Квантовая суперпозиция простыми словами: «Объясните простыми словами, что такое квантовая суперпозиция?» — Яндекс Кью - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

«Объясните простыми словами, что такое квантовая суперпозиция?» — Яндекс Кью

Что такое квантовая суперпозиция простыми словами.

Трёхщелевой эксперимент: теория

Основания квантовой теории

Квантовая теория, безусловно, самое странное описание реальности, когда-либо созданное физиками. Но они верят в нее потому, что, несмотря на десятилетия строгих проверок, ни один эксперимент не опроверг ее. Кроме того, квантовая теория привела к многочисленным практическим применениям – бытовым устройствам, которые бы просто не работали, если бы странные квантовые явления не происходили на атомном уровне. Например, то, что эта страница перед вами на экране компьютера, во многом происходит благодаря квантовым эффектам. Законы, управляющие транзисторами, на которых работает ваш компьютер, а также магнитные эффекты, используемые для хранения этой страницы на жестком диске, лежат в области квантовой теории.

Вот что говорили о квантовой теории два Нобелевских лауреата: “Тот, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее” (Нильс Бор) и “Я думаю, могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику” (Ричард Фейнман). С тех пор как квантовая теория была разработана в 1920-х годах, вопрос о том, что действительно теория говорит о “ткани реальности”, волновал многих величайших мыслителей в физике и философии. Глубокое погружение в исследование основ квантовой теории не ослабевает по сей день.

Квантовая странность

Сердце квантовой странности заключается в том, что известно как принцип суперпозиции. Предположим, у нас есть один мяч, который спрятан в одной из двух коробок. Даже если мы не знаем, в какой коробке находится мяч, мы склонны полагать, что на самом деле он лежит в одной из двух коробок, в то время как в другой коробке нет ничего. Однако если вместо мяча мы возьмем микроскопический объект вроде атома, то в общем случае было бы неправильно предположить, что атом находится только в одной из двух коробок. В квантовой теории атом может вести себя так, что он, в некотором смысле, находится в обоих коробках сразу – в суперпозиции, казалось бы, взаимоисключающих альтернатив. Это странное поведение необходимо для работы природы на микроскопических масштабах и оно плотно вплетено в саму ткань реальности.

Что мы имеем в виду, когда говорим: атом может вести себя так, как будто он находится в двух местах одновременно? Рассмотрим классический эксперимент с двумя щелями, в котором поток одинаковых частиц (с одинаковой скоростью и направлением) направлен на перегородку с двумя щелями. Частицы могут быть электронами, атомами или даже большими молекулами – это не имеет никакого значения. Некоторые частицы будут заблокированы перегородкой, в то время как другие пройдут ее и столкнуться со вторым регистрирующим экраном. Предположим, что интенсивность потока очень низка, так что за один раз из аппарата вылетает только одна частица. Это гарантирует, что все странное наблюдаемое поведение связано с отдельными частицами, в отличие от двух или более частиц, имеющих какое-то влияние друг на друга. Экспериментальные результаты могут быть обобщены следующим образом:

· Частицы, прибывающие по одной, ударяются о регистрирующий экран в случайных местах. Даже если все они имеют одно и то же “состояние”, место ударения не может быть предсказано заранее. В природе существует истинная случайность, более глубокая, чем случайность в бросаемом кубике.

· По мере роста числа частиц на регистрирующем экране возникает четкая картина ударов – частицы стремятся ударять в одних местах чаще, чем в других. Этот узор говорит нам о вероятности того, что данная частица попадет в данное место.

Оказывается, что этот вероятностный узор может быть рассчитан очень точно несколькими математически эквивалентными способами, например:

a) Один из способов состоит в том, чтобы забыть о частицах и рассмотреть вместо них мнимые волны, проходящие через перегородку. Такой волновой фронт будет проходить через обе щели одновременно, две волны появятся с другой стороны, по одной из каждой щели. Они будут распространяться по направлению к регистрирующему экрану, перекрывать и интерферировать друг с другом – как волны воды на озере. В результате интерференционной картины в некоторых местах на экране волны будут более интенсивными, чем в других местах. При правильном выборе расстояния между гребнями волн (длина волны), эта интерференционная картина может точно соответствовать нашему узору вероятности для частиц.

б) Другой способ заключается в попытке понять эксперимент строго в терминах частиц, проходящих через устройство. В конце концов, частицы испускаются источником и частицы появляются на регистрирующем экране. В этом случае математика говорит нам о том, что для получения любой заданной точки на регистрирующем экране, каждая отдельная частица существует на двух путях сразу, один проходит через левую щель, другой проходит через правую. Вероятность, с которой частица действительно попадет в регистрируемую точку, может быть рассчитана на основе определенных чисел, связанных с двумя путями, и мы снова приходим к тому же узору вероятностей частиц.

Математический аппарат, применяемый здесь, довольно простой, но все интерпретации того, что он предполагает о природе Вселенной, связаны с той или иной формой принципиально странных представлений. В случаях (а) и (б), описанных выше, эта странность появляется в том, что каждая отдельная частица, проходя через устройство, каким-то образом знает об обеих щелях: представляем ли мы воображаемые волны, связанные с частицей, или саму частицу, проходящую через обе щели одновременно.

Чтобы убедиться в этом более ясно, заметим, что при обеих открытых щелях на регистрирующем экране есть места, куда частицы никогда не попадают. Тем не менее, дальнейшие эксперименты показывают, что для частиц нет никаких проблем попасть в эти места, когда они вынуждены проходить только через одну щель (когда другую щель временно заблокировали). Иными словами, на экране есть места, куда частицы могут попасть, когда открыта только левая щель или только правая щель, но никогда не попадут, если открыты обе щели. Если предположить, что любая данная частица в действительности проходит только через одну щель (правую или левую), как она может “знать”, что другая щель (левая или правая) открыта или нет, и поэтому “знает” куда “разрешено” попадать, а куда нет? Каким-то образом частица ведет себя так, как будто она может быть в двух местах одновременно, в левой и правой щелях. Возвращаясь к атому и двум коробкам, мы имеем аналогичную ситуацию: в повседневной жизни можно было бы ожидать “атом в коробке 1” или “атом в коробке 2”. В квантовом мире, однако, мы можем, и, как правило, имеем “атом в коробке 1” и “атом в коробке 2”.

То же самое можно сказать иначе. Главный вопрос в обычной (не квантовой) физике можно сформулировать так: зная начальное положение и скорость (величину и направление) мяча, какова его последующая траектория? В квантовой физике, тип вопроса совсем иной: зная, что я видел частицу здесь и сейчас, какова вероятность того, что я увижу ее там и тогда? Более того, вычисления этой вероятности предполагают странные идеи. Например: при переходе отсюда туда, частица существует одновременно во всех возможных путях, в том числе с остановкой на Луне! В последние десятилетия ученые начали применять эти квантовые странности для развития новых и мощных технологий, таких как квантовая криптография и квантовые вычисления – см. квантовая информация.

Запутанность

Если у нас есть более чем одна частица, квантовая суперпозиция может привести к еще более странному явлению, называемому квантовая запутанность. Две частицы, скажем электроны, в «запутанном состоянии» демонстрируют очень таинственный вид связи, или «корреляции». Если один каким-либо образом возмущается, это мгновенно влияет на другой, даже если они разнесены в пространстве очень далеко (например, один электрон на Земле, а другой на Марсе). Значение слова “влияет”, которое здесь используется, довольно тонкое. Запутанность не является достаточно сильной, чтобы позволить нам мгновенно отправлять информацию, т.е. быстрее, чем скорость света (и, следовательно, не существует никаких нарушений теории относительности Эйнштейна). Но запутанность достаточно сильна, чтобы иметь некоторые интересные измеримые последствия (то, что раздражало Эйнштейна и называлось им “ужасное действие на расстоянии»). Здесь проявляется глубокое и увлекательное взаимодействие между теорией относительности и квантовой теорией. Например, можно задать такие вопросы: “Если одна из запутанной пары частиц падает в черную дыру, а другая вылетает наружу, где мы можем ее обнаружить, можно ли вторую частицу (или множество таких частиц) использовать для извлечения информации о том, что уже упало в черную дыру, или даже, как черная дыра была сформирована?”

Чтобы по достоинству оценить странность квантовой запутанности, рассмотрим простой мысленный эксперимент. Предположим, что мы подбросили монетку и, не глядя на нее, разрезали пополам (так, чтобы отделить две грани монеты), затем спрятали каждую половину в запечатанной коробке, отдали одну коробку Алисе, а другую коробку Бобу, и отправили Алису на Венеру, а Боба на Марс. Когда Алиса откроет свой ящик, она найдет половину монеты или с орлом, или с решкой, а Боб найдет другую половину. В этом нет ничего удивительного.

Но теперь вместо монеты с двумя сторонами, предположим, что у нас есть два электрона. Легко приготовить два электрона в двух противоположных состояниях, один со спином вверх и другой со спином вниз (по аналогии с орлом и решкой), и снова провести подобный эксперимент. Разница в том, что в квантовом мире, два случая (А) спин вверх в коробке Алисы и спин вниз в коробке Боба, и (B) спин вниз в коробке Алисы и спин вверх в коробке Боба – могут существовать одновременно. Вместо обычного А или В, мы можем иметь А и B, что соответствует интерпретации квантовой теории, которую мы обсуждали выше. Пока Алиса не заглянет внутрь, ее коробка содержит электрон, который определенно не обладает ни спином вверх, ни спином вниз. Это неопределенное состояние может быть описано только путем рассмотрения электронов в двух коробках как частей единой системы, они не могут быть описаны отдельно. Аналогичная ситуация складывается и для электрона в коробке Боба.

Если Алиса теперь заглянет в свою коробку, она заставит природу выбрать то или иное определенное состояние, А или В, причем природа выберет его случайным образом. Пусть природа выбирает состояние А (спин вверх для Алисы, спин вниз для Боба). Примечательно, что этот выбор влияет одновременно на обе коробки, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. В момент, когда Алиса заглянет в свою коробку, она повлияет не только на свой электрон, чтобы он приобрел определенный спин вверх, но и на электрон Боба (в его пока запечатанной коробке), чтобы он приобрел определенный спин вниз. Взгляд Алисы на ее электрон мгновенно влияет на электрон Боба, независимо от расстояния между ними. Казалось бы, это ведет к нарушению принципа Эйнштейна для скорости света! Но поскольку Алиса не имеет никакого контроля над тем, какое из двух определенных состояний примет ее электрон (природа выбирает случайным образом), процесс не может быть использован для мгновенной передачи информации, поэтому, строго говоря, нет никакого нарушения предела скорости света. Тем не менее, все это, безусловно, странно!

Помимо постановки глубоких и увлекательных вопросов о природе реальности, квантовая запутанность имеет важные приложения в квантовой криптографии. Она делает возможным перенос очень деликатной квантовой информации (например, квантового состояния электронов в атоме) из одного места в другое в процессе, называемом “квантовая телепортация”, с важными приложениями в квантовой вычислительной технике. Оба этих приложения обсуждаются в разделе о квантовой информации.

Интерпретация квантового мира

Что же нам делать с этим странным квантовым миром? Как мы уже упомянули, в то время как математика квантовой теории хорошо понятна, эти странности привели к различным интерпретациям природы “реальности”.

Вернемся к нашему атому, существующему в виде суперпозиции в коробке 1 и в коробке 2. Когда мы “смотрим” в коробки (например, направив свет внутрь и обнаружив свет, рассеянный атомом), мы всегда найдем один атом в коробке 1 или в коробке 2, но никогда в обоих, так как существует только один атом. Но что на самом деле представляет собой такое измерение? Существуют ли некоторые физические взаимодействия, с помощью которых измерительное устройство заставляет квантовую систему получать определенный результат (сильная версия того, что называется “Копенгагенская интерпретация”, и интерпретация, лежащая в основе дискуссии в этой статье)? Или определенность – это иллюзия, а прибор и квантовая частица – лишь части большой квантовой системы, в которой реализуются все возможные результаты измерений? То есть, для каждого полученного результата в «параллельных реальностях» есть мириады копий измерительных приборов, получающих все возможные результаты (“Многомировая интерпретация”)? Или сама непредсказуемость – это иллюзия, и квантовая теория может быть построена на каком-то скрытом основании, которое само по себе следует предсказуемой эволюции (“Бомовская механика”)?

Ответы на эти вопросы об основах квантовой теории стали очень важными в контексте ряда фундаментальных проблем, имеющих многочисленные последствия. Например, поскольку очень ранняя Вселенная должна описываться как квантовая система, вопросы о основаниях квантовой теории становятся важными для понимании происхождения нашей Вселенной, то есть, для квантовой космологии. Более глубокое понимание оснований квантовой теории может помочь нам в решении одной из великих нерешенных проблем квантовой теории: Как включить в нее гравитацию и получить теорию квантовой гравитации?

Ква́нтовая суперпози́ция (когерентная суперпозиция) – суперпозиция состояний , которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения, это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих) состояний. Принцип существования суперпозиций состояний обычно называется в контексте квантовой механики просто принципом суперпозиции .

Из принципа суперпозиции также следует, что все уравнения на волновые функции (например, уравнение Шрёдингера) в квантовой механике должны быть линейными.

Любая наблюдаемая величина (например, положение, импульс или энергия частицы) является собственным значением эрмитова линейного оператора , соответствующим конкретному собственному состоянию этого оператора, то есть определённой волновой функции, действие оператора на которую сводится к умножению на число – собственное значение. Линейная комбинация двух волновых функций – собственных состояний оператора также будет описывать реально существующее физическое состояние системы. Однако для такой системы наблюдаемая величина уже не будет иметь конкретного значения, и в результате измерения будет получено одно из двух значений с вероятностями, определяемыми квадратами коэффициентов (амплитуд), с которыми базисные функции входят в линейную комбинацию. (Разумеется, волновая функция системы может быть линейной комбинацией и более чем двух базисных состояний, вплоть до бесконечного их количества).

Важными следствиями квантовой суперпозиции являются различные интерференционные эффекты (см. опыт Юнга , дифракционные методы), а для составных систем – зацепленные состояния .

Популярный пример парадоксального поведения квантовомеханических объектов с точки зрения макроскопического наблюдателя – кот Шрёдингера , который может представлять собой квантовую суперпозицию живого и мёртвого кота. Впрочем, достоверно ничего не известно о применимости принципа суперпозиции (как и квантовой механики вообще) к макроскопическим системам.

Квантовую суперпозицию (суперпозицию «волновых функций »), несмотря на сходство математической формулировки, не следует путать с принципом суперпозиции для обычных волновых явлений (поля). Возможность складывать квантовые состояния не обуславливает линейность каких-то физических систем. Суперпозиция поля для, скажем, электромагнитного случая, означает например то, что из двух разных состояний фотона можно сделать состояние электромагнитного поля с двумя фотонами, чего суперпозиция квантовая сделать не может. А полевой суперпозицией состояния вакуума (нулевого состояния) и некой волны будет всё та же волна, в отличие от квантовых суперпозиций 0- и 1-фотонного состояний, являющихся новыми состояниями. Квантовая суперпозиция может быть применима к подобным системам независимо от того, описываются они уравнениями линейными или нелинейными (то есть, справедлив или нет полевой принцип суперпозиции). См. Статистика Бозе – Эйнштейна по поводу связи между квантовой и полевой суперпозициями для случая бозонов.

Также, квантовую (когерентную) суперпозицию не следует путать с так называемыми смешанными состояниями (см. матрица плотности) – «некогерентной суперпозицией». Это тоже разные вещи.

Квантовый принцип суперпозиции является центральным принципом квантовой физики. Применительно к описанию состояний фотона его можно пояснить так. Если фотон может попасть в состояние несколькими способами, результирующая амплитуда попадания в данное состояние равна векторной сумме амплитуд попадания каждым из способов. Надо иметь в виду, что амплитуды складываются только в том случае, когда принципиально невозможно различить, каким из способов произошло попадание в данное состояние . Если же при проведении эксперимента использовать какое либо устройство, позволяющее определить, каким из способов произошло попадание в конечное состояние, то амплитуды не складываются – складываются вероятности осуществления всех способов. В этом случае квантовой интерференции амплитуд вероятности нет.

Пример квантовой интерференции. Пучок фотонов одной и той же энергии направим на две параллельные друг другу плоскопараллельные пластинки (интерферометр Фабри-Перо). Будем регистрировать отраженные от системы фотоны.

Описание опыта на классическом языке выглядит так. Электромагнитная волна частично проходит и частично отражается от первой пластинки. С прошедшей частью происходит то же самое. Отраженная волна представляет собой суперпозицию двух волн – отраженной от первой и отраженной от второй пластинки. Если разность хода отраженных волн равна целому числу волн, то будет наблюдаться усиление отраженного света. Если же разность хода отраженных волн равна нечетному числу полуволн, то будет наблюдаться ослабление отраженного света. Поэтому при плавном изменении расстояния между пластинками должно наблюдаться попеременное усиление и ослабление отраженного света. Это предсказание согласуется с опытными данными.

Оказывается, все предсказания на основе классической волновой теории, подтверждаемые экспериментально, следуют и из квантовой теории. Проведем квантовые рассуждения. Падающий на первую пластинку фотон имеет амплитуду отразиться, обозначим ее через a1 , и имеет амплитуду пройти, обозначим ее через b1 . Очевидно, a1 и b1 должны удовлетворять условию ça1 ç2+ çb1 ç2=1 . Амплитуда вероятности Y2 фотону, отраженному от второй пластинки, выйти из первой пластинки имеет фазу, большую фазы амплитуды вероятности отражения от первой пластинки Y1=a1 на Dj=2kb (для простоты не учитываем показатель преломления пластинок, то есть считаем пластинки бесконечно тонкими), потому что точка выхода фотона, отраженного от второй пластинки, отстоит от точки отражения от первой пластинки вдоль траектории фотона на двойное расстояние между пластинками. Детектор фотонов, установленный перед пластинками, принципиально не может отличить, от первой или второй пластинки отразился фотон. Поэтому, результирующая амплитуда вероятности того, что фотон отразится от системы пластинок, равна векторной сумме амплитуд Y1 и Y2 . Из рисунка видно, что при разности фаз амплитуд вероятности, равной целому числу 2p , сумма амплитуд равна сумме длин стрелок, а при разности фаз, равной нечетному числу p , сумма амплитуд равна разности длин стрелок. В первом случае вероятность прохождения равна квадрату суммы длин стрелок, а во втором – квадрату разности длин стрелок. В общем случае вероятность отражения P вычислится по теореме косинусов
P= |Y1 |2+ |Y2 |2+2 |Y1 |× |Y2 |cos2kb (3)
Точно так же, как и классическая, квантовая теория предсказывает чередующиеся усиления и ослабления частоты срабатывания детектора при плавном изменении расстояния между пластинками. Если обеспечить выполнение условия çY1 ç= çY2 ç, то при определенных расстояниях b вероятность отражения может равняться нулю, хотя амплитуды отражения и от первой и от второй пластинок не равны нулю.

