În mecanica cuantică , încurcarea cuantică sau încurcarea cuantică este un fenomen în care două particule (sau grupuri de particule) formează un sistem înrudit și prezintă stări cuantice dependente una de cealaltă, indiferent de distanța care le separă. Se spune că o astfel de stare este „încurcată” sau „încurcată”, deoarece există corelații între proprietățile fizice observate ale acestor particule distincte. Într-adevăr, teorema lui Bell arată că încurcarea dă naștere unor acțiuni non-locale. Astfel, două obiecte încurcate O 1 și O 2 nu sunt independente chiar dacă sunt separate de o distanță mare și trebuie să considerăm {O 1 + O 2 } ca un singur sistem.
Această observație se află în centrul discuțiilor filosofice privind interpretarea mecanicii cuantice . Într-adevăr, pune în discuție principiul localității apărat de Albert Einstein, dar fără a-l contrazice în totalitate, deoarece schimburile de informații la o viteză superluminală rămân imposibile și cauzalitatea este respectată.
Implicarea cuantică are aplicații potențiale în domeniile informațiilor cuantice , cum ar fi criptografia cuantică , teleportarea cuantică sau computerul cuantic .
Natura surprinzătoare a statelor încurcate a fost subliniată pentru prima dată de Einstein , Podolsky și Rosen într-un articol din 1935 care încerca să arate că mecanica cuantică era incompletă. În acest articol, autorii descriu un experiment de gândire care va rămâne cunoscut sub numele de paradoxul EPR . Dar ceea ce Einstein a numit „ acțiune înfricoșătoare la distanță (în) ” pentru că nu credea, a fost verificat și confirmat pe scară largă de către fizicieni.
Experiența Alain Aspect este primul experiment care arată încălcarea inegalității lui Bell , de stabilire a unui rezultat concludent pentru validarea fenomenului entanglement cuantic și ipoteze de non-localitate . Experimente care demonstrează acest fenomen au fost apoi efectuate pe distanțe din ce în ce mai mari începând cu anii 1970:
Echipa lui Eli Megidish a efectuat experimente între 2012 și 2013, arătând că, pe lângă dimensiunea spațială, încurcarea a avut loc și în timp: dintr-o pereche de fotoni încurcați, au măsurat pe cel dintre ei (notat 1) care l-a făcut să dispară, apoi al doilea foton (notat 2) a interacționat cu un foton dintr-o altă pereche încurcată (notat 3); au demonstrat că există o corelație între fotonul 1 și cel de-al doilea foton din a doua pereche (notat 4). Fotonii 1 și 4 nu au coexistat niciodată, ceea ce dovedește că non-localitatea se aplică și în timp.
În 2016, trei cercetători de la laboratorul de memorie cuantică de la Universitatea din Varșovia au anunțat că au reușit să încurce un foton cu un obiect macroscopic format din 1.000 de miliarde de atomi de rubidiu . Difuzarea de fotoni unice în acest grup de atomi face posibilă găsirea lor starea cuantică , folosind un aparat de fotografiat sofisticat capabil să restabilească informațiile conținute în aceste fotoni. Informațiile distribuite pe un număr mare de atomi sunt păstrate chiar dacă unul dintre ei este eliminat. Un al doilea experiment a făcut posibilă construirea unui fel de memorie cuantică, stocând 12 fotoni, pe o perioadă de câteva microsecunde.
În 2019, o echipă de fizicieni de la Universitatea din Glasgow a fotografiat pentru prima dată încurcătura cuantică dintre două particule.
Este mai ușor să definiți ce este o stare care nu este încurcată sau separabilă decât să definiți direct ce este o stare încurcată.
În cazul în care sistemul general {S 1 + S 2 } poate fi descris de un vector de stare , starea este un vector al spațiului Hilbert . Unele stări pot fi scrise ca un produs tensorial între o stare de S 1 și o stare de S 2 :
Aceste stări se numesc stări separabile sau factorizabile . Sistemul S 1 se află într-o stare cuantică clar identificată , care nu este modificată de măsurătorile efectuate pe S 2 .
