Oder betrachten Sie zur Vereinfachung zwei“ verwickelte “ Viertel, die jeweils unter einer Tasse verborgen sind. Wenn zwei Personen, Bob und Alice, jeweils eines dieser Viertel in einen anderen Raum bringen würden, Die Viertel blieben Kopf und Schwanz, bis eine Person die Tasse hob und ihr Viertel beobachtete; Zu diesem Zeitpunkt würde es zufällig entweder Kopf oder Schwanz werden. Wenn Alice zuerst ihre Tasse anheben würde und ihr Viertel Schwänze wäre, dann wäre es auch Schwänze, wenn Bob sein Viertel beobachtete., Wenn Sie das Experiment wiederholen und die Münzen noch einmal abgedeckt werden, befinden sie sich wieder in einem Überlagerungszustand. Alice würde ihre Tasse wieder heben und könnte diesmal ihr Viertel als Köpfe finden. Bob würde dann auch sein Quartier als Chef finden. Ob das erste Quartal Kopf oder Zahl ist, ist völlig zufällig.
Wenn ein Forscher zwei Photonen verwickelt und dann jedes unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen in verschiedene Richtungen sendet, befinden sie sich weiterhin in einem Zustand der Überlagerung, sowohl horizontal als auch vertikal polarisiert., Nur wenn eines der Photonen gemessen wird, nehmen beide zufällig nur einen der beiden möglichen Polarisationszustände an.
“ Quantenkorrelationen unterscheiden sich stark von gewöhnlichen Korrelationen“, sagt Preskill. „Und Zufälligkeit ist der Schlüssel. Diese gruselige intrinsische Zufälligkeit hat Einstein tatsächlich gestört. Aber es ist wichtig, wie die Quantenwelt funktioniert.“
“ Wissenschaftler verwenden oft das Wort Korrelation, um zu erklären, was zwischen diesen Teilchen passiert“, fügt Oskar Painter, der John G Braun Professor für Angewandte Physik und Physik an der Caltech., „Aber eigentlich ist Verstrickung das perfekte Wort.“
Verschränkung bis zum N-ten Grad
Das Entwirren der Beziehung zwischen zwei verschränkten Partikeln kann schwierig sein, aber die eigentliche Herausforderung besteht darin zu verstehen, wie Hunderte von Partikeln, wenn nicht mehr, ähnlich miteinander verbunden sein können.
Laut Manuel Endres, Assistenzprofessor für Physik an der Caltech, besteht einer der ersten Schritte zum Verständnis der Vielkörperverstrickung darin, sie im Labor zu erstellen und zu steuern., Dazu verwenden Endres und sein Team einen Brute-Force-Ansatz: Sie entwerfen und bauen Laborexperimente mit dem Ziel, ein System von 100 verschränkten Atomen zu schaffen.
“ Das ist grundsätzlich extrem schwierig“, sagt Endres. In der Tat, stellt er fest, wäre es schwierig, auch in einem viel kleineren Maßstab. „Wenn ich ein System erstelle, in dem ich zum Beispiel 20 verwickelte Partikel generiere und 10 in die eine und 10 in die andere Richtung sende, muss ich messen, ob jedes dieser ersten 10 Partikel mit jedem der anderen verwickelt ist Satz von 10., Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Zusammenhänge zu betrachten.“
Während die Aufgabe, diese Korrelationen zu beschreiben, schwierig ist, wäre es unvorstellbar schwierig, ein System von 100 verschränkten Atomen mit klassischen Computerbits zu beschreiben. Zum Beispiel würde eine vollständige klassische Beschreibung aller Quantenkorrelationen unter bis zu 300 verschränkten Teilchen mehr Bits erfordern als die Anzahl der Atome im sichtbaren Universum. „Aber das ist der springende Punkt und der Grund, warum wir das machen“, sagt Endres., „Die Dinge werden so verwickelt, dass Sie viel Platz benötigen, um die Informationen zu beschreiben. Es ist ein kompliziertes Biest, aber es ist nützlich.“
“ Im Allgemeinen wird die Anzahl der Parameter, die Sie zum Beschreiben des Systems benötigen, exponentiell skaliert“, sagt Vidick, der an mathematischen und rechnerischen Werkzeugen arbeitet, um die Verschränkung zu beschreiben. „Es explodiert sehr schnell, weshalb es im Allgemeinen schwierig ist, Vorhersagen oder Simulationen zu treffen, da Sie diese Systeme nicht einmal im Speicher Ihres Laptops darstellen können.,“
Um dieses Problem zu lösen, arbeiten Vidick und seine Gruppe daran, Rechenrepräsentationen verschränkter Materialien zu entwickeln, die einfacher und prägnanter sind als Modelle, die derzeit existieren.