Следующая задача является центром занятия.

Задача 4. Через две щели, ширина каждой из которых меньше длины волны амплитуды вероятности l , пропускают пучок электронов. Электроны попадают на экран, расположенный на расстоянии L от щелей. Амплитуды попадания электрона в верхнюю и в нижнюю щели одинаковы. Рассмотрите ситуацию L>>l, b, x .

а) Полагая, что модули амплитуд вероятности электрону и из верхней и из нижней щелей попасть на экран в начало координат одинаковы и равны Y , определите частоту срабатывания детектора I , закрепленного на экране на расстоянии x от начала координат. Считайте, что частота срабатывания детектора, установленного в начале координат, равна I0 . Полагайте также, что Y не зависит от x .
б) Получите приближенное выражение расстояния между центральным и первым максимумом интенсивности попадания электронов.
в) Дайте качественное предсказание изменения дифракционной картины в случае, когда модули амплитуд попадания электрона на экран из щелей не равны и обратно пропорциональны расстоянию от щели до места попадания.
г) Как изменится дифракционная картина, если фаза амплитуды вероятности попадания электрона в верхнюю щель меньше фазы амплитуды вероятности попадания электрона в нижнюю щель на p/6 ?

Решение. а) Поскольку принципиально невозможно определить, из какой щели прилетает электрон в точку x , постольку результирующая амплитуда попадания равна сумме амплитуд. Амплитуды попадания электрона из верхней и нижней щелей имеют разность фаз , где D l- разность хода в точку x из верхней и из нижней щелей. Она равна
(4)
Соответствующая разность фаз при этом
(5)

Далее складываем амплитуды по теореме косинусов, и определяем вероятность попадания электрона в точку x , как это было сделано в примере
(6)
Центральный максимум находится в точке x=0 . Так как интенсивность срабатывания детектора в центральном максимуме равнаI0 , то , и интенсивность срабатывания в точке x запишется в виде
(7)

б) Расстояние между центральным и первым максимумами определится из условия
(8)
Откуда
(9)

в) По мере удаления от центрального максимума при перемещении вдоль экрана будет наблюдаться различие в длинах стрелок амплитуды вероятности. В отличие от ситуации, описываемой формулой (13), которая в точках минимума дает нулевую интенсивность срабатывания детектора, вычитание волн амплитуд вероятности попадания из разных щелей не будет давать нуль. На дифракционную картину будет налагаться монотонная “подсветка”.

г) К разности фаз амплитуд вероятности, задаваемой формулой (5), добавится p/6 , поэтому новая разность фаз будет равна
(10)
Соответственно формула (17) преобразуется к виду
(11)

Формула (11) говорит, что вся дифракционная картина смещается вниз на расстояние .

Подведем итоги решения задачи 4. При рассеянии пучка электронов на двух щелях волны амплитуды вероятности, прошедшие через верхнюю и через нижнюю щель, налагаются друг на друга (интерферируют) и возникает дифракционная картина подобная картине дифракции света на двух щелях. Замечательно, что если по очереди прикрывать ту или иную щель, то картина рассеяния не будет иметь минимумов или максимумов (так как щели очень тонкие). Максимумы и минимумы возникают только в том случае, когда открыты обе щели. Складываются амплитуды вероятности двух возможностей. Нельзя утверждать, что электрон попадает в детектор, прилетев из верхней щели или из нижней щели. Он прилетает сразу из двух щелей. Не смотря на то, что электрон является неделимой частицей, каким-то образом он пролетает сразу через две щели.

Возможность интерференции состояний является главной чертой квантовой физики. Это ее главная суть.

Точки зрения, это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих) состояний. Принцип существования суперпозиций состояний обычно называется в контексте квантовой механики просто принципом суперпозиции .

Если функции Ψ 1 {\displaystyle \Psi _{1}\ } и Ψ 2 {\displaystyle \Psi _{2}\ } являются допустимыми волновыми функциями, описывающими состояние квантовой системы, то их линейная суперпозиция, Ψ 3 = c 1 Ψ 1 + c 2 Ψ 2 {\displaystyle \Psi _{3}=c_{1}\Psi _{1}+c_{2}\Psi _{2}\ } , также описывает какое-то состояние данной системы. {2}\ } соответственно.

Квантовую суперпозицию (суперпозицию «волновых функций »), несмотря на сходство математической формулировки, не следует путать с

Ква́нтовая суперпози́ция (когерентная суперпозиция) – это суперпозиция состояний , которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения, это суперпозиция альтернативных (взаимоисключающих) состояний. Принцип существования суперпозиций состояний обычно называется в контексте квантовой механики просто принципом суперпозиции . {2}\ } соответственно.

Простыми словами формула Ψ n + 1 = c 1 Ψ 1 + c 2 Ψ 2 . . . + c n Ψ n {\displaystyle \Psi _{n+1}=c_{1}\Psi _{1}+c_{2}\Psi _{2}\ …+c_{n}\Psi _{n}\ } является функцией суммы -ых произведений функций на их вероятности, а следовательно суммой вероятных состояний всех функций | Ψ ⟩ {\displaystyle |\Psi \rangle } .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Просмотров:

как физики учатся понимать её правильно

Физики создали квантовую механику, чтобы описать законы мира, в котором живут микрообъекты. Но эти законы оказались настолько загадочны и контринтуитивны, что с некоторыми их аспектами учёные разбираются до сих пор. О свежих работах, посвящённых изучению явления квантовой суперпозиции, рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института прикладной физики РАН, автор научно-популярного блога physh.ru Артём Коржиманов.

Квантовая суперпозиция — основа квантовой механики

Квантовая механика, зародившаяся в начале XX века и окончательно сформировавшаяся в 1930-х годах, сейчас является хорошо проверенной и чрезвычайно успешной физической теорией. Наша цивилизация немыслима без технических достижений, обязанных своим появлением именно ей. Достаточно упомянуть, что компьютер, ноутбук или смартфон, с помощью которых вы читаете этот текст, никогда бы не были созданы, если бы не было квантовой механики.

Учёным, правда, пришлось заплатить большую цену за эти достижения, поскольку принципы, заложенные в основу квантовой теории, настолько сильно противоречат нашей интуиции, что даже самые сильные умы человечества выбрасывали белый флаг в попытках дать им какое-либо истолкование, которое отличалось бы от знаменитой фразы, приписываемой то Ричарду Фейнману, то Дэвиду Мермину: «Заткнись и считай!».

Одним из таких парадоксальных принципов является принцип квантовой суперпозиции. Вообще, с принципом суперпозиции все мы хорошо знакомы, хотя, возможно, и не называем его так в обыденной жизни. Обычно под суперпозицией понимают простое наблюдение: если одно действие приводит к одному результату, а второе действие — ко второму, то их совместное действие даст оба результата. Например, если вы купите яблоко, и ваш друг купит яблоко, то вместе вы купите два яблока. Принцип суперпозиции, конечно, выполняется не всегда: если в магазине в продаже осталось только одно яблоко, то двух яблок вы с другом никогда не купите, хотя по отдельности купить яблоко могли бы.

Квантовая суперпозиция, однако, существенно отличается от суперпозиции классической. Речь в квантовой теории идёт о суперпозиции не действий, а состояний. Например, если у вас есть две коробки, то электрон может находиться как в одной из них, так и в другой, но кроме того, оказывается, что он может находиться в суперпозиции этих двух состояниях — то есть в некотором смысле — в обоих коробках одновременно. Этот факт, противоречащий всему нашему житейскому опыту, был неоднократно подтверждён в различных экспериментах, причём не только с электронами, но и с более крупными объектами, вплоть до вполне себе макроскопических сверхпроводящих металлических колец, в которых ток одновременно течёт как по часовой, так и против часовой стрелки.

Двухщелевой эксперимент

Классическим примером, демонстрирующим явление квантовой суперпозиции, является опыт с двумя щелями. Этот эксперимент имеет настолько большое значение для понимания квантовой механики, что известный физик Ричард Фейнман в своих не менее известных «Фейнмановских лекциях по физике» называет его явлением, «которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится самая суть квантовой механики».

Суть опыта относительно проста. Пусть имеется источник частиц — это могут быть частицы света фотоны, электроны, атомы, а недавно опыт был проведён и для молекул, — и этот источник освещает непрозрачную для частиц пластинку. В пластинке проделаны две тонкие щели, а сзади неё поставлен экран, на котором прилетевшие частицы оставляют следы. Если мы закроем одну из щелей, то увидим на экране более или менее тонкую полосу напротив второй щели. Если мы закроем вторую щель и откроем первую, результат будет тот же, но полоса появится напротив первой щели. Вопрос в том, что будет, если открыть обе щели одновременно?

Обыденная интуиция подсказывает, что в этом случае на экране мы увидим просто две полосы. Или, если щели расположены достаточно близко друг к другу, одна более толстая полоска, получившаяся просто наложением полос от каждой из щелей. Однако Томас Юнг, который первым осуществил этот эксперимент ещё в начале XIX века, с удивлением наблюдал совсем другую картину. На экране явственно виднелось множество полосок, толщина которых была меньше толщины полос, получавшихся изначально. Сейчас мы называем это интерференционной картиной, а сам эффект — интерференцией на двух щелях.

Интерференционная картина для двух щелей, полученная на современном оборудовании.

Что-то подобное Томас Юнг и наблюдал на своём экране. Источник.

Томас Юнг, однако, работал не с отдельными частицами, а с большим их количеством — с ярким источником света. Поэтому хотя его наблюдения и доказали, что свет — это волна, но истинного переворота в мировоззрении не произвели. Учёные просто стали описывать свет как волны. А для волн явление интерференции является естественным. Бросьте в воду два камушка, и вы увидите, что расходящиеся от них круги, пересекаясь, образуют довольно сложный узор, который и будет интерференционной картиной.

Переворот случился в начале XX века. Сначала в теоретических работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна была введена гипотеза, что свет состоит из частиц, а затем британскому физику Джефри Инграму Тейлору удалось повторить опыт Юнга, но с настолько слабым источником света, что на экране можно было засечь приход отдельных фотонов. При этом интерференционная картина, получавшаяся после прихода большого количества фотонов, оставалась такой же, как у Юнга. Таким образом, оказалось, что свет вроде бы состоит из частиц, но эти частицы ведут себя как волны.

Ещё сильнее усложнило ситуацию то, что аналогичный эффект был предсказан и для электронов — частиц, от которых уж точно ожидать волновых свойств и явления интерференции не приходилось. И хотя аналог опыта Юнга для электронов был осуществлён только в 1961 году немецким физиком Клаусом Йонссоном, наличие у них волновых свойств было доказано другими методами ещё в 1920-х годах.

Проявление интерференционной картины при облучении двух щелей отдельными электронами. Источник.

Чтобы разрешить создавшееся противоречие, которое получило название корпускулярно-волнового дуализма, учёным пришлось предположить, что каждой частице соответствует некая волна — она получила название волновой функции, — которая зависит от того, в каком состоянии находится частица. Например, если частица прошла через одну щель, то это одно состояние и у него одна волновая функция, а если частица прошла через другую щель, то она находится в другом состоянии и у него другая волновая функция. Принцип квантовой суперпозиции при этом утверждает, что при двух открытых щелях частица находится в состоянии суперпозиции первого и второго состояний, и соответственно её волновая функция — это сумма двух волновых функций. Эта сумма и приводит к возникновению интерференционной картины. В этом смысле говорят, что частица проходит сразу через обе щели, поскольку если бы она проходила только через одну из них, то интерференционной картины бы не было.

Удивительно, но, несмотря на то, какую роль в квантовой физике играет двухщелевой эксперимент, многие учёные понимают его не совсем правильно. Более того, это некорректное объяснение присутствует в большинстве учебников по квантовой механике. Дело в том, что обычно явление суперпозиции в этом опыте объясняют так: волновая функция состояния, в котором находится электрон, прошедший через две щели, является суммой волновых функций состояний, в которых он находился бы, если бы одна из щелей была бы закрыта. Это объяснение, однако, не учитывает, что открывая вторую щель, мы можем изменить то, как электрон проходит через первую. Возвращаясь к примеру с яблоками, представьте, что вы покупаете яблоко на деньги, которые взяли в долг у друга, тогда покупка двух яблок уже не пройдёт так же, гладко, как покупка одним из вас одного яблока, потому что суммарных денег вам может и не хватить.

Трёхщелевой эксперимент: теория

Суть того, что происходит, когда открыто более одной щели, проще объяснить на примере опыта, в котором добавлена ещё одна щель. Кроме того, удобно перейти к альтернативному описанию квантовой физики, придуманному тем же Ричардом Фейнманом. В конце 1940-х годов он показал, что все результаты уже хорошо развитой тогда квантовой механики можно получить, не вводя никаких волновых функций, но предположив, что частица движется из одной точки в другую сразу по всем возможным траекториям, но «вес» каждой траектории, то есть её вклад в окончательный результат, различен и определяется по особым правилам.

Наибольшим весом обладают такие траектории, которые близки к классическим. Например, в случае двух щелей такие траектории показаны на рисунке ниже зелёным цветом.

R. Sawant et al., PRL 113, 120406 (2014)

Но вклад дают и многие другие траектории, и даже такие экзотические, на которых частица часть пути движется назад, а не вперёд. Среди них есть и такие, которые войдя в одну из щелей, затем проходят через другую и выходят через третью, как это показано фиолетовым на рисунке ниже.

Sawant et al., PRL 113, 120406 (2014)

Именно наличие таких неклассических траекторий и приводит к тому, что состояние частицы после прохода трёх щелей не равняется простой сумме состояний её прохода через каждую из них в отдельности при закрытых двух других. Отличие, конечно, обычно невелико, но, во-первых, оно может быть существенным, если вас интересуют какие-то слабые эффекты, а во-вторых, его можно усилить, прибегнув к специальным ухищрениям.

Первым на некорректность обычного объяснения принципа суперпозиции для двухщелевого эксперимента указал, по всей видимости, японский физик Х. Ябуки ещё в 1986 году, но его работа долгое время оставалась незамеченной. Современный интерес к этой теме возродила работа 2012 года, опубликованная в авторитетном журнале Physical Review A. В ней авторы рассмотрели случай классической волновой интерференции на трёх щелях на примере электромагнитных волн. Путём прямого численного моделирования фундаментальных для этой области уравнений Максвелла, они показали, что отличие правильного ответа от того, который получается при неправильной интерпретации принципа суперпозиции, в реалистичных условиях составляет около 0,5 %. И хотя эта величина невелика, и измерить её экспериментально пока невозможно, сам эффект является неоспоримым.

Но всё же учёным хотелось бы проверить этот факт и экспериментально, поэтому в 2014 и 2015 годах одна и та же группа учёных, возглавляемая физиком-женщиной из Индии Урбаси Синха, опубликовала две статьи в Physical Review Letters и Scientific Reports, в которых подробно рассмотрела квантовую теорию прохождения частиц через три щели и показала, что эффект несовпадения правильного результата с предсказанием неправильной интерпретации может быть заметно усилен, если проводить измерения с электромагнитными волнами не оптического диапазона, то есть светом, а микроволнового диапазона — такие волны используются, например, в бытовых микроволновых печах для разогрева пищи.

Трёхщелевой эксперимент: практика

Урбаси Синха, комментируя статью 2014 года, утверждала, что её группа уже начала эксперимент с микроволнами, но их результаты до сих пор не опубликованы. Зато совсем недавно вышла статья ещё одной группы учёных, возглавляемых известным физиком Робертом Бойдом (он знаменит, например, тем, что первым осуществил эксперимент с «замедленным» светом). Статья была опубликована в Nature Communications и экспериментально продемонстрировала обсуждаемый эффект. Правда, идея этого эксперимента была другой.

Роберт Бойд и его коллеги предложили усилить «вес» неклассических траекторий вблизи пластинки со щелями за счёт использования так называемых плазмонов. Плазмоны — это что-то вроде «фотонов на привязи», которые могут бегать только вдоль поверхности металла от одной щели к другой. Для этого пластинку со щелями сделали из золота. Золото — отличный проводник, поэтому оно создаёт особо сильные плазмоны.

В эксперименте источник света облучал только одну из трёх щелей. При этом если две другие были закрыты, то наблюдалась типичная картина немного размытой полосы напротив открытой щели. Но когда две другие щели открывались, картина кардинально отличалась: возникала типичная интерференционная картинка со значительно более узкими полосками.

Сравнение изображений на экране в случае, когда две щели из трёх закрыты (слева) и когда открыты все три щели (справа). O. S. Magaña-Loaiza et al., Nat. Commun. 7, 13987 (2016)

Зачем нужны все эти тонкости?

Могут ли эти исследования иметь какое-то практическое значение? Авторы упомянутых работ надеются, что да. Явление квантовой суперпозиции широко используется для так называемой квантовой коммуникации. На её основе, например, работает квантовая криптография. Именно явление суперпозиции даёт неоспоримые преимущества квантовым компьютерам по сравнению с компьютерами, основанными на традиционной электронике. Поэтому в этих направлениях точное понимание того, как работает квантовая суперпозиция, чрезвычайно важно. И именно поэтому можно надеяться, что исследования интерференции на трёх щелях помогут придумать новые, более эффективные протоколы для работы квантовых устройств.

ЛИТЕРАТУРА (кликните, чтобы посмотреть)

Hans De Raedt, Kristel Michielsen, and Karl Hess, «Analysis of multipath interference in three-slit experiments» // Phys. Rev. A 85, 012101 (2012)
Rahul Sawant, Joseph Samuel, Aninda Sinha, Supurna Sinha, and Urbasi Sinha, «Nonclassical Paths in Quantum Interference Experiments» // Phys. Rev. Lett. 113, 120406 (2014)
Michael Schirber, «Curvy Photon Trajectories Could Be Detectable» // Physics 7, 96 (2014)
Stuart Mason Dambrot, «Superposition revisited: Proposed resolution of double-slit experiment paradox using Feynman path integral formalism» // phys.org (2014-10-02)
Hamish Johnston, «Photons weave their way through a triple slit» // PhysicsWorld (2014-09-25)
Aninda Sinha, Aravind H. Vijay & Urbasi Sinha, «On the superposition principle in interference experiments» // Scientific Reports 5, 10304 (2015)
Omar S Magaña-Loaiza, Israel De Leon, Mohammad Mirhosseini, Robert Fickler, Akbar Safari, Uwe Mick, Brian McIntyre, Peter Banzer, Brandon Rodenburg, Gerd Leuchs & Robert W. Boyd, «Exotic looped trajectories of photons in three-slit interference» // Nature Communications 7, 13987 (2016)
Lisa Zyga, «Physicists detect exotic looped trajectories of light in three-slit experiment» // phys.org

Квантовый принцип суперпозиции. Кот шредингера простыми словами

Квантовая суперпозиция – суперпозиция взаимоисключающих состояний. Теоретическим примером такой суперпозиции является мысленный эксперимент «кот Шредингера». Согласно его условиям, кот, помещенный в закрытую коробку с радиоактивным веществом, вероятность распада которого неизвестна, и синильной кислотой, может являться для макроскопического наблюдателя одновременно и живым, и мертвым. На практике квантовая суперпозиция реализуется, например, в кубитах – элементах хранения данных в квантовых компьютерах.