O stare încurcată este prin definiție o stare inseparabilă, care este scrisă în general în formă
Prin urmare, este o suprapunere a stărilor unui sistem bipartit. Pentru a ilustra diferența dintre stările separabile și cele încurcate, să presupunem, de exemplu, că formează o bază a spațiului și o bază a spațiului . Statul:
este o stare separabilă, deoarece poate fi luată în calcul așa cum s-a indicat mai sus, în timp ce starea:
este o stare încurcată.
DemonstrațieDacă a fost o stare factorizabilă, ar trebui să o putem scrie în forma generală:
în cazul în care , , și sunt patru numere complexe . În al doilea membru, primul termen ar reprezenta starea subsistemului S 1 în spațiu , iar al doilea termen ar reprezenta starea subsistemului S 2 în spațiu . Apoi obținem următorul sistem:
Pentru ca ecuația (1) să se mențină, este necesar fie că este incompatibil cu (3), fie că este incompatibil cu (4). Prin urmare, sistemul de mai sus nu are nicio soluție, arătând că starea nu este factorizabilă.În consecință, există stări legitime a priori ale unui sistem global {S 1 + S 2 } care nu poate fi scris sub forma produsului tensor al unei stări a unui subsistem S 1 de o stare a unui subsistem S 2 ; pentru astfel de stări încurcate, este deci imposibil să se vorbească despre „starea lui S 1 ”: doar sistemul global {S 1 + S 2 } are o stare definită, stare definită de primul membru al relației de mai sus. Într-un sens, nu mai este posibilă separarea conceptuală a celor două sisteme.
Principala caracteristică a stării este că există o corelație perfectă a măsurătorilor făcute pe S 1 cu măsurătorile făcute pe S 2 . Astfel, să presupunem că măsurăm starea lui S 1 în baza „+/–” și că găsim „+” (care se poate întâmpla aleator în 50% din cazuri). Sistemul total {S 1 + S 2 } este apoi proiectat în stare , astfel încât măsura lui S 2 va da „-” cu certitudine, chiar dacă cele două măsuri sunt separate de un interval de tip spațiu în spațiu-timp. Einstein a descris acest fenomen ca pe o „acțiune supranaturală la distanță”, deoarece totul se întâmplă ca și cum măsurarea făcută pe S 1 la un moment dat ar avea un efect absolut instantaneu asupra rezultatului măsurării efectuate pe S 2 chiar dacă cele două evenimente au nu sunt legate de cauzalitate, adică chiar dacă o informație care începe de la S 1 și se mișcă cu viteza luminii nu are timp să informeze S 2 despre rezultatul măsurării pe S 1 . De fapt, un sistem încurcat formează absolut un întreg, care nu poate fi separat în două sisteme independente atâta timp cât rămâne încurcat, indiferent de întinderea spațială a acestui sistem. Vedeți mai jos consecințele filosofice pe care le poate avea acest lucru, precum și articolul referitor la paradoxul EPR și cel referitor la experimentul Aspect în timpul căruia au fost produse în laborator stări încâlcite ale unui sistem cu doi fotoni. Pentru prima dată, fiecare foton reprezentând unul dintre cele două subsisteme S 1 și S 2 ale sistemului global {S 1 + S 2 } constituit din setul de doi fotoni.
Experimental, nu este posibil să se pregătească o stare cuantică bine determinată cu reproductibilitate de 100%. Pentru a ține seama de această pregătire imperfectă, se descrie starea sistemului printr-o matrice de densitate , care ponderează fiecare stare pură prin probabilitatea de a produce această stare . Prin urmare, ne putem întreba care este definiția unei stări separabile descrisă de o matrice de densitate. O primă alegere ar fi definirea stărilor separabile ca fiind cele care sunt scrise:
.Aceste stări sunt efectiv separabile, deoarece nu există nicio corelație între măsurătorile efectuate pe S 1 și cele efectuate pe S 2 , dar definiția poate fi extinsă, iar scrierea cea mai generală pentru matricea de densitate a unei stări separabile este:
,unde este o lege a probabilității ( și ).
