователи объединили два квантовых процессора, расположенных на расстоянии примерно двух метров друг от друга, используя специальный оптический интерфейс.

Переход на передачу данных с помощью света вместо электрических сигналов позволит учёным решить ключевые инженерные проблемы, мешающие созданию масштабных квантовых систем. В частности, увеличение количества кубитов усложняет задачу их стабилизации и защиты от внешних помех.

Сама по себе квантовая телепортация уже была продемонстрирована в ряде предыдущих экспериментов. Ранее учёные доказали, что квантовые состояния — характеристики кубитов, которые являются аналогами битов в классическом компьютере, способными успешно создавать связи между удалёнными системами.

 

Проф. Форбс, известный в своей области теоретик (хотя как бы скорее "прикладной", чем фундаментальный), в прошлогоднем выступлении среди прочего ставит ряд беспокоящих его вопросов, важных для понимания туннеллирования - вопросов по большей части даже не инструментальных, а связанных с трактовкой и интерепретацией базовых понятий.

How to describe a tunnelling electron

Some fundamental issues are:

1. What does the squared modulus of the wave-function represent: "the
result of a measurement" or "the distribution of electron matter?"

2. If the former, what does it mean to find an electron at a place where it
has negative kinetic energy [in accordance with widely published
populist "interpretations" of quantum mechanics]? [Or are the populist
interpretations "bad physics" ? (Yes, in my view).]

3. Could a "real electron" have negative kinetic energy? [No, in my view.]

4. Hence, the wave-function for a real electron must be distributed and
must always "stick out at one or both ends of the barrier."

5. This suggests to me that there may be TWO types of wave-function: one
associated with actual matter distribution, the other with "pathway
choice" (in FE, associated with transmission probability).

6. Incidentally, what holds a distributed electron together?

Some further questions are:

7. How long is an electron ?
8. If an electron is 20 nm long, then––in the uncertainty principle––what do
we mean by the "position of an electron" ?
9. Does the concept of "wave-particle duality" need to be replaced by
something more sophisticated and more carefully formulated. [What do
we mean by a "particle" ?]

 

The main issues here are as follows.

Landau and Lifschitz seem to have used a "model of reality” / "interpretation of quantum
mechanics" that is different from the conventional ones. You might call
it the "many simultaneous paths in a single world" interpretation. They
split the electron into many infinitesimally small elements, each of
which follows a different path and has a different tunneling probability.

They then do a sum when all the elements have emerged from the
barriers.
The following issues arise
(i) How to decide the actual paths?
(ii) Is summing probabilities (rather than amplitudes) correct ?
(iii) How to deal with image effects when the atom is close to a surface?

 

Некое недовольство недостаточным нашим пониманием основ копится. Несколько лет назад был опрос у участников то ли одной конференции, то ли нескольких - какой интерпретации квантовой механики они придерживаются; к копенгагенской склонялись меньше половины, если не трети, а вообще разброс большой.