В новом исследовании ученые зафиксировали квантовую суперпозицию двухатомных молекул газообразного йода с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах LCLS. Находясь в свободном движении, молекулы вещества расщеплялись на возбужденные и нейтральные атомы за счет поглощения энергии. Излучение LCLS удаляло последние друг от друга и рекомбинировало их в виде рентгенограммы с шагом в 30 фемтосекунд. Минимальным шагом движения молекул на разных снимках стали 0,3 ангстрем (0,03 нанометра) – меньше ширины атома.

Подчеркивается, что электронный удар лазерного импульса непосредственно касался лишь 4–5 процентов молекул, но, с точки зрения квантовой механики, возбуждал все молекулы вещества по аналогии с «котом Шредингера». Подтверждением факта квантовой суперпозиции стала фиксация LCLS отраженного излучения от обоих состояний молекул одновременно. На рентгенограмме это выглядело как серия концентрических колец, более ярких на этапе синхронизации межмолекулярных колебаний, и более темных на этапе рассинхронизации.

«Сперва молекула вибрирует, а ее атомы отклоняются в сторону и удаляются друг от друга. Затем связь между атомами нарушается, и они проваливаются в пустоту. При этом связь по-прежнему сохраняется. Некоторое время атомы остаются на расстоянии друг от друга, прежде чем перейти в первоначальное состояние. Постепенно вибрация молекулы нивелируется, и молекула возвращается в состояние покоя. Весь процесс длится не более триллионных долей секунды», – описал явление профессор Фил Баксбаум.

Он добавил, что при наличии разрыва межатомной связи регистрация квантовой суперпозиции оказалась бы невозможной. Команда стала первой, кто использовал интенсивные ультракороткие импульсы когерентного излучения в таких целях. Между тем описанная методика может применяться не только в будущих, но и прошлых исследованиях, отметили ученые. Они также выразили готовность продолжить съемку «молекулярного кино» в иных областях, например, в биологии – для изучения механизмов защиты ДНК от ультрафиолета.

«Молекулярное кино», снятое LCLS. Синие точки – возбужденные атомы, красные точки – нейтральные атомы, существующие одновременно. © J. M. Glownia et al

Основания квантовой теории

Несмотря на успехи теории, она настолько остро оскорбляет наш общепринятый здравомыслящий взгляд на мир, что, даже если мы используем теорию для точного описания результатов того или иного эксперимента, мы вряд ли признаем, что действительно понимаем квантовую теорию. Вот что говорили о квантовой теории два Нобелевских лауреата: “Тот, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее” (Нильс Бор) и “Я думаю, могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику” (Ричард Фейнман). С тех пор как квантовая теория была разработана в 1920-х годах, вопрос о том, что действительно теория говорит о “ткани реальности”, волновал многих величайших мыслителей в физике и философии. Глубокое погружение в исследование основ квантовой теории не ослабевает по сей день.

Квантовая странность

· Частицы, прибывающие по одной, ударяются о регистрирующий экран в случайных местах. Даже если все они имеют одно и то же “состояние”, место ударения не может быть предсказано заранее.

В природе существует истинная случайность, более глубокая, чем случайность в бросаемом кубике.

· По мере роста числа частиц на регистрирующем экране возникает четкая картина ударов – частицы стремятся ударять в одних местах чаще, чем в других. Этот узор говорит нам о вероятности того, что данная частица попадет в данное место.

Оказывается, что этот вероятностный узор может быть рассчитан очень точно несколькими математически эквивалентными способами, например:

Запутанность

Интерпретация квантового мира

Что же нам делать с этим странным квантовым миром? Как мы уже упомянули, в то время как математика квантовой теории хорошо понятна, эти странности привели к различным интерпретациям природы “реальности”.

Квантовая суперпозиция – основа квантовой механики

Одним из таких парадоксальных принципов является принцип квантовой суперпозиции. Вообще, с принципом суперпозиции все мы хорошо знакомы, хотя, возможно, и не называем его так в обыденной жизни. Обычно под суперпозицией понимают простое наблюдение: если одно действие приводит к одному результату, а второе действие – ко второму, то их совместное действие даст оба результата. Например, если вы купите яблоко, и ваш друг купит яблоко, то вместе вы купите два яблока. Принцип суперпозиции, конечно, выполняется не всегда: если в магазине в продаже осталось только одно яблоко, то двух яблок вы с другом никогда не купите, хотя по отдельности купить яблоко могли бы.

Квантовая суперпозиция, однако, существенно отличается от суперпозиции классической. Речь в квантовой теории идёт о суперпозиции не действий, а состояний. Например, если у вас есть две коробки, то электрон может находиться как в одной из них, так и в другой, но кроме того, оказывается, что он может находиться в суперпозиции этих двух состояниях – то есть в некотором смысле – в обоих коробках одновременно. Этот факт, противоречащий всему нашему житейскому опыту, был неоднократно подтверждён в различных экспериментах, причём не только с электронами, но и с более крупными объектами, вплоть до вполне себе макроскопических сверхпроводящих металлических колец, в которых ток одновременно течёт как по часовой, так и против часовой стрелки.

Двухщелевой эксперимент

Суть опыта относительно проста. Пусть имеется источник частиц – это могут быть частицы света фотоны, электроны, атомы, а недавно опыт был проведён и для молекул, – и этот источник освещает непрозрачную для частиц пластинку. В пластинке проделаны две тонкие щели, а сзади неё поставлен экран, на котором прилетевшие частицы оставляют следы. Если мы закроем одну из щелей, то увидим на экране более или менее тонкую полосу напротив второй щели. Если мы закроем вторую щель и откроем первую, результат будет тот же, но полоса появится напротив первой щели. Вопрос в том, что будет, если открыть обе щели одновременно?

Обыденная интуиция подсказывает, что в этом случае на экране мы увидим просто две полосы. Или, если щели расположены достаточно близко друг к другу, одна более толстая полоска, получившаяся просто наложением полос от каждой из щелей. Однако Томас Юнг, который первым осуществил этот эксперимент ещё в начале XIX века, с удивлением наблюдал совсем другую картину. На экране явственно виднелось множество полосок, толщина которых была меньше толщины полос, получавшихся изначально. Сейчас мы называем это интерференционной картиной, а сам эффект – интерференцией на двух щелях.

Томас Юнг, однако, работал не с отдельными частицами, а с большим их количеством – с ярким источником света. Поэтому хотя его наблюдения и доказали, что свет – это волна, но истинного переворота в мировоззрении не произвели. Учёные просто стали описывать свет как волны. А для волн явление интерференции является естественным. Бросьте в воду два камушка, и вы увидите, что расходящиеся от них круги, пересекаясь, образуют довольно сложный узор, который и будет интерференционной картиной.

Ещё сильнее усложнило ситуацию то, что аналогичный эффект был предсказан и для электронов – частиц, от которых уж точно ожидать волновых свойств и явления интерференции не приходилось. И хотя аналог опыта Юнга для электронов был осуществлён только в 1961 году немецким физиком Клаусом Йонссоном, наличие у них волновых свойств было доказано другими методами ещё в 1920-х годах.

Чтобы разрешить создавшееся противоречие, которое получило название корпускулярно-волнового дуализма, учёным пришлось предположить, что каждой частице соответствует некая волна – она получила название волновой функции, – которая зависит от того, в каком состоянии находится частица. Например, если частица прошла через одну щель, то это одно состояние и у него одна волновая функция, а если частица прошла через другую щель, то она находится в другом состоянии и у него другая волновая функция. Принцип квантовой суперпозиции при этом утверждает, что при двух открытых щелях частица находится в состоянии суперпозиции первого и второго состояний, и соответственно её волновая функция – это сумма двух волновых функций. Эта сумма и приводит к возникновению интерференционной картины. В этом смысле говорят, что частица проходит сразу через обе щели, поскольку если бы она проходила только через одну из них, то интерференционной картины бы не было.

Трёхщелевой эксперимент: теория

R. Sawant et al., PRL 113, 120406 (2014)

Sawant et al., PRL 113, 120406 (2014)

Но всё же учёным хотелось бы проверить этот факт и экспериментально, поэтому в 2014 и 2015 годах одна и та же группа учёных, возглавляемая физиком-женщиной из Индии Урбаси Синха, опубликовала две статьи в Physical Review Letters и Scientific Reports, в которых подробно рассмотрела квантовую теорию прохождения частиц через три щели и показала, что эффект несовпадения правильного результата с предсказанием неправильной интерпретации может быть заметно усилен, если проводить измерения с электромагнитными волнами не оптического диапазона, то есть светом, а микроволнового диапазона – такие волны используются, например, в бытовых микроволновых печах для разогрева пищи.

Трёхщелевой эксперимент: практика

Роберт Бойд и его коллеги предложили усилить «вес» неклассических траекторий вблизи пластинки со щелями за счёт использования так называемых плазмонов. Плазмоны – это что-то вроде «фотонов на привязи», которые могут бегать только вдоль поверхности металла от одной щели к другой. Для этого пластинку со щелями сделали из золота. Золото – отличный проводник, поэтому оно создаёт особо сильные плазмоны.

Зачем нужны все эти тонкости?

Hans De Raedt, Kristel Michielsen, and Karl Hess, «Analysis of multipath interference in three-slit experiments» // Phys. Rev. A 85, 012101 (2012)
Rahul Sawant, Joseph Samuel, Aninda Sinha, Supurna Sinha, and Urbasi Sinha, «Nonclassical Paths in Quantum Interference Experiments» // Phys. Rev. Lett. 113, 120406 (2014)
Michael Schirber, «Curvy Photon Trajectories Could Be Detectable» // Physics 7, 96 (2014)
Stuart Mason Dambrot, «Superposition revisited: Proposed resolution of double-slit experiment paradox using Feynman path integral formalism» // phys.org (2014-10-02)
Hamish Johnston, «Photons weave their way through a triple slit» // PhysicsWorld (2014-09-25)
Aninda Sinha, Aravind H. Vijay & Urbasi Sinha, «On the superposition principle in interference experiments» // Scientific Reports 5, 10304 (2015)
Omar S Magaña-Loaiza, Israel De Leon, Mohammad Mirhosseini, Robert Fickler, Akbar Safari, Uwe Mick, Brian McIntyre, Peter Banzer, Brandon Rodenburg, Gerd Leuchs & Robert W. Boyd, «Exotic looped trajectories of photons in three-slit interference» // Nature Communications 7, 13987 (2016)
Lisa Zyga, «Physicists detect exotic looped trajectories of light in three-slit experiment» // phys.org

К своему стыду хочу признаться, что слышал это выражение, но не знал вообще что оно означает и хотя бы по какой теме употребляется. Давайте я вам расскажу, что вычитал в интернете про этого кота …-

«Кот Шредингера » – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием или даже олицетворение:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться- если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Другими словами:

Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит – кот остается жив-здоров.
Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот-ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся ().

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Иллюстрация Шрёдингера является наилучшим примером для описания главного парадокса квантовой физики: согласно её законам, частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы существуют в двух состояниях одновременно («-живых»- и «-мёртвых»-, если вспоминать многострадального кота). Эти состояния называются .

Американский физик Арт Хобсон () из университета Арканзаса (Arkansas State University) предложил своё решение данного парадокса.

«-Измерения в квантовой физике базируются на работе неких макроскопических устройств, таких как счётчик Гейгера, при помощи которых определяется квантовое состояние микроскопических систем – атомов, фотонов и электронов. Квантовая теория подразумевает, что если вы подсоедините микроскопическую систему (частицу) к некому макроскопическому устройству, различающему два разных состояния системы, то прибор (счётчик Гейгера, например) перейдёт в состояние квантовой запутанности и тоже окажется одновременно в двух суперпозициях. Однако невозможно наблюдать это явление непосредственно, что делает его неприемлемым»-, – рассказывает физик.

Хобсон говорит, что в парадоксе Шрёдингера кот играет роль макроскопического прибора, счётчика Гейгера, подсоединённого к радиоактивному ядру, для определения состояния распада или «-нераспада»- этого ядра. В таком случае, живой кот будет индикатором «-нераспада»-, а мёртвый кот – показателем распада. Но согласно квантовой теории, кот, так же как и ядро, должен пребывать в двух суперпозициях жизни и смерти.

Вместо этого, по словам физика, квантовое состояние кота должно быть запутанным с состоянием атома, что означает что они пребывают в «-нелокальной связи»- друг с другом. То есть, если состояние одного из запутанных объектов внезапно сменится на противоположное, то состояние его пары точно также поменяется, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. При этом Хобсон ссылается на этой квантовой теории.

«-Самое интересное в теории квантовой запутанности – это то, что смена состояния обеих частиц происходит мгновенно: никакой свет или электромагнитный сигнал не успел бы передать информацию от одной системы к другой. Таким образом, можно сказать, что это один объект, разделённый на две части пространством, и неважно, как велико расстояние между ними»-, – поясняет Хобсон.

Кот Шрёдингера больше не живой и мёртвый одновременно. Он мёртв, если произойдёт распад, и жив, если распад так и не случится.

Добавим, что похожие варианты решения этого парадокса были предложены ещё тремя группами учёных за последние тридцать лет, однако они не были восприняты всерьёз и так и остались незамеченными в широких научных кругах. Хобсон , что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.

Шредингер

А вот совсем недавно ТЕОРЕТИКИ ОБЪЯСНИЛИ, КАК ГРАВИТАЦИЯ УБИВАЕТ КОТА ШРЁДИНГЕРА, но это уже сложнее …-

Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние – как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.

Но даже если каким-либо образом стало возможным изолировать макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции, от взаимодействий с другими частицами и полями, то он всё равно рано или поздно принял бы одно-единственное состояние. По крайней мере, это верно для процессов, протекающих на поверхности Земли.

«-Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс , но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому – гравитация»-, – поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский () из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, в художественном фильме «-Интерстеллар»-.

Эйнштейновская общая теория относительности гласит, что чрезвычайно массивный объект будет искривлять вблизи себя пространство-время. Рассматривая ситуацию на более мелком уровне, можно сказать, что для молекулы, помещённой у поверхности Земли, время будет идти несколько медленнее, чем для той, что находится на орбите нашей планеты.

Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию – колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу «-выбрать»- только одну из двух позиций в пространстве.

«-В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы»-, – поясняет Пиковский.

Этот эффект пока что никто не наблюдал, поскольку другие источники декогеренции, такие как магнитные поля, тепловое излучение и вибрации, как правило, гораздо сильнее, и вызывают разрушение квантовых систем задолго до того, как это сделает гравитация. Но экспериментаторы стремятся проверить высказанную гипотезу.

Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных «-высотах»- пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.

источники

http://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

http://www.vesti.ru/doc.html?id=2632838

Вот еще немного околонаучного: вот например , а вот . Если вы еще не в курсе, почитайте про и что такое . А и узнаем, что за

Сознание и существование. Квантовая механика без парадоксов / Хабр

Является ли эксперимент с котом Шредингера парадоксом?

Профессор поднял голову от стола и говорит:
– Здравствуй, мальчик. Ты зачем пришёл?
– Я хочу у вас про кота спросить.
– А что про кота?
– Допустим, у вас был кот …
Эдуард Успенский «Дядя Фёдор, пёс и кот»

Квантовая суперпозиция и роль наблюдателя в квантовой физике

Согласно квантовой механике если над частицей не производится наблюдение, то ее состояние описывается как квантовая суперпозиция (когерентная суперпозиция), т. е. смешение всех возможных альтернативных состояний в которых может находится частица.

Например, ядро атома за которым не производится наблюдение может находится в смешанном состоянии распада, вероятность которого скажем 1/4, и не распада, вероятность которого 3/4. Считается, что в момент измерения некоего ее параметра частица выбирает из всех вероятных значений этого параметра некое конкретное, или, иными словами, происходит коллапс волновой функции.

При этом считается, что “поведение индивидуальной частицы случайно”. И Копенгагенская интерпретация квантовой механики считает что поведение частицы не может быть предсказано вообще никаким методом.

Т.е. квантовая физика установила что наличие измерения влияет на “поведение” частицы.

Это особенно ярко демонстрирует двухщелевой эксперимент, который показывает что фотоны или электроны ведут себя по разному в зависимости от того наблюдают за ними или нет. Как бы странно это не звучало.

Двухщелевой эксперимент

Мы разберем феномен, который невозможно, абсолютно невозможно объяснить любым классическим способом и в котором заложено сердце квантовой механики. В действительности, он содержит тайну.
(We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery)
Ричард Фейнман, The Feynman Lectures on Physics, Volume III, Chapter 1. Quantum Behavior

Подробнее о двухщелевом эксперименте см. замечательную лекцию Ron Garret The Quantum Conspiracy on Google Tech Talk 2011-01-06, или Загадка квантовой физики — эксперимент с двумя щелями (последнее с русскими субтитрами)

Вкратце этот эксперимент можно описать следующим образом:

Если направлять поток частиц (фотонов или электронов) на чувствительный экран расположенный за экраном в котором имеются две щели, то рисунок следов на экране будет не повторять две щели, как можно было бы ожидать при прохождении частиц, а создавать интерференционную картину как если бы мы пропускали через эти щели волны, каждая из которых, выйдя из источника излучения, одновременно проходит через две щели:

См. также Опыт Юнга.

Причем такая картина наблюдается даже если частицы выпускаются по одной.

Но это в том случае если экспериментатор (наблюдатель) не знает через какую именно щель проходит частица.

Если же, экспериментатор, каким-либо образом пытается зафиксировать через какую именно щель проходит каждая частица, то картина на экране меняется: интерференция исчезает, и картина на экране представляет собой две полосы, так как можно было бы ожидать от потока частиц не являющихся волнами.

Причем эксперимент квантового ластика и эксперимент квантового ластика с отложенным выбором создает впечатление, что частица читает мысли и намерения наблюдателя и ведет себя соответственно.

