¿Cómo se descubrió el entrelazamiento cuántico? Una explicación popular del entrelazamiento cuántico.
Antes de hablar del entrelazamiento cuántico, debo mencionar brevemente la historia de la óptica. Después de todo, sólo pensando en la naturaleza de la luz los seres humanos pueden apreciar la magia del mundo microscópico en un nivel más profundo.
Mucho antes de Newton, la gente empezó a pensar en la naturaleza de la luz. Sin mencionar demasiado sobre la historia anterior a Newton, Newton creía que la luz es una partícula sólida muy pequeña, porque esto puede explicar perfectamente la pregunta de "por qué la luz se propaga en línea recta". Por supuesto, también hay algunas personas que se oponen a Newton, como Huygens, un contemporáneo de Newton, que era partidario de la teoría ondulatoria de la luz. Si la luz fuera sólo partículas, los fenómenos de difracción e interferencia de la luz serían difíciles de explicar.
Parece ahora que tanto la teoría de partículas de la luz como la teoría ondulatoria pertenecen a la categoría de la mecánica clásica, y ambas escuelas son unilaterales. No fue hasta principios del siglo XX, con el establecimiento de la mecánica cuántica, que la comprensión humana de la naturaleza de la luz dio un salto cualitativo. La hipótesis cuántica de la luz de Einstein sostiene que la luz no es una partícula física como decía Newton, sino un fotón. El cuanto de luz es la unidad básica de la energía de las ondas electromagnéticas y no se puede dividir más.
El cuanto de luz, denominado fotón, no es sólo un cuanto, sino también una onda. La luz tiene propiedades tanto de partícula como de onda, también conocida como dualidad de la luz onda-partícula.
Por supuesto que esta es una característica de los fotones. Pero luego los físicos descubrieron que, además de los fotones, también hay partículas más microscópicas que tienen dualidad onda-partícula.
Por ejemplo, el experimento de interferencia de electrones con doble rendija también muestra que los electrones, que originalmente se consideraban partículas, también tienen propiedades ondulatorias. El resultado más sorprendente de este experimento es que el mismo electrón puede llegar a la pantalla de luz a través de dos rendijas al mismo tiempo. Ahora sabemos que un electrón puede estar en dos lugares al mismo tiempo sin ser observado. Explique desde la perspectiva de la dualidad onda-partícula: cuando los electrones no se observan, tienen propiedades tanto de partícula como de onda, y están en un estado de superposición de partículas y estados de onda. El comportamiento de observación hace que la dualidad onda-partícula de los electrones colapse. propiedades de las partículas y la volatilidad desaparece. Explicado desde la perspectiva del principio de incertidumbre (una vez mal traducido como principio de incertidumbre): el impulso y la posición de un electrón no se pueden medir al mismo tiempo; cuanto más exactamente se mide el impulso, menos precisa es la posición, y viceversa;
Por supuesto que exclamarás este fenómeno, pero cada vez más experimentos continúan confirmando que la naturaleza es tan "absurda". Si la interpretación de la mecánica cuántica fuera errónea, hoy en día no existirían teléfonos móviles ni ordenadores. La tercera revolución tecnológica también se basa en fenómenos naturales tan "absurdos".
Algunos científicos civiles siempre quieren revertir la interpretación de la Escuela de Copenhague de este fenómeno natural aparentemente absurdo y defender el realismo físico. Pero lo que hacen los científicos es: dado que esto es un hecho natural, aceptémoslo. Lo siguiente que hay que hacer es utilizar las matemáticas para explicar este fenómeno.
Ahora sabemos que todas las partículas microscópicas tienen dualidad onda-partícula y se encuentran en un estado de superposición. De hecho, las ondas de Broglie nos dicen: todos los objetos, incluidos los cuerpos celestes macroscópicos como la Tierra, también tienen fluctuaciones, pero la amplitud es tan pequeña que es difícil de observar.
¿Qué es un estado de superposición? Tomando como ejemplo los electrones, un solo electrón puede estar en dos lugares cuando no está siendo observado. En teoría, un electrón puede estar en Estados Unidos y China al mismo tiempo. Entonces, ¿cómo describir matemáticamente este fenómeno?
Todos sabemos que los ordenadores electrónicos tradicionales funcionan con bits como el 0 y el 1. Las computadoras sólo pueden operar con un bit a la vez, ya sea 0 o 1. Para una cadena de 010111000...., la computadora solo puede procesarlos uno por uno y ponerlos en cola uno por uno.
La razón por la que un ordenador cuántico tiene una asombrosa cantidad de cálculos es que puede procesar dos bits al mismo tiempo. Aplasta a las computadoras tradicionales en órdenes de magnitud en términos de velocidad de computación.