Această definiție are avantajul de a include sistemele corelate convențional în stări separabile. Să presupunem, de exemplu, un experiment care produce două particule simultan și aleator o dată în două o stare și o dată în două o stare . Starea astfel produsă este reprezentată de matrice . Alternativ, ne putem imagina un fizician plin de fațetă care trimite două scrisori în fiecare zi, una conținând un semn „+” și cealaltă conținând un semn „-”, către doi dintre colegii săi (1 și 2), dar potrivind aleatoriu litere și adrese. Măsurătorile efectuate pe S 1 vor fi perfect corelate cu cele efectuate pe S 2 : dacă măsurarea dă „+” pentru un sistem, suntem siguri că măsurarea celuilalt sistem va da „-”. Cu toate acestea, aceste corelații nu au o natură cuantică: există de îndată ce sunt produse cele două particule și nu provin din faptul că se măsoară starea sistemului. În special, dacă am schimba baza de măsurare utilizând un observabil care nu comută cu „semnul” observabil, am vedea că starea astfel produsă nu încalcă inegalitățile lui Bell . Rezultatele sunt, prin urmare, diferite de cele obținute cu starea încurcată descrisă mai sus.
În formalismul matricii de densitate, o stare încurcată este pur și simplu definită ca o stare care nu este separabilă. În cazul general, chiar și atunci când cunoaștem matricea densității unui sistem, este dificil să spunem dacă starea obținută este încurcată sau separabilă. O condiție necesară este să vedem dacă „transpunerea parțială” a matricei de densitate este pozitivă. Pentru dimensiuni și , această condiție este, de asemenea, suficientă.
Stările încurcate prezise de mecanica cuantică au fost observate de atunci în laborator și comportamentul lor corespunde cu cel prezis de teorie. Aceasta o face o teorie fizică non-locală .
Pe de altă parte, se arată că stările încurcate nu pot fi folosite pentru a comunica de la un punct la altul în spațiu-timp mai repede decât lumina. Într-adevăr, stările acestor două particule sunt doar coordonate și nu fac posibilă transmiterea informațiilor : rezultatul măsurătorii referitoare la prima particulă este întotdeauna aleatoriu. Acest lucru este valabil în cazul stărilor încurcate ca în cazul stărilor neîncurcate. Modificarea stării celeilalte particule, oricât de instantanee ar fi aceasta, duce la un rezultat la fel de aleatoriu. Corelațiile dintre cele două măsurători pot fi detectate numai odată ce rezultatele au fost comparate, ceea ce implică în mod necesar un schimb clasic de informații, respectând relativitatea. Mecanica cuantică respectă astfel principiul cauzalității .
Într-o stare maxim încurcată, există o corelație completă a stării lui S 1 cu cea a lui S 2 , astfel încât entropia ( uniunii S 1 S 2 ) este pur și simplu cea a lui S 2 sau S 1 . Există subaditivitate completă.
Articol detaliat; ER = EPR
Juan Maldacena și Leonard Susskind , doi fizicieni americani, au conceput o teorie care leagă două fenomene descoperite de Einstein: „podurile Einstein-Rosen” (sau găurile de vierme ) și încurcarea cuantică. Potrivit celor doi oameni de știință, mutarea a două particule încâlcite ar fi, de fapt, ca și cum ar fi construirea unui pod ER în jurul unei singure particule care să-și manifeste proprietățile în mai multe locuri în spațiu-timp.
Această teorie pune în lumină o problemă numită paradoxul EPR care evidențiază non-localitatea mecanicii cuantice și o opune principiului localității care stă la baza teoriei relativității . Cu toate acestea, această corespondență ER / EPR este demonstrată doar într-un model de univers foarte simplificat, unde gravitația este generată în absența masei.
Candidații tehnologici ai complicatelor sunt numeroși:
Calcul cuantic a progresat , deoarece știm dăm seama intricats scăzut decoerenta : a devenit de neconceput să prevadă viitorul unui viitor computer cuantic . Matematicieni ( Shor , Kitaev ...) a fondat calcul cuantic , care revoluționează începutul XXI - lea secol calcularea complexității computaționale și a arătat că acestea ar putea restaura puritatea lor prin coduri corectoare de erori , care ar compensa pentru decoerenta.
Aceste coduri fac obiectul unor cercetări intense în 2009. Viitorul informațiilor cuantice este direct legat de acestea și, cu aceasta, lumea calculelor cuantice.