Ричард Фейнман писал (The Feynman Lectures on Physics, Volume III, Chapter 1. Quantum Behavior):

Поскольку поведение частиц в атомной механике так непохоже на наш повседневный опыт, к нему сложно привыкнуть, и оно настолько своеобразно и непостижимо для любого — будь-то новичок или опытный физик. Даже эксперты не могут его понять используя тот способ мышения к которому они склонны, и это вполне объяснимо, так как весь непосредственный человеческий опыт и человеческая интуиция применимы к большим объекта. Мы знаем как будут вести себя большие объекты, но в малом масштабе это просто не работает таким образом.
(Because atomic behavior is so unlike ordinary experience, it is very difficult to get used to, and it appears peculiar and mysterious to everyone — both to the novice and to the experienced physicist. Even the experts do not understand it the way they would like to, and it is perfectly reasonable that they should not, because all of direct, human experience and of human intuition applies to large objects. We know how large objects will act, but things on a small scale just do not act that way)

Но действительно ли мы знаем как ведут себя “большие” объекты, в частности, коты, когда мы на них не смотрим?

Эксперимент Шрёдингера с котом.

Эрвин Шрёдингер завершил свою статью «Текущая ситуация в квантовой механике» следующим:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.
Типичным в подобных случаях является то, что неопределенность, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путем прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечетким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Несмотря на замечание Шредингера что “само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого” стальная камера с котом оказалась ящиком Пандоры для физики.

Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём…
Стивен Хокинг

Все существующие интерпретации квантовой механики можно рассматривать как варианты объяснения того что же происходит с этим в котом в закрытом ящике.

Этот эксперимент рассматривается как парадокс демонстрирующий “неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим”

Так соотвествующая статья Википедии утверждает:

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся

Но, давайте приглядимся к коту поближе. Ясно что если мы откроем ящик кот окажется или жив или мертв, и он был таковым и до открытия ящика.

Так же как измеренный электрон в двухщелевом эксперименте до своего измерения проходил только через одну щель.

Но вот что происходит с прошлым, о котором мы еще ничего не знаем. Какое прошлое скрывает неоткрытый ящик? Что будет с котом если мы никогда не откроем ящик и не узнаем жив кот или мертв?

Мне кажется, нельзя что говорить о том, что данный эксперимент демонстрирует неполноту квантовой физики лишь потому что люди привыкли считать что “кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым”. Ведь это то же самое что говорить о неполноте космологии (утверждающей что Земля круглая и меньше Солнца), тогда как нам очевидно что Земля плоская и Солнце меньше Земли.

Насколько я знаю никто не проводил реального эксперимента с котом и счётчиком Гейгера. Но в этом, собственно, и нет необходимости. Даже в мысленной форме эксперимент доказывает, что макрообъекты (коты и прочее) обязаны вести себя точно также как и “квантовые объекты”

Из этого эсперимента мы должны сделать следующий вывод: пока мы не узнаем жив кот или нет, он действительно не жив и не мертв. Более того его прошлое появится только после того как мы зафиксируем его настоящее.

Собственно, это касается даже не только самих объектов, но их свойств: любых свойств которые могут быть измерены или наблюдаемы.

Пока мы не измерили температуру кота, неважно живого или мертвого, его температура является смешением всех возможных показателей его температуры, и она “выберет” конкретное свое значение только в момент ее измерения, причем этот выбор будет сделан в отношении прошлого, настолько, насколько это прошлое определяет измеренное настоящее.

Физики привыкли исходить из того что предметом изучения физики является объективно существующий мир, а не сознание изучающее окружающий мир, и с этой точки зрения такой вывод может показаться странным. Но, если вдуматься, если мы этот вывод не сделаем, то наши представления о мире получаются еще более странными, и даже, не побоюсь этого слова, парадоксальными: маленькие частицы (фотоны, электроны) живут по одним законам физики, а большие (коты) — по другим. При этом большие состоят из маленьких, более того, как показал Шредингер, довольно легко можно себе представить ситуации в которых большие и маленькие неразрывно связаны и просто обязаны вести себя одинаково.

Однако мы можем предположить, что при при переходе от субатомных систем к макроскопическим на самом деле меняются не законы физики, а готовность исследователя принять выводы следующие из наблюдений.

Действительно, некоторые исследователи задавались вопросом, где та граница разделяющая макромир в котором действуют законы классической физизики и микромир в котром действуют законы квантовой механики.

Мы считаем, что на самом деле эта граница означает лишь готовность принять контр-интуитивные выводы квантовой физики, и пролегает она лишь в сознании исследователя.

Существует ли Луна, когда мы на нее не смотрим?

Но если ненаблюдаемый кот, так же как и ненаблюдаемое ядро атома находится в состоянии квантовой суперпозиции, то что с более крупными объектами: планетами, звездами?

“Вы действительно думаете что Луна существует только когда мы на нее смотрим?”
(Вопрос Эйнштейна Абрахаму Пайсу (A. Pais Einstein and the quantum theory, Rev. Mod. Phys. 51, 863–914 (1979), p. 907), см. What did Einstein mean when he asked Abraham Pais whether he really believed that the moon only exists when you look at it?)

На самом деле между электроном и луной нет принципиальной разницы. Просто наличие луны является свойством неба, которое мы привыкли наблюдать непосредственно, а электрон свойством атома — объекта из “мира” в котором у нас нет сформировавшихся стереотипов.

Макрообъекты так же как и квантовые объекты над которыми пока не произведено наблюдение, а также и их прошлое, представляют собой лишь диапазон возможностей определяемый представлениями наблюдателя об этом диапазоне возможностей.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс) и квантовая телепортация

Опыт с котом был развитием идеи мысленного эксперимента известного как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс).

Этот мысленный эксперимент был описан в статье Эйнштейна, Подольского и Розена “Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?” (A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? // Phys. Rev. / G. D. Sprouse — American Physical Society, 1935. — Vol. 47, Iss. 10. — P. 777–780.).

Эта же статья была приведена в приложении к статье Фок, Эйнштейн, Подольский, Розен, Бор Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?, которая повторяла ее название.

Вкратце эксперимент предложенный Эйнштейном, Подольским и Розеном можно описать следующим образом:

Предположим мы измеряем импульс некоей частицы. После этого она распадается на две части, которые разлетаются в разные стороны. По закону сохранения импульса суммарный импульс частиц, получившися при распаде, равен исходному импульсу изначальной частицы.

Как и атомное ядро в эксперименте с котом, до момента измерения каждая из новых частиц, с точки зрения квантовой механики, находится в состоянии квантовой суперпозиции.

Теперь произведем наблюдение и измерим импульс первой частицы. В момент наблюдения происходит коллапс волновой функции, мы имеем измеренный импульс одной из частиц. Но поскольку импульс второй частицы будет равен импульсу распавшейся частицы минус импульс измеренной, то мы знаем импульс второй частицы, даже если эта частица находится на значительном расстоянии (сколь угодно далеко) от первой.

Как указано в Википедии:

измерение импульса одной частицы равносильно измерению импульса второй частицы. Однако это создаёт впечатление мгновенного воздействия первой частицы на вторую в противоречии с принципом причинности.

Строго говоря, описанем парадокса, авторы хотели продемонстрировать возможность одновременно измерить импульс второй частицы и ее координаты, в то время как согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, нет возможности одновременно точно измерить координату частицы и её импульс.

На основе мысленного эксперимента предложенного Эйнштейном, Подольским, Розеном был разработан эксперимент квантовой телепортации в котором в “квантовой части” используется описанный Эйнштейном, Подольским, Розеном механизм как бы “передачи информации о состоянии первой частицы второй частице”

Вкратце идею квантовой телепортации можно описать следующим образом:

Допустим у отправителя есть некая частица в А. У нее есть два возможных состояния, которые обозначим 1 и 0.

С состояние частицы А отправитель должен передать получателю. Для этого они создают пару квантово-запутанных частиц B и С, как в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, каждая частица из этой пары имеет возможное состояние 1 или 0, и известно что в сумма состояний этих частиц (1+0) равна 1. Предположим что C находится у отправителя, а B — у получателя.

Отправитель производит измерение своей частицы C, в этот момент происходит коллапс волновой функции, как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, и частица B как бы получив информацию об измеренном состоянии частицы C принимает определенное состояние. Скажем отправитель измерив частицу С получил значение 1, следовательно частица B. должна оказаться в состоянии 0.

Теперь по “обычному классическому каналу связи” отправитель передает получателю информацию о суммарном состоянии системы частиц A и С. Допустим частица A находится в состоянии 1. Отправитель измерив частицу C получил значение 1. Отправитель производит операцию XOR над двумя этими значениями — получает 0, и отправляет это значение получателю.

Получатель получил значение 0, но он еще не знает значение A. Для того чтобы получить значение A он производит наблюдение над своей частицей B, получает ее значение 0, из чего заключает что значение C было 1. И соотвественно он может вычислить значение частицы A.

Как сообщается было проведено несколько реальных (не мысленных) экспериментов по квантовой телепортации.

В частности, в 2017 г. китайские ученые осуществили квантовую телепортацию при помощи пары спутников и трех наземных станций.

Однако давайте представим себе устройство представляющее собой составной закрытый ящик в который опускаются два шара: черный и белый, и ящик разделится на два раздельных ящика, таким образом что один шар остается в одном ящике, а другой в другом, причем происходит это случайным образом, и никаким образом нельзя узнать какой шар в каком ящике не открыв ящик.

Мы можем проделать с шарами точно такую же операцию как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена.

Мы поместим два шара, один черный и один белый, в ящик, разделим ящик на два отдельных ящика, и в закрытом виде разнесем ящики на некое довольно большое расстояние, скажем оставим один из ящиков на земле, а второй отправим на Марс.

Шары в неоткрытых ящиках находятся в состоянии “суперпозиции”, т.е. каждый из них является черным и белым с одинаковой вероятностью, так же как многострадальный кот с одинаковой вероятностью является живым и мертвым.

Можно было бы сказать “одновременно является”, но строго говоря, шар или кот в неоткрытом ящике вне времени, их прошлое и настоящее еще не сформировано.

Когда наблюдатель на Земле открывает ящик и видит в нем белый шар, то точно так же как описано в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, другой шар как бы получив информацию об измерении первого, забирает то состояние которое ему осталось. Т.е. и наблюдатель на Земле и наблюдатель на Марсе воспринимают этот шар как черный, причем в их восприятии он был черным с момента разделения ящика, или другими словами, его прошлое определено так же как и его настоящее.

Вместо шаров мы могли бы использовать также пару файлов, сформированные с помощью генератора случайных чисел, таким образом чтобы в одном было записано значение 1, в другом 0. Каждый из файлов можно защитить паролем, чтобы его содержание не было прочитано раньше времени, и передать их двум разным пользователям. Содержание файлов пока они не прочитаны также восприниматься как вероятностное, с одинаковой вероятностью может быть 1 или 0. В тот момент когда один из пользователей считывает содержимое своего файла, он также понимает какое содержание у второго файла. А второй пользователь, соответственно, прочтя свой файл может узнать содержимое первого файла.

Собственно говоря физикам уже приходила в голову идея о том что просходящее с частицами в эсперименте Эйштейна-Подольского-Розена можно смоделировать используя черный и белый шар (см. Эмиль Ахмедов Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена // ПостНаука) или правый и левый ботинок (см. Квантовая телепортация // ПостНаука, 2016-09-30, Habr), но пока, насколько мне известно, не признается что шары и частицы подчиняются одним и тем же законам, и с шарами происходит ровно то же самое что с частицами.

Вот как описывают это в статье Квантовая телепортация // ПостНаука, 2016-09-30, Habr:

Или если взять коробку обуви, где есть правый и левый ботинок, незаметно их вытащить и в мешке отнести один ботинок вам, другой мне. Вот я открыл мешок, смотрю: у меня правый. Значит, у вас точно левый.
Квантовый случай отличается тем, что состояние, которое пришло ко мне до измерения, не синее и не зеленое — оно в суперпозиции синего и зеленого. После того как вы разделили ботинки, результат уже предопределен. Пока мешки несут, пока их еще не открыли, но уже точно понятно, что там будет. А пока квантовые объекты не измерены, еще ничего не решилось.

На самом же деле в этом отношении нет разницы между фотоном, шаром и котом. Как доказывает эксперимент Шредингера с котом (несмотря на то, что сам Шредингер не допускал такого вывода считая его “бурлеском”) макрообъекты также могут быть в состоянии “квантовой суперпозиции”. Как мы наглядно видели в двухщелевом эксперименте, наблюдение за объектом находящимся в состоянии суперпозиции не только придает ему определенное состояние в настоящем, но также и в прошлом. И в этом случае нет разницы механизме конструирования прошлого для шара и для частицы.

Нет никакой границы в размере, массе или объеме начиная с которой объекты теряют свойство быть в состоянии квантовой суперпозиции. Любой параметр любого объекта о котором известно что он может быть с некоторой вероятностью в одном из состояний из некоего ограниченного диапазона, до момента измерения находится в состоянии суперпозиции.

В этом отношении разница между котом и ядром атома только в том, что такой вывод в отношении ядра атома принять проще, чем в отношении кота. Это также как нам легче принять то что Луна круглая наблюдая Луну в телескоп, чем принять тот же вывод в отношении Земли по который мы ходим и которая для нас очевидно плоская. Но наблюдение Луны издалека может все таки подтолкнуть нас к определенным выводам в отношении того что у нас под ногами.

Если мы принимаем такую позицию, то парадокс кота Шредингера и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена перестают быть парадоксами. Фотоны, ядро атома, кот в ящике и Луна на небе ведут себя одинаково, как они и должны себя вести, без всяких парадоксов.

Наблюдатель и критика многомировой интерпретации

Так кто же все таки делает выбор при коллапсе волновой функции, кто решает пройдет ли электрон через правую или левую щель, кто решает жить коту или умереть?

Многомировая интерпретация квантовой механики утверждает, что реализуются все возможные варианты, но в разных мирах.

Таким образом устраняется элемент случайности в происходящем. Если нельзя сказать почему из всех возможных вариантов выбирается какой-то конкретный, то давайте считать что реализуются все варианты. Таким образом мы также уходим от вопроса: почему, по какой причине был выбран один вариант, а не другой.

Многомировая интерпретация в этом поддерживает Эйштейна, который настаивая на том что в мире нет случайностей и все детерминировано, заявил “Бог не играет в кости”.

На что, Нильс Бор, один из авторов Копенгагенской интерпретации квантовой механики, возразил довольно просто: “Эйнштейн, не указывай Богу, что ему делать”

Копенгагенская интерпретация утверждает что выбор происходит случайным образом из всего возможного набора вариантов в рамках одного наблюдаемого нами мира.

Мне кажется проблема здесь заключается в определении возможного набора вариантов. Если присмотреться к тому что происходит при выборе варианта поведения частицей, то можно заметить что диапазон выбора задается представлениями наблюдателя о возможностях выбора. Всякий акт изменения представляет собой применений представлений измеряющего о возможных параметрах к объекту измерения.

Иными словами, если возможны два варианта состояния кота: “жив или мертв”, то согласно многомировой интерпретации мир должен разделиться на два мира: один в котором кот жив, другой в котором кот мертв.

В многомировой интерпретации мир постоянно делится на разные миры в которых реализуются все возможные варианты событий. Причем, если присмотреться, каждый из наблюдателей оказавшийся в том или ином мире продолжает задаваться вопросом случайно ли он попал именно в этот мир, а не в другой (по крайней мере наблюдения в нашем мире подтверждают наличе этого феномена), и таким образом разделение миров не решает всех философских вопросов, которые оно должно решать.

Но, состояние кота можно описать более чем двумя возможными вариантами. Например “кот жив и чувствует себя прекрасно”, “кот жив и чувствует себя плохо”, “сердце кота остановилось, но мозговая активность наблюдается”, “мозговая активность кота не наблюдается”, и в таком случае мир, согласно многомировой интерпретации должен раздлелиться не надвое, а уже на четыре. Если же мы введем оценку состояния кота по шкале от 0 до 100, то есть 100 возможностей развития событий, и, следуя многомировой интерпретации, мир уже вынужден делиться так чтобы дать возможность реализоваться всем этим возможностям.

Таким образом, если следовать многомировой интерпретации, то просто изменяя представление наблюдателя о количестве возможных вариантов развития событий, можно менять количество миров на которые разделяется данный, причем сам наблюдатель будет продолжать свое существование во всех этих мирах, но утрачивая связь со своими клонами в мирах параллельных. Но здесь мы возвращаемся к тому же вопросу который Эйнштейн задавал в отношении Луны: можем ли мы сказать что миры которые нельзя наблюдать действительно существуют?

Чтобы ответить на вопрос Эйнштейна о Луне, нам нужно определиться с тем что значит “существует”. Можно сказать что неоткрытая луна представляет собой лишь набор возможных значений параметров которые наблюдатель может узнать при ее наблюдении.

Т.е. она существует лишь настолько насколько “существует” распад ядра атома до того как произведено наблюдение.

Причем “до” в данном случае не очень хорошее определение, потому что “после” того как произведено наблюдение, атом будет распавшимся (или не распавшимся) до наблюдения. Также как в открытом наблюдателем ящике с котом кот будет живым или мертвым до открытия ящика, но в неотрытом ящике кот не жив и не мертв.

Проблему с понятием “существует” демонстрирует “парадокс мира кенгуру” (см. Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена на пальцах и… при чём тут эфир // 2019-12-18 Habr):

… когда мы закрываем глаза и выключаем приборы, всё вокруг превращается в кенгуру. Но стоит нам включить приборы или открыть глаза всё превращается в то, что мы видим.
Парадоксальность состоит в том, что эти миры принципиально нельзя ни доказать, ни опровергнуть и как правило отбрасываются бритвой Оккама.

(бритвой Оккама называют принцип “не умножай сущности без необходимости”):

Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений…
Исаак Ньютон Математические начала натуральной философии

На самом деле, если вдуматься, такой же парадокс возможен с любым другим сумчатым животным, или вообще… с реальностью в целом: мы не можем ни доказать, ни опровергнуть существование реальности которую мы не воспринимаем, и должны ее отрезать бритвой Оккама

Или, проще говоря, не имеет смысла говорить о “существовании” чего-то о чем “мы” не знаем. И в пространстве и во времени существует только то, что воспринимается сознанием.

Иными словами сознание является причиной существования чего бы то ни было.

Более того, мы можем определить сознание как свойство субъекта наделять существованием себя и окружающий мир

Действительно, давайте представим себе что в двухщелевом эксперименте в качестве “наблюдателя” используется манекен очень похожий не человека, либо любая другая имитация человека, например человекообразный робот способный с легкостью пройти тест Тьюринга. Сможем ли мы таким образом обмануть электрон или даже фотон? Можем ли мы вообще каким-то образом заставить частицу “сделать выбор” без наличия человека (вернее без наличия наблюдателя обладающего сознанием)?