Había un físico llamado Dirac que inventó un símbolo llamado símbolo de Dirac |ψ>, que se utiliza para describir partículas en estado de superposición. De hecho, una partícula que tiene dos estados al mismo tiempo es equivalente al concepto de vector en la física de la escuela secundaria, que tiene tanto tamaño como dirección, por lo que el estado de superposición también puede denominarse vector de estado.
El símbolo de Dirac se escribe principalmente con | y >. En cuanto a la ψ en el medio, es cualquier letra, indicando el estado de la partícula. |> Los símbolos similares a () se utilizan para expresar ciertas formas físicas. No tengas miedo de los símbolos desconocidos.
Sabemos que los electrones pueden estar en los estados 0 y 1 al mismo tiempo.
Luego use el símbolo de Dirac para expresar: el estado del electrón en 0 es |0>, y el estado del electrón en 1 es |1>. Si no observas el electrón, el electrón está en un estado de superposición de 0 y 1, por lo que es |0>+|1>.
Hablemos ahora de algunas matemáticas preparatorias. Si la función f(x,y)=xy, entonces la función f(x,y) se puede descomponer en el producto de dos funciones unarias separadas, como f(x,y)=f＇(x) f〞( y ). Esto significa que la función grande f(x,y) se puede dividir perfectamente en dos funciones pequeñas, a saber, f′(x) y f〞(y). En matemáticas, esto se llama función de separación.
Pero hay muchas funciones que no son funciones separadas. Por ejemplo, f(x,y)=8xy+1. En este momento no podemos dividir la función f(x,y) en dos funciones unarias. Entonces esto muestra que esta función no se puede separar.
Si hay muchas partículas microscópicas en un mismo sistema, cada partícula tiene su propia función de estado. Una partícula es una función unaria, dos partículas son una función binaria y varias partículas son una función multivariada. Un sistema compuesto por múltiples partículas es una función multivariada.
Si esta función multivariada se puede dividir en dos funciones de una variable, entonces no habrá disputas "económicas" entre las partículas representadas por estas dos funciones de una variable, y las dos partículas no entrarán en conflicto con entre sí. Si se mide una de las partículas y no hay cambios en la otra partícula, entonces las dos partículas no son partículas entrelazadas.
También puede haber funciones que no se pueden separar en funciones multivariadas. En este caso, las funciones de las dos partículas solo pueden usar la misma función y no se pueden separar. Hay una "disputa económica" y la medición de una de las partículas afectará inevitablemente a los "intereses económicos" de la otra partícula. Entonces la otra partícula debe cambiar para defender sus propios derechos, y entonces estas dos partículas forman una partícula entrelazada.
Continúa de nuevo a la notación de Dirac. Ahora hay una partícula cuyo estado es a|0>+b|1>. Después de observar esta partícula, descubrimos que ya sea que esté en el estado 0 o en el estado 1, teóricamente puede estar en cualquier posición en el espacio. Por lo tanto, en la fórmula de Dirac, ya sea el estado 0 o el estado 1, se deben sumar dos números arbitrarios a y b delante de ellos. Es precisamente debido a la existencia de a y b que las partículas en este estado de superposición pueden colocarse en cualquier posición en el espacio, porque a y b pueden tomar cualquier valor.
Pero debe haber una relación entre a y b. Piénselo: no importa dónde esté la partícula, la probabilidad de encontrarla en todo el espacio debe ser del 100%. La partícula no puede desaparecer en todo el universo de la nada. Si cambio todo el espacio a 1 matemático, entonces |a|?+|b|?=1. Si tomamos que a y b son 1, entonces a|0>+b|1> se convierte en (|0>+|1>)/2 (dividir por raíz 2 se debe a garantizar que |a|?+|b |?=1, porque ya hemos tomado a y b como 1 antes)
(|0>+|1>)/2 es también la forma más común de expresar el estado de superposición de una sola partícula. Si dos partículas A y B están en el mismo sistema, entonces su expresión es |00>+|11>. El primer 0 en el lado izquierdo del signo más en esta expresión (|00> representa el estado 0 de A. dos 0 representan el estado 0 de B, el primer 1 en |11> en el lado derecho del signo más representa el estado 1 de A, y el segundo 1 representa el estado 1 de B. Por supuesto, también puedo continuar escriba a|00>+b |11>, en este momento, si |a|?+|b|? todavía es igual a 1, entonces definitivamente podemos decir que las dos partículas A y B están en un estado de superposición. La fórmula de Dirac en este momento se escribe como |00>+ |11>/ 2. De hecho, |00>+|11>/ 2 muestra que existe alguna correlación entre estas dos partículas que no se puede descomponer. Esta correlación es | a|?+|b|?=1. Piense en esta correlación como la función inseparable mencionada anteriormente.
Esto es entrelazamiento cuántico. Esta correlación también resulta en la medición del estado de una partícula y de la otra partícula. no importa lo lejos que estén, ¡el estado también cambiará al mismo tiempo!