lub, dla uproszczenia, rozważmy dwie „splątane” ćwiartki, każda ukryta pod kubkiem. Gdyby dwie osoby, Bob i Alicja, miały zabrać jedną z tych ćwiartek do innego pokoju, ćwiartki pozostałyby zarówno Orzeł, jak i reszka, dopóki jedna osoba nie podniosła kielicha i nie obserwowała swojej ćwiartki; w tym momencie, losowo stałaby się albo Orzeł, albo reszka. Gdyby Alicja miała podnieść swój kubek, a jej ćwierćdolarówka była Tailsem, to kiedy Bob obserwował swoją ćwierćdolarówkę, to również Tailsem., Jeśli powtórzysz eksperyment i monety zostaną ponownie zakryte, powrócą do stanu superpozycji. Alice znów podniosła swój kubek i tym razem mogła znaleźć swoją ćwierćdolarówkę jako głowy. Bob wtedy również znaleźć swoją ćwierćdolarówkę jako głowy. To, czy pierwsza kwarta okaże się orzeł czy reszka, jest całkowicie losowe.
podobnie, gdy badacz splątuje dwa fotony, a następnie wysyła każdy z nich w różnych kierunkach w ściśle kontrolowanych warunkach, będą one nadal znajdować się w stanie superpozycji, zarówno poziomo, jak i pionowo spolaryzowane., Tylko wtedy, gdy jeden z fotonów jest mierzony, oba losowo przyjmują tylko jeden z dwóch możliwych stanów polaryzacji.
„korelacje kwantowe są znacznie inne niż zwykłe korelacje”, mówi Preskill. „A losowość jest kluczem. Ta straszna, nieodłączna przypadkowość jest właśnie tym, co przeszkadzało Einsteinowi. Ale to jest niezbędne do tego, jak działa świat kwantowy.”
„naukowcy często używają słowa korelacja, aby wyjaśnić, co dzieje się między tymi cząstkami”, dodaje Oskar Painter, profesor fizyki stosowanej i fizyki John G Braun w Caltech., „Ale w rzeczywistości Uwikłanie jest idealnym słowem.”
splątanie do n-tego stopnia
rozplątanie relacji między dwoma splątanymi cząstkami może być trudne, ale prawdziwym wyzwaniem jest zrozumienie, w jaki sposób setki cząstek, jeśli nie więcej, mogą być podobnie połączone.
według Manuela Endres, adiunkta fizyki w Caltech, jednym z pierwszych kroków w kierunku zrozumienia splątania wielu ciał jest tworzenie i kontrolowanie go w laboratorium., W tym celu Endres i jego zespół stosują podejście brute force: projektują i budują eksperymenty laboratoryjne, których celem jest stworzenie układu 100 splątanych atomów.
„jest to zasadniczo niezwykle trudne do zrobienia”, mówi Endres. W rzeczywistości, jak zauważa, byłoby to trudne nawet na znacznie mniejszą skalę. „Jeśli stworzę układ, w którym wygeneruję na przykład 20 splątanych cząstek i wyślę 10 W Jedną Stronę, a 10 w inną, to będę musiał zmierzyć, czy każda z tych pierwszych 10 cząstek jest splątana z każdym z pozostałych zestawów 10., Istnieje wiele różnych sposobów patrzenia na korelacje.”
podczas gdy zadanie opisania tych korelacji jest trudne, opisanie układu 100 splątanych atomów z klasycznymi bitami komputerowymi byłoby niewyobrażalnie trudne. Na przykład, kompletny klasyczny opis wszystkich kwantowych korelacji pomiędzy aż 300 splątanymi cząstkami wymagałby więcej bitów niż liczba atomów w widzialnym wszechświecie. „Ale o to właśnie chodzi i powód, dla którego to robimy” – mówi Endres., „Rzeczy stają się tak splątane, że potrzeba ogromnej ilości miejsca na opisanie informacji. To skomplikowana bestia, ale przydatna.”