Мне кажется, что физика, несмотря на исторически сложившуюся тенденцию считать объектом ее исследования объективно существующий мир, должна отказаться от концепции частиц делающих выбор и не употреблять выражение “частица делает выбор”.

Конечно же выбор делает не объект, а наблюдатель.

С точки зрения наблюдателя существует только то, что воспринимается сознанием.

Многомировая интерпретация квантовой механики поэтому имеет столько же смысла, как и гипотеза о том что когда мы закрываем глаза окружающий мир превращается в кенгуру. Хотя и то, и другое — неопровержимо.

Сознание и интеллект в квантовой механике

Всякий, кого не шокирует квантовая теория, ее не понимает.
(Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it)
Niels Bohr

Представим себе следующий мысленный эксперимент:

Воспроизведем эксперимент Шредингера, но возьмем нескольких наблюдателей, каждый из которых будет проверять состояние кота, таким образом чтобы о результате проверки не было известно другим. И потом после ряда измерений сравним результаты.

Насколько согласуются результаты наблюдения за окружающим миром у разных людей? Действительно ли происходит так что если один уже увидел кота мертвым, то другой уже не может увидеть его живым?

Мне не известно о проведении подобных опытов, но мы можем предположить что результаты наблюдений разных людей согласуются между собой, даже если они не сообщали друг другу об этих результатах.

Из тех выводов, которые мы уже сделали, вытекает что для такого эксперимента необязательно брать кота, счетчик Гейгера и атомное ядро. Достаточно бросить игральную кость в непрозрачный стакан, к которому потом по одному подойдут наблюдатели, зафиксируют увиденное, и после сравнят свои наблюдения.

В эсперименте Эйнштейна-Подольского-Розена, или в аналогичном же эсперименте с шарами в ящиках, один из которых находится на Земле, а другой на Марсе, если мы считаем что частицы не могут обмениваться между собой информацией, то у нас получается, что либо

информация о наблюдении сделанном первым наблюдателем передается второму наблюдателю, либо
наблюдатель, на самом деле, один

В первом случае, у нас возникает та же проблема с наблюдателями, которая была ранее с частицами: информация передается быстрее скорости света и вообще без какого-либо взаимодействия.

То есть если предположить что в эксперименте Эйнштейна-Подольского-Розена информация передается не от частицы к частице, а от наблюдателя к наблюдателю, то все же передача информации имеет место быть, а следовательно она не может быть мгновенной, и передаваемая информация может подвергаться искажениям.

В нашем мысленном эксперименте с котом и множеством наблюдателей, если предположить, что первый открывший ящик каким-то образом передает информацию о том что он увидел, и единство картины мира (включая кота) видимой разными независимыми наблюдателями обеспечивается такой передачей информации, то логично было бы предположить что при такой передаче возможны искажения, т.е. если один наблюдатель увидел кота мертвым, но никому об этом не сказал, то другой может увидеть кота живым.

Во втором случае, мы можем сформулировать предположение, что, на самом деле, наблюдатель один, и никакой передачи информации от одного наблюдателя другому не происходит. Конечно, это могут быть разные биологические существа, но с точки зрения роли наблюдателя в квантовой физике — это один и тот же наблюдатель.

Мы можем, таким образом, разделить интеллект и сознание. Сознание у всех одно, любой наблюдатель — одно и то же сознание, но каждый отдельный экспериментатор наделен своим собственным интеллектом.

Если ящик с мертвым котом открыл неграмотный пастух, то Нобелевский лауреат в этом же ящике найдет того же мертвого кота. Они могут давать разную трактовку увиденному, в силу разности интеллекта, но видят они то же самое — так как это одно и то же наблюдающее сознание.

С одной стороны, это может звучать странно: человек находящийся в данный момент на Марсе и человек находящийся в данный момент на Земле, и человек живший на Земле три тысячи лет назад — проявления одного и того же наблюдателя, в силу наблюдения которого наблюдаемые объекты переходят из смешения возможных состояний в конкретные (или иными словами реальные или действительно существующие) состояния, обретая существование в настоящем и прошлом.

Но именно такое объяснение квантовой механики является наиболее непротиворечивым и избавляет нас от парадоксов. А, не разрешив имеющиеся парадоксы, нам сложнее отрывать новые.

Кроме того, такое объяснение позволяет нам понять что-то важное о нас самих. Осознание собственного бытия и бытия окружающего мира — это то что отличает нас, Наблюдателя, от наблюдаемых объектов.

Итак, любой “наблюдатель” в терминах квантовой механики, это один и тот же глобальный субъект осознающий реальность и создающий ее этим осознанием.

Получается что “объективная реальность”, окружающий мир — есть ничто иное как результат отделения сознанием себя от окружающего мира. То что каббала описывает термином “цимцум”, буквально “сжатие”, подразумевая под этим что бесконечный Творец (Эйн-Соф (אֵין סוֹף), буквально “бесконечное”), ограничивая себя, как бы создает «свободное место» (‏מקום פנױ‏‎‎) в котором появляется мир. Или, иными словами, мир появляется в силу того что Творец “отделяет” себя от мира, и мир существует благодаря этому “отделению”.

Мы можем заметить, что в то время как физики подошли к границам объективной реальности, возможно к этим же границам, но с другой стороны подошли мистики (см. Фритьоф Капра. Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточным мистицизмом )

И тут, мы на время оставим, физические лаборатории с котами в железных ящиках, счетчиками Гейгера и фотонными пушками, и переместимся на несколько тысяч лет назад в синайскую пустыню.

Тетраграмматон. Тайны древнего имени и интерпретация квантовой механики

Не нам, Господи, не нам, но имени Твоему дай славу
(לא לנו יהוה לא לנו כי לשמך תן כבוד)
Девиз Ордена Тамплиеров (Храмовников)
Как точно произнести само «основное» Четырехбуквенное Имя мы, скорее всего, узнаем, когда придет пророк Элиягу, в конце шестого тысячелетия (то есть, уже скоро — во время, которое определит Всевышний).
рав Элиягу Эссас Об огласовке Четырехбуквенного Имени, 21.09.08

Теперь мы попробуем применить нашу интерпретацию квантовой механики для раскрытия смысла некоторых древних легенд и тайн, так или иначе владеющих умами людей на протяжении тысячелетий.

Тетраграмматон. Священное непроизносимое имя, “утерянное слово” европейских мистиков.

Итак, гора Хорив, предположительно второе тысячелетие до нашей эры. Человек по имени Моше (известный как Моисей в христианстве, или Муса в Исламе) видит горящий куст из которого к нему обращается Всевышний. Именно в этом разговоре Всевышний сообщает Моше свое имя.

Разберем этот отрывок в Танахе (Библии).

В Синодальном переводе текст на русском следующий (Исход. 3.13-15):

13 И сказал Моисей Богу: вот, я приду к сынам Израилевым и скажу им: Бог отцов ваших послал меня к вам. А они скажут мне: как Ему имя? Что сказать мне им?
14 Бог сказал Моисею: Я есмь Сущий. И сказал: так скажи сынам Израилевым: Сущий [Иегова] послал меня к вам.
15 И сказал еще Бог Моисею: так скажи сынам Израилевым: Господь, Бог отцов ваших, Бог Авраама, Бог Исаака и Бог Иакова послал меня к вам. Вот имя Мое на веки, и памятование о Мне из рода в род

Текст на иврите c английским переводом (Jewish Publication Society of America Version (JPS) 1917 Edition) можно прочесть на Exodus Chapter 3 שְׁמוֹת.

Мы разберем по частям текст (звучание всей главы на иврите) данного отрывка в оригинале, в привязке к той интерпретации квантовой механики, которую мы рассматривали выше (версия перевода на русский — автора данной статьи):

[1]

וַיֹּאמֶר מֹשֶׁה אֶל-הָאֱלֹהִים.
И говорит Моше к Всевышним

Мы перевели ивритское слово אלוהים (элоhим) как “Всевышние”. В его основе корень אל имеющий значение “божественное”, “бог”.

Интересно то что грамматически элоhим — это форма множественного числа, т.е. “всевышние” или “боги”, но с ним употребляется глагол единственного числа. Так, Тора (Библия) начинается фразой בְּרֵאשִׁית בָּרָא אֱלֹהִים буквально “в начале Всевышние (мн. ч.) сотворил (ед.ч.)”

Классический комментарий Сончино так объясняет употребление в этом случае подлежащего во множественном числе со сказуемым в единственном числе:

Элоhим как слово языка имеет значение “множество высших сил”. Однако, когда речь идет о Всевышнем, Тора не допускает никакой ассоциации с аспектом множественности. Слово Элоhим, используемое как имя, имеет несколько иное значение: “Источник возникновения и поддержания существования всех сил”. Оно указывает на то, что все существующие силы, где бы они ни проявлялись, всегда находятся во власти Всевышнего.

Однако, в аспекте нашей интерпретации квантовой механики в которой множество, на первый взгляд кажущихся независимыми, наблюдателей на самом деле являются одним и тем же наблюдателем создающим своим наблюдением окружающий мир, мы могли бы объяснить такую грамматику в Торе отражением этого аспекта того, что мы обозначили как “наблюдатель” с точки зрения квантовой механики.

[2]

הִנֵּה אָנֹכִי בָא אֶל-בְּנֵי יִשְׂרָאֵל, וְאָמַרְתִּי לָהֶם, אֱלֹהֵי אֲבוֹתֵיכֶם שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם; וְאָמְרוּ-לִי מַה-שְּׁמוֹ, מָה אֹמַר אֲלֵהֶם
“Вот я пришел к сынам Израиля, и сказал им: Бог (Всевышние) отцов ваших послал меня к вам; и сказали мне как его имя? что говорить им? (букв. “что [я] сказал им?”)”

Тут следует обратить внимание что в Торе описание будущего времени (Моше спрашивает о том, что будет когда он придет к сынам Израиля) производится с помощью слов грамматически стоящих в прошедшем времени, причем такое употребление характерно именно для языка Танаха. Впрочем по-русски такое употребление также звучит логично: “вот я пришел и сказал им” — в отношении будущего времени по русски выглядит как моделирование ситуации которая будет иметь место в будущем, и не выглядит парадоксально.

[3]

וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים אֶל-מֹשֶׁה,
“И говорит Всевышний (Всевышние) к Моше:”

[4]

אֶהְיֶה אֲשֶׁר אֶהְיֶה

Звучит как “эhье ашер эhье” Перевод этой фразы всегда был сложен.

Комментария Сончино так поясняет эту фразу:

Это имя Всевышнего, которое на иврите звучит Эhье Ашер Эhье, не поддается точному переводу. Буквально его можно было бы перевести как “Я Буду Так, Как Я Буду”.

В Синодальном переводе эта фраза переведена как “Я есмь Сущий”

Т.е. буквально можно перевести: “(я) буду которое буду”, “буду существовать тем что буду существовать”, “я буду тем что буду существовать”, но наиболее удачный вариант перевода на мой взгляд: “я тот, кто является причиной бытия” (см. Тетраграмматон (Четырехбуквенное Имя Бога))

Далее אהיה (“эhье” (“я буду”)) используется как имя Всевышнего:

[5]

וַיֹּאמֶר, כֹּה תֹאמַר לִבְנֵי יִשְׂרָאֵל, אֶהְיֶה, שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם.
И сказал: так скажи сынам Израиля, я буду (אהיה) пославшим к вам

Также возможный вариант перевода: “буду” послал меня к вам”.

По традиции это слово אהיה произносится при чтении Торы.

И это слово используется в современном иврите в том же значении, см. например популярную песню אייל גולן — אהיה בכל מקום (Эяль Голан “Буду везде” (речь идет правда не о вездесущности Всевышнего, а о любви парня к девушке))

В Синодальном переводе:

“И сказал: так скажи сынам Израилевым: Сущий [Иегова] послал меня к вам”

[6]

וַיֹּאמֶר עוֹד אֱלֹהִים אֶל-מֹשֶׁה, כֹּה-תֹאמַר אֶל-בְּנֵי יִשְׂרָאֵל, יְהוָה אֱלֹהֵי אֲבֹתֵיכֶם אֱלֹהֵי אַבְרָהָם אֱלֹהֵי יִצְחָק וֵאלֹהֵי יַעֲקֹב, שְׁלָחַנִי אֲלֵיכֶם; זֶה-שְּׁמִי לְעֹלָם, וְזֶה זִכְרִי לְדֹר דֹּר.
И еще сказал Всевышний к Моше: так скажи сынам Израиля: “он будет (יהוה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова пославшим меня к вам”. Это имя мое навсегда (также можно прочитать “это имя мое утаи” — но это противоречит данному перед тем указанию сообщить это имя), и это память обо мне в поколениях.

В Синодальном переводе:

И сказал еще Бог Моисею: так скажи сынам Израилевым: Господь, Бог отцов ваших, Бог Авраама, Бог Исаака и Бог Иакова пославший меня к вам. Вот имя Мое на веки, и памятование о Мне из рода в род.

В этом отрывке имя Всевышнего пишеться יהוה Это тетраграмматон, священное непроизносимое имя.

Его огласовка в Торе יְהוָה заведомо не соответствует тому как это имя произносил Моше, и служит напоминанием того, что по традиции в этом месте произносится слово “адонай” (“Наш Господь”), огласовки от которого в адаптированном виде перенесены в данном случае (с учетом того что в одном случае в первой букве используется шва, в другом — хатаф-патах, см. Огласовка тетраграмматона и Барух Подольский. Имя Божие)

אהיה — будущее время единственного числа первого лица от глагола לִהיוֹת который обозначает “быть, существовать, становится”, в том числе используется в качестве модального глагола в конструкциях для образования будущего (“буду делать ч.-л.”) или прошедшего времени или сослагательного наклонения.

Корень глагола: ה-י-ה (hей — йуд — hей)

В обозначениях (конкорданции) Стронга этот корень: h2961 и этимологически просходит от или связан с корнем הוה (Стронг h2933), который используется в глаголе לְהַווֹת основное значение которого также “быть, существовать” (перевод в Словаре Б.Подольского: “1. составлять, создавать, образовывать 2. представлять собой”)
Корень этого глагола ה — ו -ה (hей — вав — hей)

Так в древней, но до сих пор популярной, песне “Адон Олам (Господь мира)” (“Adon Olam” / “אדון עולם”) есть строка о Всевышнем:

И он был, и он есть
וְהוּא הָיָה וְהוּא הֹוֶה

Транскрипция: “вэ у hая, вэ у ове” (V’hu hayah v’hu hoveh), см. в исполнении
Сарит Хадад или израильских солдат.

Для прошедшего времени использована форма глагола לִהיוֹת (он был),
для настоящего времени использована форма глагола לְהַווֹת (он есть).

То есть по смыслу, они взаимозаменяемы.

Традиционно считается что тетраграмматон образован от корня ה-י-ה (глагол לִהיוֹת) (см. Тетраграмматон (Четырехбуквенное Имя Бога)) и точное его грамматическое значение неизвестно.

Мы же считаем что тетраграмматон образован от корня ה — ו -ה (глагол לְהַווֹת), соответственно יהוה следует читать “он будет”, огласовка יְהֻוֶּה (шва, шурук, сеголь; вав (ו) корневая буква, а не огласовка).

Т.е. тетраграмматон — это будущее время 3 лица единственного числа от глагола “быть” (לְהַווֹת) — “он будет” (см. формы этого глагола на https://www.pealim.com/dict/452-lehavot/) Насколько я знаю, это единственный вариант прочтения неогласованного тетраграмматона таким образом чтобы получилось грамматически правильное слово иврита. К тому же в таком случае оно действительно получается взаимозаменяемым с первым вариантом имени Всевышнего (אהיה), которое тоже изначально представляет собой глагольную форму.

Таким образом мы имеем в первом случае:

И сказал: так скажи сынам Израиля, я буду (אהיה) пославшим к вам.

и далее:

И еще сказал Всевышний к Моше: так скажи сынам Израиля, он будет (יְהֻוֶּה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова — пославшим меня к вам.

Если мы принимаем положение о том, что в этом отрывке ответ на вопрос “как имя имя Его” (מַה שְּׁמוֹ) содержится трижды:

(1) אהיה אשר אהיה

(2) אהיה

(3) יהוה

и что в первых двух упоминаниях мы имеем грамматически понятную форму глагола “быть/существовать” — “буду”, то эту схему встраивается и предположение о том, что в третьем следует читать “будет”, что в свою очередь дает логически и грамматически выстраивающуюся фразу: он будет (יְהֻוֶּה) Всевышним отцов ваших, Всевышним Авраама, Всевышним Ицхака и Всевышним Иакова — пославшим меня к вам (или возможный вариант: “[и] он послал меня к вам”).

Но, конечно же, нам мало грамматически правильной фразы, ибо мы предполагаем что в ней должен быть заключен смысл помогающий нам понять что-то важное о Всевышнем и о нас самих: о том кто мы, и кто Всевышний, и какова взаимосвязь между Творцом, миром и человеком.

Итак давайте посмотрим с точки зрения тех выводов, которые мы сделали в части касающейся квантовой механики, на традицию сакрализировавшую слова, обозначающие существование, как обозначающие Всевышнего.

Вывод о единственности “наблюдателя” при том что нам кажется что наблюдателей много, и о том что этот наблюдатель и есть то что позволяет миру “быть”, нам кажется созвучен идее о том что Бог един, и он то, что обуславливает существование мира (אֶהְיֶה אֲשֶׁר אֶהְיֶה)

Действительно, сознание божественно, в том смысле что находится как бы за рамками объективного мира. Мы не можем создать сознание, в том смысле, что мы не можем создать нового “наблюдателя” в терминах квантовой механики, мы можем только быть им, и, соответственно, мы не можем не быть его проявлением если мы осознаем свое существование.

С этой точки зрения, мы можем объяснить каким образом шесть тысяч лет назад “создан” материальный мир существующий уже миллионы и миллиарды лет.

Прошлое “создается” актом наблюдения, осознанием существования в настоящем. Фотон, который мы измерили, в прошлом прошел через конкретную щель в двухщелевом опыте; кот в ящике, который мы открыли, — был уже живым или мертвым и в прошлом. Мир существование которого осознано шесть тысяч лет назад, в момент осознания получает историю в миллиарды лет (в Каббале говорят “мир создан старым”)

Мир, существование которого осознал наблюдатель — “существовал” в прошлом уже миллионы лет. Но без сознания (наблюдателя) этот мир не может существовать и не существовал в прошлом. В прошлом у него только “квантовая суперпозиция”, но даже эта квантовая суперпозиция в прошлом это лишь “рассуждение” наблюдателя том что может быть в неоткрытом ящике, а не действительное бытие внутри ящика.

