Понятно для тех, кто хочет понять, конечно.
Пост состоит из трёх частей.
Чтобы понять суть явления, достаточно ознакомиться лишь со второй частью.
- Вводное (почему, да почему)
- Конкретные расчеты
- Философско-практическая часть.
В Интернете довольно много материалов на эту тему.
Однако 80% из них страдают трагическим недостатком — они достаточно подробно рассказывают, почему классическая логика неверна, и ограничиваются констатацией того, что в квантовой механике все иначе и наблюдения соответствуют предсказанным ею значениям.
.
Оставшаяся часть загружает математический аппарат и после цепочки формул говорит — ну вот видишь, будет так.
После этого возникает чувство боли от изнасилования мозга, потому что настоящего удовольствия от понимания не возникает. Но я хочу понимания, потому что.
По моему глубокому убеждению, следующий революционный скачок в технологиях будет связан с овладением человечеством квантовой силой.
И как в 60-е годы люди даже не могли себе представить, как эти огромные железки, занимающие целые подвалы, изменят нашу жизнь, радикально уменьшив свои размеры и увеличив мощность, так и сейчас мы не можем представить весь потенциал неуклюжих прототипов с 50 кубитами.
Однако, к счастью, есть действительно крутые чуваки, которые пытаются передать физический смысл квантовых явлений.
Но, возможно, именно потому, что они такие крутые, такие профессиональные объяснения оказываются излишне сложными.
Думаю, во многом это связано с тем, что профессионалам психологически сложно сказать, например, что спин запутанных электронов одинаков.
Хотя на самом деле он наоборот. Однако человеку, не в теме, сложно удержать такого рода аспекты в голове, в результате после очередного наброска терминов и порции формул мозг просто кипит и фильтрует поступающую информацию.
дальше.
Но это не так уж и плохо.
Года три назад я сел и после изрядного пота разобрался, как это работает, и на этом успокоился.
Но недавно я с удивлением обнаружил, что когда я попытался вспомнить, что к чему, то обнаружил в своей голове зияющую пустоту.
Выводы, которые приходят из анализа, настолько нелогичны, что не укладываются в голове.
Поэтому, пройдя этот путь еще раз, я решил записать цепочку рассуждений максимально просто, но в то же время абсолютно понятно (по крайней мере мне).
Надеюсь, это будет полезно не только мне, и выводы, которые следуют из этого явления, на мой взгляд, весьма интересны.
Ну и завершая введение, думаю, имеет смысл сказать, что я максимально упрощу описание, но не в ущерб сути квантовых явлений.
В это может быть трудно поверить, но оказывается, что можно обойтись и одной формулой, да и то по большому счету это не обязательно.
2. Конкретные расчеты Итак, начнем.
Допустим, у нас есть атом, который испускает два электрона, которые разлетаются в противоположных направлениях сколь угодно далеко, например, в разные галактики.
Допустим, каждый электрон в паре имеет одинаковый спин (угловой момент).
На самом деле вращения противоположные, но для простоты будем считать, что они равны, так как на конечный результат это никак не влияет. После измерения вращение может быть направлено вверх или вниз относительно измерительного устройства (П).
При этом разные пары имеют свои ориентации спинов, никак не связанные с другими парами.
Например, первое излучение атома породило пару электронов (е) и мы установили прибор под углом 0 градусов.
Тогда на выходе, после устройства, мы обнаружим их в включенном или выключенном состоянии.
Мы не знаем где именно (50/50), но будет точно так же.
На рисунке ниже синий цвет — включенное состояние.
Рис.
1. Если попытаться измерить эти электроны вдоль какой-либо другой оси, например 120 градусов, то электроны также определятся, ползут ли они вверх в этом направлении или вниз.
В этом случае давайте предположим, что они перейдут в нерабочее состояние.
Рис.
2. Здесь стоит отметить, что «внизом» мы называем направление, противоположное ориентации устройства.
И здесь возникает ключевой вопрос: как электроны решают, в каком направлении они будут проходить через устройство: вверх или вниз? Наш привычный образ мышления подсказывает нам – независимо.
Они заранее «знают», в каком направлении должно пройти то или иное устройство и после разлета никак не влияют друг на друга.
Это называется теорией скрытых параметров.
Те.
подразумевается, что мы не знаем, как они это решают, но так как результат их выбора всегда совершенно один и тот же, то такие параметры существуют, просто мы немного глупы и еще не разобрались, что они собой представляют. Квантовая механика говорит нам, что операции над одной частицей мгновенно влияют на состояние запутанной с ней, даже если между ними находятся миллиарды световых лет. Там Эйнштейна и его товарищей специально по этому поводу бомбили, но дело не в этом.