“ Quantenmechanik und die Ideen hinter Quantencomputern zwingen uns, über den Tellerrand hinaus zu denken“, sagt er.
Ein fragiles Ökosystem
Ein weiterer Faktor bei der Erstellung und Steuerung von Quantensystemen hat mit ihrer heiklen Natur zu tun., Wie Mimosa Pudica, ein Mitglied der Erbsenfamilie, das auch als „empfindliche Pflanze“ bekannt ist und bei Berührung der Blätter herabfällt, können verwickelte Zustände leicht verschwinden oder zusammenbrechen, wenn sich die Umgebung sogar geringfügig ändert. Zum Beispiel zerstört der Akt der Beobachtung eines Quantenzustandes es. „Du willst dein Experiment nicht einmal ansehen oder darauf atmen“, scherzt Painter. Fügt Preskill hinzu: „Schalte das Licht nicht ein und wage es nicht einmal, in den Raum zu gehen.,“
Das Problem besteht darin, dass sich verwickelte Partikel innerhalb von Mikrosekunden oder schneller schnell in die Umgebung verwickeln. Dies zerstört dann den ursprünglichen verwickelten Zustand, den ein Forscher zu studieren oder zu verwenden versuchen könnte. Selbst ein streunendes Photon, das durch ein Experiment fliegt, kann das Ganze nutzlos machen.
“ Sie müssen in der Lage sein, ein System zu erstellen, das nur mit sich selbst verstrickt ist, nicht mit Ihrem Gerät“, sagt Endres. „Wir wollen, dass die Partikel kontrolliert miteinander reden., Aber wir wollen nicht, dass sie mit irgendetwas in der Außenwelt reden.“
Im Bereich Quantencomputer ist diese Fragilität problematisch, da sie zu Rechenfehlern führen kann. Quantencomputer halten das Versprechen, Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht können, einschließlich solcher in Kryptographie, Chemie, Finanzmodellierung und mehr. Wo klassische Computer binäre Bits (entweder eine „1“ oder eine „0“) verwenden, um Informationen zu übertragen, verwenden Quantencomputer „Qubits“, die gleichzeitig in Zuständen von „1“ und „0“ existieren., Wie Preskill erklärt, wären die Qubits in diesem gemischten Zustand oder Überlagerung sowohl tot als auch lebendig, ein Hinweis auf das berühmte Gedankenexperiment, das Erwin Schrödinger 1935 vorschlug, in dem eine Katze in einer Kiste tot und lebendig ist, bis die Kiste geöffnet wird und die Katze beobachtet wird die eine oder andere. Darüber hinaus sind diese Qubits alle verstrickt. Wenn sich die Qubits irgendwie voneinander lösen, kann der Quantencomputer seine Berechnungen nicht ausführen.,
Um diese Probleme anzugehen, haben Preskill und Alexei Kitaev (Ronald und Maxine Linde Professor für Theoretische Physik und Mathematik von Caltech und Empfänger eines bahnbrechenden Preises für Grundlagenphysik 2012) zusammen mit anderen Theoretikern von Caltech ein Konzept entwickelt, um die Quanteninformationen in einem globalen verwickelten Zustand zu verbergen, so dass keines der einzelnen Bits die Antwort hat. Dieser Ansatz ähnelt der Verteilung eines Codes unter Hunderten von Menschen, die in verschiedenen Städten leben., Niemand würde den gesamten Code haben, daher wäre der Code viel weniger anfällig für Entdeckungen.