Мы можем создать компьютер способный производить огромное количество вычислений, но мы не можем создать компьютер знающий о том что он существует.

С этой точки зрения становится понятной идея о том что человек создан “по образу и подобию” (בְּצַלְמֵנוּ כִּדְמוּתֵנוּ) Всевышнего. Это конечно не означает что у Всевышнего две руки, две ноги, одна голова и два уха. Это означает что “человек” в данном контексте означает носитель сознания, т.е. человек в данном случае имеется в виду не биологическое существо, которое в прошлом произошло от обезьяны в ходе эволюции, а субъект обладающий сознанием, и под созданием человека в данном случае понимается не процесс эволюции биологического организма, а проявление в человеке “наблюдателя” в терминах квантовой физики.

Существование обуславливается тем, кого в квантовой механике называют “наблюдателем”, а в Танахе обозначают тетраграмматоном. Монотеистические религии построены на идее его единственности, несмотря на множественность его проявлений, на той же идее мы строим интерпретацию квантовой механики.

Выводы.

… отбросьте все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался
Шерлок Холмс (А. Конан-Дойл “Знак четырех”)

Непротиворечивая интерпретация квантовой механики может быть построена на основе следующего:

Существует лишь то, что обладает сознанием, либо то, что воспринимается сознанием наблюдателя.
Сознание есть свойство субъекта наделять существованием себя и окружающий мир.
Коллапс волновой функции, т.е. выбор объектом действительного состояния из диапазона возможностей происходит вследствие выбора совершаемого субъектом, а не объектом наблюдения. При этом диапазон возможностей задается наблюдателем.
Любой отдельный объект не обладает отдельным существованием, а является набором свойств выделяемых наблюдателем из наблюдаемого мира.
С точки зрения квантовой механики существует лишь один “наблюдатель”. Все обладающие сознанием существа или субъекты являются его проявлением.
Все обладающие сознанием субъекты таким образом связаны. Всякий обладающий сознанием субъект может взаимодействовать сам с собой. Любое взаимодействие любых субъектов обладающих сознанием является взаимодействием некоей сущности самой с собой.
Эта сущность является Творцом мира. Интуитивное осознание этого лежит в основе монотеистической религии.

Кот Шредингера простыми словами – Мастерок.жж.рф — LiveJournal

«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет 1935 году. Вот цитата:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое , что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Другими словами:

Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Иллюстрация Шрёдингера является наилучшим примером для описания главного парадокса квантовой физики: согласно её законам, частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы существуют в двух состояниях одновременно («живых» и «мёртвых», если вспоминать многострадального кота). Эти состояния называются суперпозициями.

Американский физик Арт Хобсон (Art Hobson) из университета Арканзаса (Arkansas State University) предложил своё решение данного парадокса.

«Измерения в квантовой физике базируются на работе неких макроскопических устройств, таких как счётчик Гейгера, при помощи которых определяется квантовое состояние микроскопических систем — атомов, фотонов и электронов. Квантовая теория подразумевает, что если вы подсоедините микроскопическую систему (частицу) к некому макроскопическому устройству, различающему два разных состояния системы, то прибор (счётчик Гейгера, например) перейдёт в состояние квантовой запутанности и тоже окажется одновременно в двух суперпозициях. Однако невозможно наблюдать это явление непосредственно, что делает его неприемлемым», — рассказывает физик.

Хобсон говорит, что в парадоксе Шрёдингера кот играет роль макроскопического прибора, счётчика Гейгера, подсоединённого к радиоактивному ядру, для определения состояния распада или «нераспада» этого ядра. В таком случае, живой кот будет индикатором «нераспада», а мёртвый кот — показателем распада. Но согласно квантовой теории, кот, так же как и ядро, должен пребывать в двух суперпозициях жизни и смерти.

Вместо этого, по словам физика, квантовое состояние кота должно быть запутанным с состоянием атома, что означает что они пребывают в «нелокальной связи» друг с другом. То есть, если состояние одного из запутанных объектов внезапно сменится на противоположное, то состояние его пары точно также поменяется, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. При этом Хобсон ссылается наэкспериментальные подтверждения этой квантовой теории.

«Самое интересное в теории квантовой запутанности — это то, что смена состояния обеих частиц происходит мгновенно: никакой свет или электромагнитный сигнал не успел бы передать информацию от одной системы к другой. Таким образом, можно сказать, что это один объект, разделённый на две части пространством, и неважно, как велико расстояние между ними», — поясняет Хобсон.

Добавим, что похожие варианты решения этого парадокса были предложены ещё тремя группами учёных за последние тридцать лет, однако они не были восприняты всерьёз и так и остались незамеченными в широких научных кругах. Хобсонотмечает, что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.

Подробнее о работе физика можно почитать в его статье, которая была опубликована в журнале Physical Review A.

Шредингер

А вот совсем недавно ТЕОРЕТИКИ ОБЪЯСНИЛИ, КАК ГРАВИТАЦИЯ УБИВАЕТ КОТА ШРЁДИНГЕРА, но это уже сложнее …

Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние — как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.

«Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс сохранить квантовую когерентность, но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому — гравитация», — поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский (Igor Pikovski) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, кратко изложена в художественном фильме «Интерстеллар».

Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию — колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу «выбрать» только одну из двух позиций в пространстве.

«В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы», — поясняет Пиковский.

Маркус Арндт (Markus Arndt), физик-экспериментатор из Венского университета, проводит опыты по наблюдению квантовой суперпозиции у макроскопических объектов. Он посылает небольшие молекулы в интерферометр, фактически предоставляя частице «выбор», какой дорогой пойти. С точки зрения классической механики молекула может пройти только одним путём, но квантовая молекула может пройти сразу двумя путями, интерферируя сама с собой и создавая характерный волнообразный рисунок.

Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных «высотах» пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.

[источники]

источники

http://www. vesti.ru/doc.html?id=2632838

Вот еще немного околонаучного : вот например Самый черный материал в мире, а вот Эффект Джанибекова. Если вы еще не в курсе, почитайте про Закон Бенфорда и что такое Бомба из Гафния. А Давайте разоблачим ! Фокусы бумажного самолетика ? и узнаем, что за Башни Тесла, скрывающиеся в дебрях лесов Подмосковья

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия – http://infoglaz.ru/?p=69256

Tags: Наука

Квантовая суперпозиция и ее значение для квантовых вычислений | Аджай Нараянан

Квантовые вычисления — одна из самых многообещающих тем исследований этого поколения. Квантовая теория привела мир в замешательство как с точки зрения теоретических возможностей, которые уже исследованы исследователями, так и с точки зрения практических приложений, к которым может привести эта новая технология. Для ученого-компьютерщика ускорение квантовых компьютеров заключается в способности таких компьютеров выполнять параллельную обработку так, как никогда раньше не представлялось. Квантовые компьютеры принципиально отличаются от своих классических аналогов. В основе квантовых вычислений лежит принцип квантовой суперпозиции, который, как и вся квантовая теория, очень трудно визуализировать. Этот блог будет направлен на то, чтобы пролить свет на эту «жуткую» науку, как назвал ее сам Эйнштейн.

1. Десять тенденций искусственного интеллекта (ИИ) в 2019 году
2. Разбираемся с жаргонными пузырями — глубокое обучение
3. Как мы можем улучшить качество наших данных?
4. Машинное обучение с использованием логистической регрессии в Python с кодом

Принцип квантовой суперпозиции

Честно говоря, Эйнштейну понятие суперпозиции кажется невозможным в том смысле, что невозможно наблюдать это явление в мир, который мы физически наблюдаем каждый день. Это не то же самое, что гравитация, которую можно доказать с помощью чего-то такого простого, как падающее яблоко. Вопрос о суперпозиции возникает только в мире субатомных частиц. В этой области существования законы классической физики, кажется, полностью перестают работать. Принцип квантовой суперпозиции просто гласит, что квантовая частица может существовать в двух разных местах одновременно. Согласно этой теории, квантовая частица может существовать одновременно в нескольких состояниях, если только не производится операция измерения.

Квантовая суперпозиция

Чтобы понять, что означает квантовая суперпозиция, внимательно просмотрите короткое видео выше. В видео с помощью анимации показано то, что известно как кубиты в квантовых вычислениях. Кубит — это базовая единица квантовой информации, параллельная биту как базовой единице классической информации. Как показано в видео, кубит может быть и 0, и 1 одновременно, пока его не наблюдают. Это свойство кубита находиться в суперпозиции двух состояний одновременно обеспечивает квантовым компьютерам экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими компьютерами.

Суперпозиция в молекуле воды

Давайте отвлечемся от разговоров о кубитах и квантовых компьютерах. Квантовая суперпозиция — это то, что происходит во всей природе. Ученые считают, что естественные вычисления, такие как химические реакции и образование молекул, происходят так быстро из-за присущей квантовой суперпозиции субатомных частиц. Чтобы прояснить этот момент, позвольте мне взять в качестве примера самый известный элемент на земле — воду. Я надеюсь, что все читатели имеют четкое представление о том, как образуются молекулы воды. Кислород делит свои 2 электрона с каждой молекулой водорода и образует с ними связь. Согласно классической химии, это совместное использование означает, что общие электроны находятся в свободном пространстве между молекулами водорода и кислорода. По мнению ученых Quantum, это не совсем так. Общие электроны фактически существуют в суперпозиции между молекулами кислорода и водорода. Это означает, что общие электроны одновременно присутствуют как в молекулах кислорода, так и в молекулах водорода, и положение этих электронов не всегда должно быть между 2,9. 0003

Экспоненциальное ускорение вычислительной мощности

Одним из наиболее изученных применений квантовой суперпозиции является возможное ускорение вычислений. Чтобы объяснить это, нам нужно вернуться к кубиту и его свойствам. Все компьютеры в мире, от самого большого суперкомпьютера до маленьких умных часов, работают по тем же принципам, что и машина Тьюринга, построенная во время Второй мировой войны.

Машина Тьюринга

Эта машина работает на основе наличия или отсутствия щелчков, вызванных вращением этих механических рычагов. Хотя мы перешли от механических рычагов к цифровым битам, все наши вычислительные усилия по-прежнему управляются одной и той же концепцией. Концепцию кубита можно легко объяснить, сказав, что он может быть 0 и 1 одновременно. Но в механическом случае наличие щелчка и отсутствие щелчка одновременно кажется абсурдным. По этой причине даже исследователи, работающие над квантовыми технологиями, не могут полностью представить себе их силу и возможности.

Однако давайте попробуем разобраться в ситуации. В любом случае, вычислительная мощность напрямую связана с количеством одновременно существующих вычислительных состояний. Возьмем пример навигации по лабиринту.
Представьте, что квантовая частица проходит через этот лабиринт. Помните, что квантовая частица обладает уникальным свойством находиться в двух местах одновременно благодаря принципу квантовой суперпозиции. Таким образом, когда квантовая частица сталкивается с различными путями в лабиринте, она может принять решение пройти по всем этим путям одновременно, используя суперпозицию. Если подумать, этот процесс очень напоминает парадигму параллельных вычислений. Благодаря квантовой суперпозиции квантовая частица может перемещаться по лабиринту за экспоненциально меньшее время, чем классический бит.

Как квантовый компьютер решил бы лабиринт

Классический бит, с другой стороны, не обладает этой магической способностью суперпозиции. Классический фрагмент легче представить, так как мы можем просто представить себя, идущего по лабиринту. Единовременно мы можем исследовать только один из путей в лабиринте за раз. Если путь, по которому идет классическая частица, заходит в тупик, мы должны вернуться назад и начать заново, выбрав другой путь. Как видите, это трудоемкий процесс, и мы ужасно проиграем, если будем соревноваться с квантовой частицей. Ученые считают, что именно это уникальное свойство квантовых частиц приводит к быстрому темпу вычислений на субатомном уровне.

Как классический компьютер решает лабиринт

Заключение — Мир становится страннее

Мы никогда не можем себе представить, чего может достичь такая новая технология в ближайшие 10 лет. Исследователи работают над созданием полноценных квантовых компьютеров, чтобы решить проблемы, которые сегодня слишком сложны для классических компьютеров. Многие области, такие как криптография, машинное обучение, информационная безопасность, вскоре могут претерпеть кардинальные изменения в связи с появлением возможностей квантовых вычислений. Мир науки и техники с каждым днем становится все более странным и все труднее объяснить. Мы даже не можем себе представить, как вся концепция вычислений может измениться в ближайшие годы, и это меня больше всего волнует!

Понимание квантовой суперпозиции с помощью мысленного эксперимента с котом Шредингера | by Naila Moloo

Многие слышали о мысленном эксперименте с котом Шредингера, но многие не знают, о чем он на самом деле и почему он так важен. Квантовая физика известна тем, что с ней трудно разобраться, и хотя это действительно так, я надеюсь объяснить это явление простыми словами!

Квантовый обзор

Квантовая механика не только позволяет проводить расчеты и прогнозировать результаты большого количества экспериментов, но и подталкивает к созданию новых технологий, позволяя нам лучше понять поведение все вокруг нас. Мы можем понять, как работают атомы, природу частиц, из которых состоит материя, и как они взаимодействуют, и все это с помощью квантово-механических явлений. Хотя квант бросает вызов некоторым фундаментальным постулатам классической физики, он получил признание во всем мире благодаря своим следствиям.

Копенгагенская интерпретация

Долгое время универсальное объяснение, которое отвечало на вопрос, почему квантовая частица может вести себя во многих различных способов было получено с помощью Копенгагенской интерпретации, впервые предложенной физиком Нильсом Бором в 1920 году, хотя Вернер Гейзенберг и Макс Борн среди прочих все еще внесли полезный вклад в мир атомов.

Эта интерпретация утверждает, что квантовая частица может одновременно существовать во всех возможных конфигурациях, называемых когерентной суперпозицией . Эти возможные состояния при суммировании составляют волновую функцию объекта . Когда за системой наблюдают, суперпозиция коллапсирует и может находиться только в одном из состояний этой волновой функции. Поскольку частица каждый раз может быть переведена в разные состояния, именно поэтому она может вести себя по-разному. Многие до сих пор верят в это, но Шредингер нет.

Эксперимент Шредингера

Копенгагенская интерпретация квантовой механики была опровергнута экспериментом Эрвина Шредингера, состоящим из кота и ящика . Шредингер был венским физиком, родившимся в 1887 году, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1933 году. устройство, обнаруживающее излучение. Когда этот прибор почувствует распад радиоактивного материала, он спровоцирует удар молотком по колбе с синильной кислотой, и кошка погибнет. Распространенное заблуждение: на самом деле у Шредингера не было кота, это был просто мысленный эксперимент! Эксперимент проводился в точные временные рамки один час , чтобы сохранить неопределенность — некоторые радиоактивные материалы потенциально могли распасться в течение этого периода времени, но это было также достаточно короткое время, чтобы ничего не могло произойти. Шанс был 50/50 .

Вот как это было — кота поместили в коробку, и поскольку никто не мог его наблюдать, он находился в непознаваемом состоянии . Оно могло быть живым, а могло быть мертвым, поэтому оно находилось и в состоянии жизни, и в состоянии смерти: оно находилось в суперпозиции разложившегося и неразложившегося. Пока кто-нибудь не открыл эту коробку, только тогда можно было гарантировать кошачий исход, и система бесспорно рухнула в одну конфигурацию.

Что это доказало?

Из этого Шредингер сделал вывод, что квантовая суперпозиция не может работать с такими большими объектами/организмами, как кошки, потому что по своей природе невозможно для животного быть одновременно живым и мертвым. Этот эксперимент был проведен с целью показать, насколько абсурдной была бы копенгагенская теория, если бы она была верна!

Эксперимент доказал, что коллапс волновой функции определяется не только наблюдателя в сознании . В реальной жизни результат будет срабатывать, как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, и состояние суперпозиции кота немедленно становится определенным. Оба результата, однако, не могут произойти.

Этот тест не был настоящим экспериментом — вместо этого он иллюстрировал парадокс квантовой суперпозиции и был учебным пособием, чтобы пролить свет на абсурдность квантовой теории, которую люди пытаются распространять . Многие до сих пор пытаются заявить о странности квантовой теории по сравнению с копенгагенской теорией, делая квантовую иллюзию диковинных явлений, однако это не так!

Заключение

Квантовая механика помогает нам понять все, что нас окружает
Копенгагенская интерпретация была предназначена для лучшего понимания квантовой теории, утверждая, что причина, по которой квантовая частица может вести себя различными способами, заключается в том, что она находится в суперпозиции, и состояние наблюдается, это коллапсирует и существует только одна конфигурация частицы
Шредингер не верил, что это правда, поэтому он поместил кота внутрь стального ящика с радиоактивным материалом и счетчиком Гейгера, чтобы при обнаружении распада молоток разобьется колба с синильной кислотой, и кошка умрет; это произошло за 1 час, так что шансы на жизнь или смерть 50/50
Утверждалось, что кошка находится в «суперпозиции» разложения и неразложения до тех пор, пока кто-то не откроет коробку и не увидит фактическое состояние животного. Однако из этого Шредингер сделал вывод, что животное не может быть мертвым и живым. в то же время, как это невозможно!
Этот эксперимент доказал, что коллапс волновой функции объекта или организма определяется не только сознательными наблюдателями, и он должен был показать, что квантовая механика не такая абсурдная и потусторонняя, как ее обычно представляют и как Копенгагенская интерпретация утверждает!

Если вы хотите увидеть больше моих работ, свяжитесь со мной в LinkedIn, Twitter или подпишитесь на мой ежемесячный информационный бюллетень!

Ознакомьтесь с этими дополнительными ресурсами, чтобы узнать больше!

Физика парадокса кота Шрёдингера

Его мысленный эксперимент с кошачьим парадоксом стал одним из основных элементов поп-культуры, но это была работа Эрвина Шрёдингера в квантовой науке…

www.nationalgeographic.com

О коте Шредингера?

Одной из самых причудливых идей о квантовой Вселенной является понятие неопределенных состояний.

В нашем традиционном…

www.forbes.com

Этот поворот парадокса кота Шредингера имеет важное значение для квантовой теории

Каково это быть одновременно живым и мертвым? Этот вопрос раздражал и вдохновлял венгерско-американского физика Юджина…

www.scientificamerican.com

Квантовые зонды, которые не убьют кота Шредингера

Скоро МОЖЕТ быть возможно извлекать информацию из квантового объекта — и даже манипулировать им — без одновременного… Лиза Зига, Phys.org

Наноразмерный ротор (черный стержень) левитирует двумя встречными лазерными лучами. Когда лучи выключаются, квантовое состояние ротора рассеивается в суперпозицию всех возможных ориентаций, за исключением определенных интервалов времени, в которые происходят квантовые возрождения и ротор принимает свою первоначальную ориентацию.