И как мы увидим ниже, существует действительно простое и понятное описание этого явления.
Однако, прежде чем мы перейдем к этому, давайте поймем, как классическая логика ломает свои гнилые зубы против истинной реальности.
Для этого мы сделаем простую вещь, начнем измерять спины электронов, вращая приборы независимо друг от друга в трех разных направлениях: на угол 0, 120 и 240 градусов.
Те.
например, P1 будет установлен в одно из трех положений совершенно случайным образом.
Это можно определить, например, бросив игральную кость.
- Если выпадет 1 или 2, позиция будет 0 градусов.
- Если выпадет 3 или 4, то это 120 градусов.
- Если выпадает 5 или 6, это 240 соответственно.
Как мы видели ранее, если устройства случайно встанут в одну сторону, то результаты всегда будут одинаковыми и поэтому этот случай нам не интересен.
Другое дело, если устройства будут размещены в разных положениях, например так: 
Рис.
3. Здесь мы видим, что P1 стоял под углом 120 градусов и e1 прошел через него спиной вверх.
А P2 оказался под углом 240 и e2 прошло его спиной вниз.
Как уже говорилось, мы предполагаем, что электроны несут одну и ту же программу прохождения через устройства.
И здесь будет полезно записать все возможные комбинации для каждого электрона: 
Таблица 1.
Под словом программа мы подразумеваем те самые скрытые параметры, которые определяют, как именно электрон пройдет через устройство.
Например, на рисунке 3 реализована программа 3 или 7. Мы не знаем точно, какие именно из них, поскольку неясно, как поведут себя электроны при прохождении через устройство, установленное на 0 градусов.
Так что предсказание нашей обычной логики, которое будет опровергнуто, предельно просто.
Если проанализировать только те случаи, когда направления устройств не совпадают, то направления спинов е1 и е2 после прохождения устройств совпадут ровно в половине случаев.
Убедимся в этом, выписав все комбинации в виде таблички: 
Таблица 2.
Здесь мы объединяем такие зеркальные случаи, как например «е1 в 0, е2 в 120» и «е1 в 120, е2 в 0», поскольку программы у них все те же.
Первая программа не интересна, они всегда смотрят вниз, поэтому совпадение ориентаций гарантировано.
Но вторая программа сложнее.
Здесь в одном случае будет совпадение, когда е1 проходит через угол 0 и смотрит вниз, а е2 проходит через угол 120 и тоже смотрит вниз.
А вот если е2 пройдет через угол 240, то он будет искать вверх (это его внутренние параметры в этой программе) и тогда совпадения не будет. Как легко проверить, что количество совпадений равно 12, т. е.
ровно в половине случаев.
Это логично, понятно и, как показывает эксперимент, совершенно неверно.
Дело в том, что матчей будет всего 6. И глядя на табличку выше, невозможно понять, как такое может произойти.
Здесь в лучшем случае читателю предлагается примерно следующее: 
Рис.
4 А если серьёзно, то с этими бра и кетами разобраться можно, но что это даст? Реального понимания того, что произошло, у нас все равно не будет, но мы хотим понять суть явления.
И дело вот в чем.
Давайте поближе посмотрим на полет первого электрона.
Допустим, ему предстоит серьезное испытание с устройством, установленным под углом 0. Электрон обладает определенным собственным моментом импульса, и то, что происходит в момент его прохождения через устройство, зависит от его направления.
Предположим, что это 80 градусов.
Тогда электрон выберет верхнее состояние с вероятностью 0,58 и нижнее состояние с вероятностью 0,42. Почему именно так – пока никто ответить не может. Все, что пока удалось сделать человечеству, — это найти волшебную формулу, которая предсказывает это и выглядит следующим образом: 
Рис.
5 Те.
возьмите угол между вашим угловым моментом 80 и 0 (в нашем случае это будет 80), разделите на 2 и подставьте его в квадратный косинус, и все готово.
Насколько я понимаю, мы нашли эту формулу опытным путем, потому что настраивали приборы, стреляли, смотрели результаты, потом выясняли, какая функция описывает результат и все.
Но если это не так и кто-то знает, как это выводится, то будет очень интересно узнать и добро пожаловать в комментарии.
И вот что радует, давайте порадуемся друзья, новых формул не будет, это первая и последняя.
