فرآیند تبدیل پایین پارامتری خود به خودی می تواند فوتون ها را به جفت فوتون های نوع II با قطبش عمود بر هم تقسیم کند.

بخشی از مجموعه مقالات در مورد
مکانیک کوانتومی
{\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi (t)\rangle ={\hat {H}}|\psi (t)\rangle }

معادله شرودینگر

نشان می دهد

زمینه

پنهان شدن

مبانی

نشان می دهد

آزمایش

نشان می دهد

فرمولاسیون

نشان می دهد

معادلات

نشان می دهد

تفاسیر

نشان می دهد

موضوعات پیشرفته

نشان می دهد

دانشمندان

درهم تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای فیزیکی است که زمانی رخ می‌دهد که گروهی از ذرات ایجاد می‌شوند، برهم‌کنش می‌کنند یا مجاورت فضایی را به اشتراک می‌گذارند به گونه‌ای که حالت کوانتومی هر ذره از گروه را نمی‌توان مستقل از حالت ذرات دیگر توصیف کرد، از جمله زمانی که ذرات با فاصله زیادی از هم جدا می شوند. موضوع درهم تنیدگی کوانتومی در قلب اختلاف بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی است : درهم تنیدگی یک ویژگی اولیه مکانیک کوانتومی است که در مکانیک کلاسیک وجود ندارد.

اندازه‌گیری‌های خواص فیزیکی مانند موقعیت ، تکانه ، اسپین و پلاریزاسیون که روی ذرات درهم‌تنیده انجام می‌شوند، در برخی موارد می‌توانند کاملاً همبستگی داشته باشند. برای مثال، اگر یک جفت ذره درهم‌تنیده به‌گونه‌ای تولید شود که مجموع اسپین آن‌ها صفر شناخته شود، و یک ذره در جهت عقربه‌های ساعت بر روی محور اول چرخش داشته باشد، اسپین ذره دیگر، که در همان محور اندازه‌گیری می‌شود، خلاف جهت عقربه های ساعت پیدا می شود. با این حال، این رفتار منجر به اثرات به ظاهر متناقض می شود: هر اندازه گیری از خواص یک ذره منجر به فروپاشی تابع موج برگشت ناپذیر می شود.از آن ذره و تغییر حالت کوانتومی اولیه. با ذرات درهم تنیده، چنین اندازه گیری هایی بر سیستم درهم تنیده به عنوان یک کل تأثیر می گذارد.

چنین پدیده‌هایی موضوع مقاله‌ای در سال 1935 توسط آلبرت انیشتین ، بوریس پودولسکی ، و ناتان روزن ، [1] و چندین مقاله توسط اروین شرودینگر اندکی پس از آن، [2] [3] که آنچه را که به عنوان پارادوکس EPR شناخته شد، توصیف می‌کند. انیشتین و دیگران چنین رفتاری را غیرممکن می‌دانستند، زیرا دیدگاه واقع‌گرایی محلی از علیت را نقض می‌کرد (اینشتین از آن به عنوان «عمل شبح‌آمیز در فاصله » یاد می‌کرد) [4] و استدلال می‌کردند که فرمول پذیرفته‌شده مکانیک کوانتومی باید ناقص باشد.

با این حال، بعداً، پیش‌بینی‌های غیرشهودی مکانیک کوانتومی [5] [6] [7] در آزمایش‌هایی که در آن قطبش یا اسپین ذرات درهم‌تنیده در مکان‌های جداگانه اندازه‌گیری شد، تأیید شد که از نظر آماری نابرابری بل را نقض می‌کرد . در آزمایش‌های قبلی، نمی‌توان رد کرد که نتیجه در یک نقطه می‌توانست به طور ماهرانه به نقطه دور منتقل شده باشد و بر نتیجه در مکان دوم تأثیر بگذارد. [7] با این حال، آزمایش‌های بل به اصطلاح «بدون حفره» در جایی انجام شده است که مکان‌ها به اندازه کافی از هم جدا شده بودند که ارتباطات با سرعت نور بیشتر از فاصله بین اندازه‌گیری‌ها طول می‌کشد - در یک مورد، 10000 برابر. . [6] [5]