Физики предложили совершенно новый способ проверки принципа квантовой суперпозиции — идею о том, что квантовый объект может существовать в нескольких состояниях одновременно. Новый тест основан на изучении квантового вращения макроскопического объекта, в частности, наноразмерного ротора, который считается макроскопическим, несмотря на его крошечный размер.

До сих пор большинство тестов квантовой суперпозиции основывались на линейном, а не на вращательном движении. Изучая вращательное движение, новый тест может привести к таким приложениям, как измерение крутящего момента с квантовым усилением, и может дать представление о множестве открытых вопросов, например о том, что вызывает коллапс квантовой волновой функции.

Физики во главе с Клаусом Хорнбергером из Университета Дуйсбург-Эссен, Германия, опубликовали статью о предлагаемом тесте в недавнем выпуске New Journal of Physics .

Квантовая суперпозиция возникает потому, что на квантовом уровне частицы ведут себя как волны. Подобно тому, как несколько волн могут перекрывать друг друга, образуя одну новую волну, квантовые частицы могут существовать в нескольких перекрывающихся состояниях одновременно. Если бы квантовая суперпозиция имела место в повседневной жизни, мы могли бы наблюдать такие явления, как кот Шредингера, который одновременно и мертв, и жив, пока его не измерят, заставив его принять одно и то же состояние.

В новой статье исследователи предлагают левитировать наноразмерный ротор с помощью оптического пинцета, который формируется двумя встречно распространяющимися поляризованными лазерными лучами, которые заставляют ротор точно выровняться с поляризацией поля. Однако, когда лучи выключены, прогнозируется, что плотно ориентированный ротор быстро рассредоточится в суперпозиции всех возможных состояний вращения, поскольку он падает на землю из-за силы тяжести.

Анимация, показывающая, как наноротор может раствориться в квантовой суперпозиции состояний вращения, а затем из-за квантовой интерференции претерпеть возрождение, доказывая, что квантовое состояние существовало.

Авторы и права: Джеймс Миллен, Королевский колледж Лондона.

Интересно, что ротору предсказывается «квантовое возрождение», в котором через равные промежутки времени коллективная интерференция всех состояний вращения приводит к повторному возникновению исходного состояния, которое он занимал, когда он был выровнен с лазерные лучи. Ориентацию потенциально можно измерить, освещая ротор слабым зондирующим лазером, а улавливающий лазер можно снова включить, чтобы поймать ротор в этом состоянии до того, как он достигнет земли.

До сих пор ориентационные квантовые возрождения наблюдались только в газах двухатомных молекул. Поскольку наностержни состоят как минимум из 10 000 атомов, они намного больше, чем двухатомные молекулы, что позволяет проверять квантовую механику в неизведанном режиме.

Физики ожидают, что можно будет наблюдать квантовое возрождение наностержней, используя существующие технологии, например, используя углеродную нанотрубку в качестве ротора. Если это так, то наблюдение представляет собой новую макроскопическую проверку квантовой суперпозиции.

«Наблюдая за квантовыми возрождениями, мы надеемся подтвердить квантовую механику в беспрецедентном масштабе массы и сложности, тем самым исследуя границу между квантовой и классической», — сказал Хорнбергер Phys.org .

В будущем соавтор Джеймс Миллен, который сейчас работает в Королевском колледже Лондона, планирует провести предложенный эксперимент по обнаружению макроскопических квантовых возрождений.

«Проверка того, не работает ли квантовая физика при большой массе, — захватывающая, но пугающая задача, — сказал Миллен. «Возможно, нам придется разработать совершенно новые технологии для изоляции наноразмерных частиц или даже проводить эксперименты в космосе. Однако этот эксперимент, который мы предлагаем, открывает совершенно новый путь к исследованию загадочных квантовых эффектов таким способом, который, я твердо верю, возможен с помощью современные технологии. Кроме того, мы сможем использовать эту физику для разработки полезных устройств с беспрецедентной чувствительностью».

Узнайте больше

Как принцип эквивалентности Эйнштейна распространяется на квантовый мир

Дополнительная информация: Бенджамин А. Стиклер и др. «Исследование макроскопических квантовых суперпозиций с помощью нанороторов». Новый журнал физики . DOI: 10.1088/1367-2630/aaece4

Информация журнала: Новый журнал физики

Цитата : Предлагаемый тест квантовой суперпозиции измеряет «квантовое возрождение» (19 декабря 2018 г. ) получено 29 сентября 2022 г. с https://phys.org/news/2018-12-quantum-superposition-revivals.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Введение в квантовые вычисления: кубиты, суперпозиция и др.

Главная/Блог/Введение в квантовые вычисления: кубиты, суперпозиция и др.

19 августа 2021 г. — 10 мин. перекрытие математики, физики и информатики. Хотя сегодня он не получил широкого распространения, он может стать очень полезным инструментом во многих различных отраслях. Квантовые вычисления превосходят классические вычисления по многим параметрам, а это означает, что их можно использовать для решения определенных типов сложных задач. Сегодня мы рассмотрим некоторые из основных аспектов квантовых вычислений, такие как кубиты, квантовая физика, варианты использования и многое другое.

Мы покроем :

Квантовые вычисления и квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры против классических компьютеров
- Что такое квантовое превосходство?
Кубиты
Роль квантовой физики
Примеры использования квантовых вычислений
Подведение итогов и следующие шаги

Квантовые вычисления и квантовые компьютеры

Во-первых, давайте определим, что мы имеем в виду, когда говорим квант . Срок квант исходит из изучения квантовой механики, которая представляет собой область физики, изучающую физические свойства природы в малых атомных и субатомных масштабах. Это основа квантовой физики. Многие работы в этой области описывают поведение и значение малых частиц, таких как атомы, электроны и фотоны.

Квантовые вычисления используют свойства квантовых состояний , такие как запутанность и суперпозиция, для выполнения вычислений. Крупные технологические компании, такие как IBM, Microsoft, Intel и Google, внедряют и инвестируют в квантовые вычисления и проводят исследования в области квантовых вычислений. Мы еще многого не понимаем в квантовом мире, но мы знаем, что у квантовых вычислений есть большой потенциал. Насколько мы понимаем, квантовые компьютеры могут хранить и обрабатывать большие объемы данных, а это означает, что у нас есть много вычислительной мощности для использования в областях, требующих сложные расчеты .

Квантовые компьютеры — это устройства, используемые для выполнения квантовых вычислений. Квантовые компьютеры содержат квантовые процессоры, которые могут изолировать квантовые частицы, чтобы ими можно было манипулировать и изучать. Существуют разные способы управления этими квантовыми частицами. Один из способов — охладить процессор до отрицательных температур. Другой способ – манипулировать частицами с помощью лазеров.

Как работает квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры основаны на квантовая суперпозиция . Суперпозиция позволяет квантовым объектам одновременно существовать более чем в одном состоянии или месте. Это означает, что объект может находиться в двух состояниях одновременно, оставаясь одним объектом. Это позволяет нам исследовать гораздо более богатые наборы состояний.

Квантовые компьютеры используют запутанность кубитов и вероятности суперпозиции для выполнения операций. Этими операциями можно манипулировать так, чтобы определенные вероятности увеличивались или уменьшались, что приводит нас к правильным и неправильным ответам, которые мы ищем. Квантовые компьютеры имеют большой емкости , чтобы взять на себя множество различных путей.

Квантовый компьютер состоит из трех основных частей :

Часть, содержащая кубиты
Деталь, передающая сигналы кубитам
Классический компьютер, который может запускать программы и давать инструкции

Как упоминалось ранее, существуют разные способы манипулирования квантовыми частицами. В некоторых квантовых компьютерах часть, в которой находятся кубиты, поддерживается при температуре замерзания, чтобы улучшить когерентность и минимизировать интерфейс. В других квантовых компьютерах часть, в которой находятся кубиты, находится в вакуумной камере, которая уменьшает вибрации и помогает сбалансировать кубиты. Часть квантового компьютера, которая передает сигналы кубитам, может использовать микроволны, лазеры и напряжение для отправки этих сигналов.

Квантовые компьютеры и классические компьютеры

Давайте рассмотрим некоторые основные различия между квантовыми и классическими компьютерами.

Обработка информации : В то время как обычные компьютеры основаны на транзисторах, которые представляют двоичные числа 0 или 1 , квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты следуют принципу суперпозиции и могут одновременно представлять как 0 , так и 1 .
Мощность : Мощность квантовых компьютеров растет экспоненциально пропорционально количеству кубитов, связанных вместе. Это отличается от того, что происходит в классических вычислениях. Мощность классического компьютера увеличивается линейно с количеством транзисторов.
Приложения : Квантовые компьютеры лучше подходят для сложных задач, таких как задачи оптимизации, анализ и обработка данных, а также моделирование. Классические компьютеры лучше подходят для наших повседневных нужд.
Строительные блоки : Сверхпроводящие устройства квантового интерфейса (СКВИД) или квантовые транзисторы являются основными строительными блоками квантовых компьютеров. В классических компьютерах используются КМОП-транзисторы.
Обработка данных : В квантовых вычислениях обработка данных происходит в блоке квантовой обработки (QPU), который состоит из взаимосвязанных кубитов. В классических вычислениях обработка данных происходит в центральном процессоре (ЦП), который состоит из арифметико-логического блока (АЛУ, регистров процессора и блока управления)9. 0003
Представление информации : Классические компьютеры используют биты, а квантовые компьютеры используют кубиты.
Скорость : Квантовые компьютеры могут решать определенные задачи в сотни миллионов раз быстрее, чем традиционные компьютеры. Например, в 2019 году квантовый компьютер Google менее чем за четыре минуты выполнил расчет, на который самому мощному суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет.

Что такое квантовое превосходство?

Многие организации, занимающиеся квантовыми вычислениями, стремятся к квантовому превосходству. Квантовое превосходство продемонстрирует квантовое устройство, способное решить проблему, которую не может решить ни один классический компьютер за приемлемое время. Хотя современные квантовые компьютеры добились удивительных достижений, мы все еще не можем доказать квантовое превосходство для решения полезных задач реального мира.

Кубиты

Квантовый бит или кубит может представлять собой ноль, единицу или и то, и другое одновременно. это базовая единица квантовой информации , и это наименьшая возможная единица цифровой информации. Квантовая информация — это данные для квантовых состояний. Кубит можно построить, используя любую двухуровневую квантовую систему. Существует множество способов создания кубитов. В отличие от транзисторов в классических вычислениях, мы до сих пор не знаем оптимальный способ построения кубита. Это большое направление в исследованиях квантовых вычислений.

Мы можем манипулировать состоянием кубитов для выполнения осмысленных квантовых вычислений. Кубит может иметь много разных состояний . Одним из ключевых аспектов является то, что все квантовые операции должны быть обратимыми. Квантовые логические вентили — это базовые квантовые схемы, работающие с небольшим количеством кубитов. Они являются строительными блоками квантовых схем и выполняют операции над кубитами. Квантовые схемы состоят из комбинации нескольких квантовых вентилей, применяемых к некоторым кубитам.

Сверхпроводящие кубиты

Сверхпроводящие квантовые вычисления — это реализация квантовых вычислений. Такие компании, как Google, IBM и Intel, исследуют сверхпроводящие квантовые вычисления. Сверхпроводящие кубиты имеют быстрее ворот, чем , и являются твердотельными конструкциями. Это самые передовые технологии кубитов, и они созданы с использованием существующих полупроводниковых технологий.

Продолжайте учиться бесплатно.

Начните работу с квантовыми вычислениями бесплатно с нашей 1-недельной образовательной неограниченной пробной версией. Текстовые курсы Educative легко просматриваются и включают живую среду кодирования, что делает обучение быстрым и эффективным.

Основы квантовых вычислений

Роль квантовой физики

Теперь мы перейдем к некоторым аспектам квантовой физики и их роли в квантовых вычислениях.

Квантовая интерференция

Квантовая интерференция является побочным продуктом суперпозиции. Это позволяет нам смещать измерение кубита в сторону желаемого состояния или набора состояний. Помните, что кубит может быть нулем, единицей или обоими одновременно из-за суперпозиции. Кубиты имеют определенную вероятность коллапса до нуля или единицы в зависимости от их расположения. Эта вероятность определяется квантовой интерференцией. Короче говоря, квантовая интерференция позволяет нам влиять на состояние кубита, чтобы повлиять на вероятность желаемый результат .

Квантовая запутанность

Одно из квантовых свойств, связанных с квантовыми вычислениями, называется запутанностью. Квантовая запутанность позволяет двум или более квантовым частицам запутаться. Когда эти частицы запутываются, они становятся единой системой . Это означает, что все квантовые частицы в этой запутанности описываются как одна единица. Квантовая запутанность дает кубитам большую вычислительную мощность, потому что добавляет больше кубитов в систему. Всякий раз, когда мы применяем операцию к одной частице, она также коррелирует с другими запутанными частицами.

Квантовая декогерентность

Квантовая декогерентность — это аспект квантовой физики, который препятствует прогрессу квантовых вычислений. Когда мы пытаемся наблюдать или измерять квантовые частицы, это может разрушить состояние суперпозиции. Это называется декогеренцией. Квантовая декогеренция приводит к ошибкам в квантовых вычислительных системах. Это затрудняет сохранение суперпозиций в течение достаточно долгого времени для выполнения действительно полезных вычислений.

Длина когерентности относится к количеству времени, в течение которого кубит может сохранять свои квантовые свойства. Чтобы увеличить эту длину и создать отказоустойчивые квантовые компьютеры, нам нужно использовать квантовую коррекцию ошибок (QEC). Мы можем использовать QEC для увеличения длины когерентности, исправляя ошибки декогерентности.

Примеры использования квантовых вычислений

Квантовые вычисления имеют множество реальных применений. Современные исследователи ищут лучшие квантовые алгоритмы, которые превзойдут классические алгоритмы. Хотя нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем использовать квантовые вычисления в больших и полезных масштабах, мы уже знаем некоторые области и отрасли, которые выиграют от квантовых вычислений. Давайте взглянем на некоторые из его потенциальных применений:

Поиск

Квантовые алгоритмы могут помочь ускорить поиск неструктурированных данных.

Квантовое моделирование

Квантовые компьютеры могут моделировать другие квантовые системы, потому что в их вычислениях используются квантовые явления. Это означает, что мы можем моделировать более сложные квантовые системы, такие как фотосинтез и сверхпроводимость.

Оптимизация

Квантовые вычисления могут помочь нам в решении задач оптимизации. Мы можем запускать алгоритмы квантовой оптимизации, чтобы найти лучшие способы управления сложными системами, такими как доставка пакетов и потоки трафика.

Криптография

Алгоритмы квантовой криптографии могут взломать традиционные криптографические ключи, которые в настоящее время слишком сложны для взлома классических компьютеров.

Здравоохранение

Квантовые вычисления могут помочь улучшить такие вещи, как ценообразование, диагностическая помощь, визуализация и точная медицина.

Финансы

Квантовые алгоритмы могут помочь ускорить важные финансовые расчеты, что поможет нам делать более обоснованные прогнозы.

Химическая и биологическая инженерия

Химическая и биологическая инженерия состоит из движения и взаимодействия квантовой механики. Возможность моделировать квантовую механику была одним из главных мотивов Ричарда Фейнмана при создании квантового компьютера. Квантовое моделирование могло бы помочь инженерам предсказывать свойства новых молекул, что помогло бы нам в открытии материалов и разработке фармацевтики.

Искусственный интеллект

Квантовые вычисления могут помочь нам обрабатывать очень большие объемы данных, чтобы помочь нам принимать более обоснованные решения и прогнозы в мире ИИ. Квантовое машинное обучение — это растущая область, в которой основное внимание уделяется тому, как квантовые алгоритмы могут помочь ускорить работу ИИ.

Подведение итогов и следующие шаги

Поздравляем с первыми шагами в области квантовых вычислений! Мы все еще находимся на ранних этапах превращения квантовых вычислений в реальность. Предстоит еще много работы и исследований. Хотя квантовые вычисления еще не совсем готовы для всего мира, они могут стать очень мощным инструментом во многих различных отраслях.

Мы рассмотрели только из основных сведений о квантовых вычислениях. Есть еще чему поучиться, например:

Алгоритм Шора
Моделирование квантовых состояний
Библиотеки и платформы для квантовых вычислений

Чтобы начать изучение этих и других концепций, ознакомьтесь с курсом Educative «Основы квантовых вычислений» . В этом кураторском курсе вы познакомитесь с основами квантовых вычислений, такими как кубиты, квантовые вентили и квантовые алгоритмы. К концу у вас будет основа для изучения других приложений квантовых вычислений.

Приятного обучения!

НАПИСАЛ BYErin Schaffer

Присоединяйтесь к сообществу, насчитывающему более 1,4 миллиона читателей. Бесплатное электронное письмо раз в два месяца с обзором лучших статей и советов по программированию на сайте Educative.

Определение, как оно используется и пример

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — это область информатики, в которой используются принципы квантовой теории. Квантовая теория объясняет поведение энергии и вещества на атомном и субатомном уровнях.

Квантовые вычисления используют субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Квантовые биты, или кубиты, позволяют этим частицам существовать более чем в одном состоянии (т. е. 1 и 0) одновременно.

Теоретически связанные кубиты могут «использовать интерференцию между своими волнообразными квантовыми состояниями для выполнения вычислений, на которые в противном случае ушли бы миллионы лет».

Классические компьютеры сегодня используют поток электрических импульсов (1 и 0) в двоичной форме для кодирования информации в битах. Это ограничивает их вычислительную способность по сравнению с квантовыми вычислениями.

Ключевые выводы

Квантовые вычисления используют явления квантовой физики для создания новых способов вычислений.
В квантовых вычислениях используются кубиты.
В отличие от обычного компьютерного бита, который может принимать значения 0 или 1, кубит может существовать в многомерном состоянии.
Мощность квантовых компьютеров растет экспоненциально с увеличением количества кубитов.
Классические компьютеры, добавляющие больше битов, могут увеличивать мощность только линейно.

Понимание квантовых вычислений

Область квантовых вычислений возникла в 1980-х годах. Было обнаружено, что некоторые вычислительные задачи можно решать с помощью квантовых алгоритмов более эффективно, чем с помощью их классических аналогов.

Квантовые вычисления способны просеивать огромное количество возможностей и извлекать потенциальные решения сложных проблем и задач. В то время как классические компьютеры хранят информацию в виде битов с нулями или единицами, квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты несут информацию в квантовом состоянии, которое включает в себя 0 и 1 многомерным образом.

Такой огромный вычислительный потенциал и предполагаемый размер рынка для его использования привлекли внимание некоторых из наиболее известных компаний. К ним относятся IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen и Amgen.

