Можно ли применить квантовую запутанность для коммуникаций быстрее света?

10 837 просмотров
Об авторе

Квантовая запутанность

В прошлом месяце миллиардер Юрий Мильнер и астрофизик Стивен Хокинг объявили о проекте Breakthrough Starshot: невероятно амбициозном плане отправить первый сделанный людьми космический аппарат в другую звездную систему в нашей галактике. Гигантский лазерный массив мог бы запустить аппарат размером с микрочип к другой звезде на скорости в 20% от световой. Но непонятно, как это небольшое устройство сможет связаться с нами через огромное межзвездное пространство. Как насчет квантовой запутанности? Можно ли применить ее для такой связи?

Такая идея, безусловно, заслуживает внимания.

Рубль

Представьте себе две монеты, каждая из которых может выпасть орлом или решкой. Одна монета у вас, другая у меня, а мы находимся чрезвычайно далеко друг от друга. Мы подбрасываем свои монетки в воздух, ловим их и шлепаем на стол. Перед тем как взглянуть на выпавшую фигуру, мы ожидаем, что решка выпадет с вероятностью в 50/50, и орел, конечно, также. В обычной, незапутанной Вселенной, ваш и мой результаты будут независимы друг от друга. Если у вас выпадет решка, моя монета с вероятностью в 50% упадет орлом или решкой. Но при определенных условиях эти результаты могут быть запутаны: если вы проводите этот эксперимент и получает решку, вы будете знать, что моя монета с вероятностью в 100% покажет орла, еще до того, как я вам об этом сообщу. Вы узнаете об этом мгновенно, даже если мы будем разделены световыми годами и не пройдет ни единой секунды.

Запутанность

В квантовой физике мы обычно запутываем не монеты, а отдельные частицы, вроде электронов и фотонов, где, например, каждый фотон может иметь спин +1 или -1. Если измерить спин одного фотона, вы мгновенно узнаете спин другого, даже если он будет за полвселенной от нас. Пока вы не измерите спин одного фотона, они оба существуют в неопределенном состоянии; но как только измерили один, вы сразу же узнаете о нем. На Земле мы проводили такой эксперимент, разделив два запутанных фотона многими километрами и измерив их спины в течение наносекунды. Оказалось, что если мы измеряем спин одного и он оказывается +1, мы узнаем о том, что спин другого -1 в 10000 раз быстрее, чем могла бы позволить нам скорость света.

Запутанность

И вот вопрос: могли бы мы использовать это свойство — квантовую запутанность — чтобы связаться с далекой звездной системой? Ответ: да, если считать проведение измерения в удаленном месте формой связи. Но когда вы говорите «связь», обычно вы хотите что-то узнать о том месте, с которым связываетесь. Вы можете, например, держать запутанную частицу в неопределенном состоянии, отправить ее на борту космического аппарата к ближайшей звезде и сказать ему искать признаки твердых планет в пределах обитаемой зоны этой звезды. Увидев такую, он проводит измерение, которое приводит к тому, что ваша частица окажется в состоянии +1, а если нет, то проведение измерения покажет, что ваша частица в состоянии -1.

Физика

Таким образом, предположите вы, частица на Земле должна быть в состоянии -1, когда вы измеряете ее, что скажет о том, что космический аппарат нашел планету в обитаемой зоне, или же в состоянии +1, что скажет о том, что аппарат планету не нашел. Если вы знаете о том, что измерение было проведено, вы сможете сделать собственное измерение и мгновенно узнать о состоянии другой частицы, даже если она за много световых лет от вас.

Квантовая запутанность

Волновой рисунок для электронов, проходящих через двойную щель. Если измерить, через какую щель проходит электрон, этим вы уничтожите рисунок квантовой интерференции.

План прекрасен. Но есть проблема: запутанность работает, только если вы спрашиваете частицу: в каком ты состоянии? Если вы помещаете запутанную частицу в определенное состояние, вы разрушаете запутанность, и измерение проводимое на Земле будет полностью независимым от измерения далекой звезды. Если вы просто измерили далекую частицу (и выяснили: +1 или -1), тогда ваше измерение на Земле тоже будет -1 или +1 (соответственно) и даст вам информацию о частице, расположенной за световые годы от вас. Если же вы погрузите частицу в состояние +1 или -1, то вне зависимости от результата ваша частица на Земле будет с 50% вероятностью +1 или -1 и ничего не скажет о частице за много световых лет.

Это одна из самых непонятных вещей в квантовой физике: запутанность можно использовать для получения информации о компоненте системы, когда вы знаете полное ее состояние и проводите измерение другого компонента (-ов), но не для создания и передачи информации из одной части запутанной системы в другую. Поэтому никакой возможности для связи быстрее света не появляется.

Квантовая запутанность — это удивительное свойство, которое мы можем использовать для кучи разных задач, вроде совершенной системы шифрования информации. Но связь быстрее света? Чтобы понять, почему это невозможно, нам нужно понять ключевое свойство квантовой физики: что насильственное погружение хотя бы части запутанной системы в одно состояние не позволяет вам получить информацию об этом погружении через измерение оставшейся части системы. Как однажды точно подметил Нильс Бор, «если квантовая механика еще глубоко не шокировала вас, вы это еще не поняли».

Вселенная играет с нами в кости постоянно, к большому огорчению Эйнштейна. Даже наши лучшие попытки схитрить в этой игре природа выявляет на корню.