بر اساس برخی از تفاسیر مکانیک کوانتومی ، اثر یک اندازه گیری فورا رخ می دهد. سایر تفاسیر که تابع موج را شناسایی نمی کنند ، در این که اصلاً «اثر» وجود دارد، مناقشه دارند. با این حال، همه تفاسیر موافق هستند که درهم تنیدگی ارتباط بین اندازه‌گیری‌ها را ایجاد می‌کند و اطلاعات متقابل بین ذرات درهم‌تنیده را می‌توان مورد بهره‌برداری قرار داد، اما هر گونه انتقال اطلاعات با سرعت‌های سریع‌تر از نور غیرممکن است. [8] [9]

درهم تنیدگی کوانتومی به طور تجربی با فوتون‌ها ، [10] [11] نوترینوها ، [12] الکترون‌ها ، [13] [14] مولکول‌هایی به بزرگی باکی‌بال ، [15] [16] و حتی الماس‌های کوچک نشان داده شده است. [17] [18] استفاده از درهم تنیدگی در ارتباطات ، محاسبات و رادار کوانتومی یک حوزه بسیار فعال تحقیق و توسعه است.

فهرست

تاریخچه [ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: نظریه متغیر پنهان

عنوان مقاله در مورد پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن (پارادوکس EPR)، در شماره 4 مه 1935 نیویورک تایمز .

پیش‌بینی‌های غیرمستقیم مکانیک کوانتومی در مورد سیستم‌های همبسته قوی برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین در سال 1935 در مقاله مشترکی با بوریس پودولسکی و ناتان روزن مورد بحث قرار گرفت . [1] در این مطالعه، این سه نفر پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن (پارادوکس EPR) را فرموله کردند، یک آزمایش فکری که سعی داشت نشان دهد که " توضیحات مکانیکی کوانتومی واقعیت فیزیکی ارائه شده توسط توابع موج کامل نیست." [1] با این حال، این سه دانشمند کلمه درهم تنیدگی را ابداع نکردند، و همچنین ویژگی‌های خاص حالت مورد نظر خود را تعمیم ندادند. به دنبال مقاله EPR،اروین شرودینگر نامه ای به آلمانی به انیشتین نوشت که در آن از کلمه Verschränkung (ترجمه شده توسط خودش به عنوان درهم تنیدگی ) استفاده کرد: «برای توصیف همبستگی بین دو ذره که برهم کنش و سپس جدا می شوند، مانند آزمایش EPR». [19]

شرودینگر مدت کوتاهی پس از آن مقاله ای اساسی در تعریف و بحث درباره مفهوم «درهم تنیدگی» منتشر کرد. در مقاله، او اهمیت این مفهوم را تشخیص داد، و اظهار داشت: [2] «من [درهم تنیدگی] را یکی نمی‌دانم، بلکه آن را ویژگی مکانیک کوانتومی می‌نامم، آن چیزی که انحراف کامل آن را از خطوط فکری کلاسیک تحمیل می‌کند». شرودینگر نیز مانند انیشتین از مفهوم درهم تنیدگی ناراضی بود، زیرا به نظر می رسید محدودیت سرعت در انتقال اطلاعات ضمنی در نظریه نسبیت را نقض می کند . [20] انیشتین بعداً درهم تنیدگی را با عنوان " spukhafte Fernwirkung " مورد تمسخر قرار داد [21]یا "عمل شبح آور از راه دور ."