„Ogólnie rzecz biorąc, liczba parametrów potrzebnych do opisania systemu będzie skalowana wykładniczo”, mówi Vidick, który pracuje nad narzędziami matematycznymi i obliczeniowymi do opisania splątania. „To wybucha bardzo szybko, co, ogólnie rzecz biorąc, dlatego trudno jest przewidywać lub symulować, ponieważ nie można nawet reprezentować tych systemów w pamięci laptopa.,”
aby rozwiązać ten problem, Vidick i jego grupa pracują nad wymyśleniem obliczeniowych reprezentacji splątanych materiałów, które są prostsze i bardziej zwięzłe niż modele, które obecnie istnieją.
„mechanika kwantowa i idee stojące za komputerem kwantowym zmuszają nas do myślenia nieszablonowego” – mówi.
delikatny ekosystem
kolejny czynnik w tworzeniu i kontrolowaniu układów kwantowych ma związek z ich delikatną naturą., Podobnie jak Mimosa pudica, członek rodziny grochu znany również jako „wrażliwa roślina”, która opada, gdy jej liście są dotknięte, Stany splątane mogą łatwo zniknąć lub zapaść, gdy środowisko zmienia się nawet nieznacznie. Na przykład, akt obserwacji stanu kwantowego niszczy go. „Nie chcesz nawet patrzeć na swój eksperyment, ani oddychać na nim” – żartuje malarz. Dodaje Preskill: „nie włączaj światła i nie waż się nawet wchodzić do pokoju.,”
problem polega na tym, że splątane cząstki stają się splątane z otoczeniem wokół nich szybko, w ciągu mikrosekund lub szybciej. To następnie niszczy oryginalny stan splątany badacz może próbować badać lub używać. Nawet jeden zabłąkany Foton lecący przez eksperyment może uczynić całość bezużyteczną.
„musisz być w stanie stworzyć system, który jest splątany tylko z samym sobą, a nie z Twoim urządzeniem”, mówi Endres. „Chcemy, aby cząstki rozmawiały ze sobą w kontrolowany sposób., Ale nie chcemy, żeby rozmawiali z nikim ze świata zewnętrznego.”
w dziedzinie obliczeń kwantowych ta kruchość jest problematyczna, ponieważ może prowadzić do błędów obliczeniowych. Komputery kwantowe obiecują rozwiązywanie problemów, których Klasyczne komputery nie mogą rozwiązać, w tym problemów z kryptografią, chemią, modelowaniem finansowym i innymi. Gdy Klasyczne komputery używają bitów binarnych (a „1” lub „0”) do przenoszenia informacji, komputery kwantowe używają „kubitów”, które istnieją w Stanach” 1 „i” 0 ” jednocześnie., Jak wyjaśnia Preskill, kubity w tym mieszanym stanie, czyli superpozycji, byłyby zarówno martwe, jak i żywe, co jest nawiązaniem do słynnego eksperymentu myślowego zaproponowanego przez Erwina Schrödingera w 1935 roku, w którym kot w pudełku jest zarówno martwy, jak i żywy, dopóki pudełko nie zostanie otwarte, a kot jest obserwowany jako jeden lub drugi. Co więcej, te kubity są splątane. Gdyby kubity w jakiś sposób zostały oddzielone od siebie, komputer kwantowy nie byłby w stanie wykonać swoich obliczeń.,
aby rozwiązać te problemy, Preskill i Alexei Kitaev (Ronald i Maxine Linde profesor fizyki teoretycznej i matematyki w Caltech i laureat Nagrody przełomowej w 2012 roku w dziedzinie fizyki fundamentalnej), wraz z innymi teoretykami w Caltech, opracowali koncepcję, aby ukryć informacje kwantowe w globalnym stanie splątanym, tak że żaden z pojedynczych bitów nie ma odpowiedzi. Takie podejście jest podobne do dystrybucji kodu wśród setek ludzi mieszkających w różnych miastach., Nikt nie miałby całego kodu, więc kod byłby znacznie mniej podatny na odkrycie.