Можно ли применить квантовую запутанность для коммуникаций быстрее света?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

20 комментариев

  1. Est

    Обьясните мне недалекому.
    Если мы не можем насильно менять спин электрона, но он меняется под действием каких то факторов (в статье указано о получении информации через запутанность, о состоянии компонентов системы), то почему мы не можем адаптировать эту систему, что бы она косвенно меняла информацию этих самых компонентов, а уже по полученной информации делать выводы о том, какая информация была переданна ? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • casio

      Потому что никакой связи между электронами нет. Как нет никакой информации. И ничего не передается. Просто физикам теоретикам нужно что то есть и за что то жить. Если вы почитаете литературу по этой теме - поймете какой это бред.

      • Apulaz

        Приветствую коллега, рекомендую также поискать информацию о том кто на самом деле построил египетские пирамиды, о золотом миллиарде, о масонах, и о лечении ослиной мочой. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

        • casio

          Не путайте одно с другим. Принцип суперпозиции основывается на том что - если на луну не смотришь - её нет. Вы с этим согласны? Если не смотришь в коробку то там ничего нет. Если не измеряешь спин то и спина нет. Само по себе это обсурд. Так как в этот момент на спин смотрят другие. Измерения происходят постоянно, при взаимодействии атомов, молекул и различных волн. И эти взаимодействия и есть измерения. И почему же они не влияют на спин , а измерения именно человека - влияют на спин и выводят его из суперпозиции?

          • Est

            Если вы не понимаете квантовую механику, то это не значит, что она не верна (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

          • kelzav

            мне кажется ,спин остается, он есть, но ты о нем не знаешь.например, у гр. *П* есть член. ты об этом знаешь, я об этом знаю сам гр. *п* об этом знает, все об этом знают. это доказано предъидущими многочисленными измерениями других граждан. теперь ты проводишь измерение- стоит он у него или не стоит. ты залез к нему в штаны и увидел, что он стоит. ты сообщаешь об этом мне. ты точно знаешь, что у него стоит! я же , как христос тебе отвечаю *ты сказал - не я!* и иду проверять. гр. *п* в это время стушевался и у него все упало. и я констатирую , что у него не стоит! но тебе еще об этом ничего не известно. для тебя он стоит в этот момент. ты в этот момент еще *запутан* с его членом. а , когда я посмотрел, я провел измерение и твою запутанность разрушил, но создал свою. в каждый момент времени можно произвести только одно истинное измерение состояния члена гр.*п*.

          • Sam777

            Действие законов квантовой механики в макромире ещё никто не доказал. Так что про Луну и коробку не совсем то. Насколько я помню, был только один факт когда атом (а это система больше квантового уровня) проявлял квантовые свойства и все. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • tron77

            Антон Зелингер так не считает

      • static_method

        Бред, почему же? Потому что потому? Потому что этого не может, потому что этого не может быть никогда? Потому что в твоей голове это не укладывается? Пожалуй тогда, да, действительно бред. Может ты тогда зараз все популярные теории отсортируешь на бред и не бред, а то что физики зазря головы ломают.

    • Vladimir8

      Это самая веселая вещь в квантовой физике. Проблема в том что любое прямое воздействие на частицы (измерение например) разрушает их квантовую связь (состояние неопределенности). Почитай про квантовую суперпозицию и там все подробно объяснено (кот Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга).
      Это мир неопределенности, измерять и воздействовать надо только косвенно. Я где то видел статью, о том как немецкие физики из института Макса Планка в Мюнхене нашли теоретически метод как можно считать состояние квантовой системы без ее разрушения...

      Как любит шутить один из создателей квантового двигателя (он кстати способен нарушить 2ой закон термодинамики и работать вечно): "Все хорошо - он действительно вечный. Он либо работает, либо не работает и, единственная проблема, мы не можем на это воздействовать, иначе нарушится его работа :)))"

    • smp254@bk.ru

      У меня была такая идея лет в 13) мне сказали что моя идея чушь собачья. А сейчас величайшие умы над этим работают. Жалко и обидно как-то (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. Sam777

    Этой статьёй вы убили мою мечту о мгновенной связи и удаленной колонизации :( Остаётся ИИ и перенос сознания, но второе точно не на нашем веку :( (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Balabol

      Не расстраивайтесь, квантовая физика пишется еще, еще не все ясно нашим ученым. Но ваша мечта воплотима, просто им еще не ясно, как можно обойти ограничения, так как им неясна природа квантового мира... Да и копают не туда, квантовая спутанность работает и для больших объектов с помощью гравитации, нужно с нужным атомом играться, что бы получить такую систему передачи информации, а не трогать вездесущий электрон у которого нет спина, зато он может изменить состояние атома, а имея два зеркальных атома уже можно передать информацию...

  3. LightCore

    Так может тогда любовь и есть некое проявление квантовой механики, когда один человек чувствует другого сквозь расстояние. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  4. Megard

    В это деле ставить точку еще рано, раньше люди тоже думали что аппарат тяжелее воздуха летать не будет.

    • subatomik

      Люди так не думали! Птицы тяжелее воздуха и летают! И люди по ошибке на начальном этапе покорения воздушного пространства пытались копировать механику птиц, и уж только спустя века смогли подняться на воздушном шаре! (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

      • deaddreams

        существуют фундаментальные ограничения. Если к примеру миллиону человек из 7 миллиардов кажется что число пи равно не 3,1415 а 4,0000, то как бы они не старались, какие бы суперколладеры не изобретали, сколько бы веков не искали обходные пути, число пи так бы и осталось 3,1415, не смотря на "летающих птиц" и все более изощренные приемы и приборы измерений.

        • Аноним

          Любые ограничения можно удвоить. Делая независимость Величайшим Законом, и, вся Ваша фундаментальность осыпится. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.