مقاله EPR علاقه قابل توجهی را در بین فیزیکدانان ایجاد کرد، که الهام بخش بحث های زیادی در مورد مبانی مکانیک کوانتومی (شاید معروف ترین تفسیر بوهم از مکانیک کوانتومی) بود، اما آثار منتشر شده نسبتا کمی را تولید کرد. با وجود علاقه، نقطه ضعف در استدلال EPR تا سال 1964 کشف نشد، زمانی که جان استوارت بل ثابت کرد که یکی از مفروضات کلیدی آنها، اصل محلی بودن ، همانطور که در مورد تفسیر متغیرهای پنهان مورد انتظار EPR اعمال می شود، از نظر ریاضی ناسازگار است. با پیش بینی های نظریه کوانتومی

به طور خاص، بل یک حد بالایی را که در نابرابری بل دیده می‌شود ، در رابطه با قدرت همبستگی‌هایی که می‌توان در هر نظریه‌ای که از واقع‌گرایی محلی تبعیت می‌کند ایجاد کرد، نشان داد و نشان داد که نظریه کوانتومی نقض این حد را برای سیستم‌های درهم‌تنیده خاصی پیش‌بینی می‌کند. [22] نابرابری او از نظر تجربی قابل آزمایش است، و آزمایش‌های مرتبط متعددی وجود داشته است ، که با کار پیشگام استوارت فریدمن و جان کلازر در سال 1972 [23] و آزمایش‌های آلن اسپکت در سال 1982 شروع شد . [24] یک پیشرفت تجربی اولیه بود. به دلیل کارل کوچر، [10] [11]او قبلاً در سال 1967 دستگاهی را ارائه کرد که در آن دو فوتون متوالی از یک اتم کلسیم در هم تنیده شده بودند - اولین مورد نور مرئی درهم تنیده. دو فوتون از قطبش‌کننده‌های موازی با موقعیت قطری با احتمال بالاتر از پیش‌بینی‌شده کلاسیک عبور کردند، اما با همبستگی در توافق کمی با محاسبات مکانیکی کوانتومی. او همچنین نشان داد که همبستگی تنها بر اساس (به عنوان مربع کسینوس) زاویه بین تنظیمات پلاریزه کننده [11] تغییر می کند و با فاصله زمانی بین فوتون های ساطع شده به طور تصاعدی کاهش می یابد. [25] دستگاه کوچر، مجهز به قطبش‌کننده‌های بهتر، توسط فریدمن و کلاوزر استفاده شد که می‌توانستند وابستگی مربع کسینوس را تأیید کنند و از آن برای نشان دادن نقض نابرابری بل برای مجموعه‌ای از زوایای ثابت استفاده کنند.[23] همه این آزمایش‌ها به جای اصل رئالیسم محلی، مطابقت با مکانیک کوانتومی را نشان داده‌اند.

برای چندین دهه، هرکدام حداقل یک روزنه را باز گذاشته بودند که از طریق آن می‌توان اعتبار نتایج را زیر سوال برد. با این حال، در سال 2015 آزمایشی انجام شد که به طور همزمان هر دو حفره تشخیص و محل را بسته و به عنوان "بدون حفره" اعلام شد. این آزمایش دسته بزرگی از نظریه های رئالیسم محلی را با قطعیت رد کرد. [26] آلن اسپکت خاطرنشان می کند که «خلاف تنظیم-استقلال» - که او از آن به عنوان «دورآمیز» یاد می کند، اما «گذاشته باقیمانده» که «نمی توان نادیده گرفت» - هنوز بسته نشده است، و آزاد- گریز اراده / ابرجبر غیرقابل بستن است. می‌گوید: «هیچ آزمایشی، به همان اندازه که ایده‌آل است، نمی‌توان گفت که کاملاً بدون راه‌حل نیست». [27]

کار بل امکان استفاده از این همبستگی های فوق العاده قوی را به عنوان منبعی برای ارتباط افزایش داد. این منجر به کشف پروتکل های توزیع کلید کوانتومی در سال 1984 شد که معروف ترین آنها BB84 توسط چارلز اچ. بنت و ژیل براسارد [28] و E91 توسط آرتور اکرت بود. [29] اگرچه BB84 از درهم تنیدگی استفاده نمی کند، پروتکل اکرت از نقض نابرابری بل به عنوان اثبات امنیت استفاده می کند.