Поэтому стоит это осознать, иначе дальше будет не очень понятно.
Итак, допустим, наш конкретный электрон выбрал пройти через устройство в состоянии вверх (он мог бы быть и в нижнем, но вероятность этого меньше, как мы видим).
И вот самое интересное: что будет со вторым электроном? Который через мгновение подлетает к своему аппарату, установленному под углом 120 градусов.
Если бы эти бесчеловечные эксперименты не были проведены с первым электроном, то внутренний момент импульса второго был бы равен 80. И тогда вероятность выбора восходящего состояния для угла 120 была бы равна 0,88: 
Рис.
6 Но тут начинает работать квантовая магия.
Второй электрон мгновенно «узнаёт», что его дальний собрат только что сделал выбор вверх относительно угла 0 градусов.
И теперь он ведет себя соответственно при повороте устройства на 120 градусов: 
Рис.
7 Те.
внутренний спин е2 резко изменился с 80 на 0, потому что где-то в другой галактике кто-то просто так кинул игральную кость и поставил устройство перед е1 под углом 0 градусов! Соответственно, вероятность e2 прохождения 120-градусного устройства с состоянием up падает с 0,88 до 0,25. Именно поэтому схема, представленная в таблице 2, не работает. Теперь легко понять, почему вместо 12 совпадений по таблице 2 будет только 6. Если раньше, до влияния P1 на e1, вероятность прохождения e2 через P2 в том или ином состоянии составляла в среднем 0,5, то теперь она стал строго 0,25. Соответственно, количество матчей уменьшится в 2 раза.
Классический мир с программами, вшитыми в электроны, терпит поражение, торжествует непонятная связь между бесконечно удаленными друг от друга объектами.
3. Философско-практическая часть.
Теперь осознав реальность того, что было доказано в пункте 2. На самом деле интересно поразмышлять о таких вещах.
Спутанные состояния – очень распространенное явление в природе.
Например, распад атомов порождает запутанные состояния летающих частиц, которые цепляются за другие и, в конечном итоге, взаимодействуют с нами.
И вот, просто по прихоти, щелкнув здесь пальцами, я мгновенно меняю состояния огромного количества запутанных частиц, разбросанных по Вселенной.
А поскольку большинство процессов в природе нестационарны (иначе мы бы не наблюдали ее эволюцию), то это означает запуск целого каскада событий, радикально меняющих окружающий мир.
Такое не очень часто встретишь в реальной жизни, потому что нам не с чем сравнивать; у нас всегда перед глазами одна реализованная версия реальности.
Однако, когда я делал моделирование экономических систем, было интересно наблюдать, как изменение хотя бы одной крупицы среди миллионов других привело к тому, что эволюция всего мира пошла по совершенно иному пути.
Да, в целом система по-прежнему развивалась в определенных границах, подразделения в результате менялись мало, но индивидуальные судьбы участников менялись кардинально, спустя очень короткое время.
Тот же эффект бабочки, который, как нам кажется, больше относится к насекомым, чем к нам, значительно усиливается квантовой запутанностью.
Забавно, но оказывается, что просто чихнув, можно вызвать извержение вулкана в другой галактике.
Но, к сожалению, пока не ясно, как более осознанно этим управлять, поэтому интересно упомянуть о прикладных аспектах этого явления.
На рисунке ниже изображен один из первых суперкомпьютеров Cray-1 с производительностью 133 Мфлопс.
Современные смартфоны, которые мы носим в карманах, имеют производительность в тысячу раз выше, около 150 GFlops. В связи с этим есть ощущение, что через 30 лет у нас будет нечто подобное в отношении квантовых вычислений.
Да, пока нашей фантазии хватает только на то, чтобы быстро найти имя по номеру телефона (алгоритм Гровера) или взломать ключи шифрования.
Но и в 70-е годы мало кто понимал степень проникновения ИТ в нашу жизнь.
Мне кажется, что, поняв принципы, лежащие в основе квантовых явлений, будет легче принять и использовать потенциал грядущей квантовой эры.
Теги: #Квантовые технологии #квантовая механика
-
Обзор Продукта Hp Laserjet 5200
19 Oct, 24 -
Наука, Лежащая В Основе Удаленного Доступа
19 Oct, 24 -
Ловиц, Товий Егорович (Иоанн Тобиас)
19 Oct, 24 -
Новые Города С Google Street View
19 Oct, 24 -
Алгоритм. Приоритетная Очередь
19 Oct, 24 -
Hpe 3Par Storeserv 9450
19 Oct, 24