Использование и преимущества квантовых вычислений

Квантовые вычисления могут внести большой вклад в области безопасности, финансов, военного дела и разведки, разработки и открытия лекарств, аэрокосмического проектирования, коммунальных услуг (ядерный синтез), проектирования полимеров, машинного обучения, искусственного интеллекта (ИИ), поиска больших данных и цифровых технологий. производство.

Квантовые компьютеры могут быть использованы для улучшения безопасного обмена информацией. Или улучшить радары и их способность обнаруживать ракеты и самолеты. Еще одна область, в которой, как ожидается, помогут квантовые вычисления, — это защита окружающей среды и поддержание чистоты воды с помощью химических датчиков.

Вот некоторые потенциальные преимущества квантовых вычислений:

Финансовые учреждения могут использовать квантовые вычисления для разработки более эффективных и действенных инвестиционных портфелей для розничных и институциональных клиентов. Они могли бы сосредоточиться на создании лучших торговых симуляторов и улучшить обнаружение мошенничества.
Отрасль здравоохранения может использовать квантовые вычисления для разработки новых лекарств и генетически ориентированной медицинской помощи. Это также может способствовать более продвинутым исследованиям ДНК.
Для более надежной онлайн-безопасности квантовые вычисления могут помочь разработать более эффективное шифрование данных и способы использования световых сигналов для обнаружения злоумышленников в системе.
Квантовые вычисления можно использовать для разработки более эффективных и безопасных самолетов и систем планирования движения.

40%

Процент крупных компаний, планирующих реализовать инициативы в области квантовых вычислений к 2025 году, согласно исследованию Gartner.

Особенности квантовых вычислений

Суперпозиция и запутанность — две особенности квантовой физики, на которых основаны квантовые вычисления. Они позволяют квантовым компьютерам выполнять операции со скоростью, экспоненциально превышающей скорость обычных компьютеров, и с гораздо меньшим потреблением энергии.

Суперпозиция

По мнению IBM, выдающимся является то, на что способен кубит, а не то, что он из себя представляет. Кубит переводит содержащуюся в нем квантовую информацию в состояние суперпозиции. Имеется в виду комбинация всех возможных конфигураций кубита. «Группы кубитов в суперпозиции могут создавать сложные многомерные вычислительные пространства. В этих пространствах сложные проблемы могут быть представлены по-новому».

Запутывание

Запутанность является неотъемлемой частью мощности квантовых вычислений. Можно заставить пары кубитов запутаться. Это означает, что два кубита существуют в одном состоянии. В таком состоянии изменение одного кубита напрямую влияет на другой предсказуемым образом.

Квантовые алгоритмы предназначены для использования этой взаимосвязи для решения сложных задач. В то время как удвоение количества битов в классическом компьютере удваивает его вычислительную мощность, добавление кубитов приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности и возможностей.

Декогеренция

Декогеренция возникает, когда квантовое поведение кубитов затухает. Квантовое состояние может быть мгновенно нарушено вибрациями или изменениями температуры. Это может привести к тому, что кубиты выпадут из суперпозиции и вызовут ошибки в вычислениях. Важно, чтобы кубиты были защищены от такого вмешательства, например, переохлаждаемыми холодильниками, изоляцией и вакуумными камерами.

Ограничения квантовых вычислений

Квантовые вычисления предлагают огромный потенциал для развития и решения проблем во многих отраслях. Однако в настоящее время он имеет свои ограничения.

Декогеренция, или распад, может быть вызвана малейшим возмущением в окружении кубита. Это приводит к краху вычислений или ошибкам в них. Как отмечалось выше, квантовый компьютер должен быть защищен от всех внешних помех на этапе вычислений.
Исправление ошибок на этапе вычислений не доведено до совершенства. Это делает вычисления потенциально ненадежными. Поскольку кубиты не являются цифровыми битами данных, они не могут извлечь выгоду из традиционных решений по исправлению ошибок, используемых классическими компьютерами.
Получение результатов вычислений может привести к повреждению данных. Такие разработки, как особый алгоритм поиска в базе данных, который гарантирует, что акт измерения приведет к декогерентизации квантового состояния в правильный ответ, обещают.
Безопасность и квантовая криптография еще не полностью разработаны.
Недостаток кубитов не позволяет квантовым компьютерам реализовать свой потенциал эффективного использования. Исследователям еще предстоит произвести более 128.

По словам мирового лидера в области энергетики Ибердола, «квантовые компьютеры должны иметь почти полное отсутствие атмосферного давления, температуру окружающей среды, близкую к абсолютному нулю (-273°C), и изоляцию от магнитного поля Земли, чтобы атомы не двигались, не сталкивались друг с другом или взаимодействие с окружающей средой».

«Кроме того, эти системы работают только в течение очень коротких промежутков времени, так что информация становится поврежденной и не может быть сохранена, что еще больше затрудняет восстановление данных».

Квантовый компьютер против классического компьютера

Квантовые компьютеры имеют более простую структуру, чем классические компьютеры. У них нет памяти и процессора. Все, что использует квантовый компьютер, — это набор сверхпроводящих кубитов.

Квантовые компьютеры и классические компьютеры обрабатывают информацию по-разному. Квантовый компьютер использует кубиты для запуска многомерных квантовых алгоритмов. Их вычислительная мощность увеличивается экспоненциально по мере добавления кубитов. Классический процессор использует биты для работы различных программ. Их мощность увеличивается линейно по мере добавления большего количества битов. Классические компьютеры имеют гораздо меньшую вычислительную мощность.

Классические компьютеры лучше всего подходят для повседневных задач и имеют низкий уровень ошибок. Квантовые компьютеры идеально подходят для задач более высокого уровня, например, для моделирования, анализа данных (например, для испытаний химических веществ или лекарств), создания энергоэффективных батарей. Они также могут иметь высокий уровень ошибок.

Классические компьютеры не нуждаются в особом уходе. Они могут использовать базовый внутренний вентилятор, чтобы не перегреваться. Квантовые процессоры должны быть защищены от малейших вибраций и храниться в крайне холодных условиях. Для этого необходимо использовать переохлажденные сверхтекучие жидкости.

Квантовые компьютеры дороже и сложнее в сборке, чем классические компьютеры.

В 2019 году Google доказал, что квантовый компьютер может решить проблему за считанные минуты, в то время как классическому компьютеру для этого потребовалось бы 10 000 лет.

Квантовые компьютеры в разработке

Google

Google тратит миллиарды долларов на создание своего квантового компьютера к 2029 году. Компания открыла кампус в Калифорнии под названием Google AI, чтобы помочь ей достичь этой цели. После разработки Google сможет запустить службу квантовых вычислений через облако.

IBM

IBM планирует создать квантовый компьютер на 1000 кубитов к 2023 году. На данный момент IBM предоставляет доступ к своим машинам тем исследовательским организациям, университетам и лабораториям, которые являются частью ее квантовой сети.

Майкрософт

Microsoft предлагает компаниям доступ к квантовым технологиям через платформу Azure Quantum.

Прочие

Интерес к квантовым вычислениям и их технологиям проявляют финансовые компании, такие как JPMorgan Chase и Visa.

Что такое квантовые вычисления простыми словами?

Квантовые вычисления относятся к вычислениям, выполняемым квантовым компьютером. По сравнению с традиционными вычислениями, выполняемыми классическим компьютером, квантовый компьютер должен хранить гораздо больше информации и работать с более эффективными алгоритмами. Это позволяет быстрее решать чрезвычайно сложные задачи.

Насколько сложно построить квантовый компьютер?

Создание квантового компьютера занимает много времени и очень дорого. Google работал над созданием квантового компьютера в течение многих лет и потратил миллиарды долларов. Ожидается, что квантовый компьютер будет готов к 2029 году.. IBM надеется создать квантовый компьютер на 1000 кубитов к 2023 году.

Сколько стоит квантовый компьютер?

Создание квантового компьютера стоит миллиарды долларов. Тем не менее, китайская компания Shenzhen SpinQ Technology планирует продавать настольный квантовый компьютер стоимостью 5000 долларов США потребителям для школ и колледжей. В прошлом году компания начала продавать квантовый компьютер за 50 000 долларов.

Насколько быстр квантовый компьютер?

Квантовый компьютер во много раз быстрее классического компьютера или суперкомпьютера. Говорят, что находящийся в разработке квантовый компьютер Google, Sycamore, выполнил расчет за 200 секунд, по сравнению с 10 000 лет, которые потребовались бы для его решения одному из самых быстрых компьютеров в мире, IBM Summit. IBM оспорила заявление Google, заявив, что ее суперкомпьютер может выполнить расчет за 2,5 дня. Тем не менее, это в 1000 раз медленнее квантовой машины Google.

Итог

Квантовые вычисления сильно отличаются от классических вычислений. Он использует кубиты, которые могут быть 1 или 0 одновременно. Классические компьютеры используют биты, которые могут быть только 1 или 0.

В результате квантовые вычисления стали намного быстрее и мощнее. Ожидается, что он будет использоваться для решения множества чрезвычайно сложных, стоящих задач.

Хотя в настоящее время у него есть свои ограничения, он готов к использованию многими крупными компаниями в бесчисленных отраслях.

Что такое квантовая механика? | Институт квантовых вычислений

Наша квантовая реальность

Квантовая механика предлагает нам способ описания атомного мира с удивительной степенью точности. Его предсказания часто бросают вызов нашей интуиции мира.

Все замечательные и удивительные квантовые явления происходят из того факта, что вероятность лежит в основе квантовой механики. Мы никогда не можем знать наверняка, что произойдет. Мы можем только знать, насколько вероятно, что что-то может произойти.

Основы квантовой механики

Два золотых правила квантовой механики
Корпускулярно-волновой дуализм
Квантовая суперпозиция
Помехи
Квантовое измерение
Квантование
Туннельное строительство
Декогеренция
Запутывание
Эксперимент с двумя щелями

ДВА ЗОЛОТЫХ ПРАВИЛА КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Правило 1: Частица может находиться в квантовой суперпозиции, где она ведет себя так, как будто она и и здесь, и там.

Правило 2: При измерении частица будет найдена либо здесь, либо там.

Многие явления, предсказанные квантовой механикой, можно понять, используя эти два простых правила. Эти правила применимы к положению, а также ко многим другим квантовым переменным, таким как импульс, спин и поляризация. Они также могут быть расширены до более чем двух возможностей.

ДВОЙСТВЕННОСТЬ ВОЛНА-ЧАСТИЧЦА

В начале 1900-х годов ученые думали, что материя состоит из частиц, а свет действует как волна. Теперь мы знаем, что это не так. Свет может излучаться только единицами, называемыми фотонами, а это означает, что мы можем считать свет так же, как считали бы шарики. Большие молекулы могут создавать конструктивные и деструктивные интерференционные картины, как волны на воде. Дуализм волна-частица — это идея о том, что материя и свет могут вести себя и как волны, и как частицы.

URL-адрес удаленного видео

Посмотреть на YouTube

URL-адрес удаленного видео

Посмотреть на YouTube

Корпускулярно-волновая природа квантовых объектов описывается волновой функцией. Вместо того, чтобы быть волной энергии, такой как звуковая волна или волна воды, волновая функция является волной вероятности. Понимание квантовых волновых функций позволяет нам понять случайную природу микроскопического мира. Ключевым моментом является то, что волновая функция учитывает все возможности того, что может произойти одновременно, и их относительную вероятность. Волновая функция является центральным понятием квантовой механики и приводит ко многим странным следствиям.

КВАНТОВАЯ СУПЕРПОЗИЦИЯ

Суперпозиция это свойство волн, которое гласит, что если мы сложим волны вместе, мы получим другую, новую волну.

Вы уже знакомы с суперпозицией! Подумайте о струнах на гитаре. Струны A, B и E на гитаре создают звуковую волну. Сложив их вместе, мы получим новую звуковую волну — аккорд.

Поскольку квантовые частицы имеют волновую природу, они могут находиться в квантовой суперпозиции различных состояний. Например, если частица находится в суперпозиции двух мест, она ведет себя так, как будто находится в обоих местах одновременно, то есть что-то может быть «здесь» и «там» или «вверху» и «внизу». в то же время.

URL удаленного видео

Посмотреть на YouTube

ПОМЕХИ

Интерференция возникает при встрече двух или более волн. Их максимумы и минимумы могут накладываться друг на друга, что называется конструктивной интерференцией , или компенсировать друг друга, что называется деструктивной интерференцией .

В квантовом мире из-за того, что частицы ведут себя как волны, в игру вступает квантовая интерференция. Конструктивная интерференция увеличивает вероятность определенных вещей, например обнаружения частицы в определенном месте, тогда как деструктивная интерференция снижает эту вероятность.

Упражнение: Измерение ширины волос

Человеческий волос слишком тонкий, чтобы его можно было измерить линейкой. Можем ли мы измерить его с помощью световой интерференции? Попробуйте выполнить это задание дома, чтобы узнать.

КВАНТОВОЕ ИЗМЕРЕНИЕ И ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

В классическом мире мы можем измерить один и тот же объект несколькими способами. Если у меня есть яблоко, я могу измерить его цвет, размер и вес с помощью одного и того же яблока. Измерение цвета яблока не должно внезапно изменить его вес.

В квантовом мире мы не всегда можем измерить один и тот же объект несколькими способами. Один известный пример заключается в том, что мы можем точно измерить положение электрона, только если мы игнорируем его импульс. Это явление известно как принцип неопределенности , который описывает, как измерение одного свойства квантовой частицы неизбежно нарушает другое свойство.

Квантовая неопределенность имеет фундаментальное значение для изучения квантовой информации. Если в классическом мире у нас есть двусторонняя монета, есть только один способ ее измерить: орел или решка? Квантовая монета, с другой стороны, может быть измерена бесконечным количеством несовместимых способов, измеряя, является ли она орлом, решкой или суперпозицией того и другого.

URL удаленного видео

Посмотреть на YouTube

КВАНТОВАНИЕ

Квантование относится к тому факту, что допускаются только определенные дискретные значения свойства. Например, дискретная высота, которую вы достигаете на лестничном пролете, отличается от непрерывной высоты, которую вы можете достичь на пандусе.

В музыке гитарная струна может вибрировать только на определенных частотах, называемых гармониками, так как все другие возможные частоты волн разрушающе интерферируют. В квантовой механике мы видим подобное поведение для света, атомов и многого другого.

Квантование квантовых свойств является следствием волнообразной природы частиц. Свойства ограниченных квантовых частиц, такие как их энергия, ограничены дискретными или «квантованными» значениями, которые в противном случае могли бы быть непрерывными. Резкие цвета неоновой лампы — пример квантования, который вы можете видеть.

Спектр излучения гелия. Когда электрический разряд проходит через вещество, его атомы и молекулы поглощают энергию, которая переизлучается в виде электромагнитного (ЭМ) излучения, чаще всего в виде видимого света. Дискретный характер этих излучений подразумевает, что энергетические состояния атомов и молекул квантуются. Такие атомные спектры использовались в качестве аналитических инструментов в течение многих десятилетий, прежде чем стало понятно, почему они квантуются.

ТОННЕЛИРОВАНИЕ

Представьте, что вы пытаетесь катить мяч по холму. Наш опыт говорит нам, что если мы не будем катить мяч с достаточной скоростью, он не преодолеет холм.

Квантовая физика говорит нам, что если бы мяч был квантовой частицей, то не было бы необходимости в скорости. Из-за своего волнообразного поведения есть небольшой шанс, что он может пройти через холм и появиться на другой стороне! Мы называем этот эффект квантовым туннелированием .

ДЕКОГЕРЕНЦИЯ

Квантовые состояния деликатны. Нежелательные взаимодействия с окружением могут повлиять на суперпозицию, в результате чего состояние рухнет, как будто оно измеряется. Мы называем это декогеренцией .

Мы можем бороться с декогерентностью, изолируя квантовые частицы от их окружения путем охлаждения или помещения их в вакуум.

Несмотря на то, что декогеренция доставляет неудобства, мы все же можем использовать ее в своих интересах для создания сверхчувствительных сенсоров.

Ученые борются с декогеренцией, охлаждая квантовые частицы до очень низких температур. На долю градуса выше абсолютного нуля окружающая среда очень спокойна. Это позволяет квантовым частицам оставаться в состояниях суперпозиции намного дольше и позволяет нам управлять ими более легко и с большей точностью.

ЗАПУТКА

Когда вы можете что-то сказать об одном объекте, глядя на другой, мы называем эти объекты коррелированными. Например, если вы вытащите левый ботинок из обувной коробки, вы можете быть уверены, что оставшийся ботинок наденет вашу правую ногу.

Квантовые частицы могут иметь особый тип корреляции, называемый запутанностью , когда два объекта настолько сильно коррелированы, что свойства одного невозможно описать без учета свойств другого. Вместо того, чтобы описываться двумя отдельными волновыми функциями, запутанные объекты описываются одной общей волновой функцией.

Запутанность описывает состояние суперпозиции нескольких квантовых частиц, таких как два электрона. В то время как свойства электронов по отдельности могут быть весьма неопределенными, их свойства при совместном измерении могут быть невероятно предсказуемы. Например, волновые функции двух запутанных по положению электронов могут распространяться в большом пространстве, но когда мы измеряем один электрон, мы сразу же точно знаем, где находится другой. Запутанность можно увидеть между квантовыми частицами, даже если мы разделяем их на огромные расстояния, а некоторые эксперименты показывают, что запутанность сохраняется на протяжении сотен километров.

URL удаленного видео

Посмотреть на YouTube

ЭКСПЕРИМЕНТ С ДВУМЯ ЩЕЛЬЯМИ

Эксперимент с двумя щелями является краеугольным камнем в квантовой механике, который аккуратно связывает воедино концепции суперпозиции, интерференции, неопределенности, измерения и квантования.

Когда свет проходит через узкий объект, например тонкую щель, он распространяется. Когда мы помещаем рядом две тонкие щели, свет, проходящий через одну, распространяется на свет от другой. Глядя на свет вдали от щелей, мы можем увидеть области конструктивной интерференции, где свет более интенсивен, и области деструктивной интерференции, где света нет вообще. Мы можем понять это как световые волны, которые распространяются из левой щели мешает световым волнам, распространяющимся из правой щели.

Но из квантования мы знаем, что свет излучается дискретными порциями, называемыми фотонами. Что произойдет, если мы отправим один фотон в эксперимент с двумя щелями? Если мы измерим, через какую щель проходит фотон, поместив фотонный детектор сразу после каждой щели, мы увидим, что он проходит только через одну или другую щель. Но если мы измерим далеко от щелей, мы увидим интерференционную картину, которая нарастает медленно, по одному фотону за раз:

Источник видео: P.