Inseparabilitatea cuantică – Teoria variabilelor ascunse

Inseparabilitatea cuantică este un fenomen fizic care apare atunci când mai mulți qubiți sunt corelați între ei. Inseparabilitatea poate avea consecințe ciudate și utile care ar putea face computerele cuantice mai rapide decât computerele clasice. Qubiții pot fi „inseparați”, oferind informații cuantice ascunse care nu există în lumea clasică. Această inseparabilitate este unul dintre principalele avantaje ale lumii cuantice!

7.1 Fundamentele inseparabilității

Pentru a oferi un exemplu al comportamentului ciudat al inseparabilității, să presupunem că avem două monede corecte. Clasic, dacă ați arunca două monede corecte de mai multe ori, ați măsura rezultatele HH, HT, TH sau TT, fiecare apărând cu o probabilitate de 25%. Cu toate acestea, prin inseparabilitatea cuantică a acestor două monede corecte, este posibil să se creeze o stare (1/√2)(|HH⟩ + |TT⟩), așa cum este ilustrat în Fig. 7.1. Sunt posibile multe alte tipuri de stări inseparabile, dar acesta este un exemplu faimos numit stare Bell. Dacă ați arunca în sus această pereche de monede „inseparate”, acestea sunt inseparate într-un mod care permite doar două rezultate ale măsurării: (1) ambele monede aterizează pe cap; sau (2) ambele monede aterizează pe pajură; fiecare rezultat având o probabilitate de 50%. Nu ați vedea niciodată HT sau TH!

Fig. 7.1 Două monede care sunt inseparate astfel încât să aterizeze ambele fie HH, fie TT.

Mai mult, dacă cele două monede inseparate sunt separate de mii de kilometri, o monedă poate fi aruncată și măsurată. În acest caz, dacă moneda măsurată a produs rezultatul cap, atunci știm automat că și cealaltă monedă trebuie să aterizeze pe cap. Dacă moneda măsurată a produs rezultatul pajură, atunci știm automat că și cealaltă monedă trebuie să aterizeze pe pajură! Dacă acest lucru nu este suficient de ciudat, acest lucru pare să sugereze că cele două monede pot transmite informații instantaneu și, posibil, chiar mai repede decât viteza luminii (cea mai mare viteză din Univers), așa cum se arată în Fig. 7.2. Dacă cele două monede sunt aruncate în același timp, cumva cele două monede știu să aterizeze pe aceeași parte ca cealaltă, chiar dacă nu poate exista o comunicare clasică între ele.

Fig. 7.2 Două monede sunt separate fără nicio modalitate de comunicare între ele. În mod clasic, aruncarea celei de-a doua monede nu ar avea legătură cu prima aruncare. Cu toate acestea, monedele inseparate ar produce în continuare rezultate corelate.

Cum „știe” cealaltă monedă instantaneu ce a fost măsurat pe cealaltă? Se transmite cumva informația mai repede decât viteza luminii? Einstein a numit acest comportament o „acțiune înfricoșătoare la distanță”[1]. De atunci s-a demonstrat că nicio informație nu se transmite dintr-un loc în altul și, prin urmare, nicio informație nu se transmite mai repede decât viteza luminii. Mai degrabă, particulele împărtășesc informații non-clasice în momentul înseparabilității, care este apoi observată în procesul de măsurare. Corelația dintre qubiții înseparabili este cheia care permite computerelor cuantice să efectueze anumite calcule mult mai rapid decât computerele clasice.

Teoria variabilelor ascunse

Este tentant să credem că ar putea exista o explicație clasică pentru inseparabilitate. A schimbat inseparabilitatea monedele corecte prin adăugarea de masă suplimentară pe partea cu capul sau pe partea cu coada, făcându-le astfel incorecte? Pentru a oferi un exemplu mai realist într-un sistem clasic, să luăm în considerare o particulă care se dezintegrează în două particule mai ușoare. Momentele acestor trei particule sunt legate prin conservarea impulsului: p_i = p_f1 + p_f2. Având în vedere un impuls inițial total cunoscut, atunci prin măsurarea impulsului uneia dintre particulele din starea finală, putem determina impulsul celeilalte particule din starea finală. În concluzie, prin măsurarea impulsului unei particule, o cunoaștem pe cealaltă. Impulsul este variabila clasică ascunsă care este codificată atunci când cele două particule sunt create. Acest lucru este arătat în Fig. 7.3. Firește, se pune întrebarea: există o variabilă ascunsă conceptual similară în situația mecanicii cuantice?

Cu toate acestea, teorema lui Bell[2] a demonstrat că corelația dintre particulele cuantice inseparabile este mai mare decât ceea ce este posibil în mod clasic, infirmând ideea unei variabile ascunse. Toate celelalte potențiale lacune au fost rezolvate începând cu 2016[3]. Ca atare, inseparabilitatea este un fenomen pur cuantic, fără o explicație clasică.

Fig. 7.3 Când o particulă se dezintegrează în două particule mai mici, produșii de dezintegrare sunt „inseparați în mod clasic”, conform principiului conservării impulsului.

Note

[1] “Bounding the speed of spooky action at a distance.” Physical Review Letters. 110: 260407. 2013. arXiv:1303.0614.

[2] https://brilliant.org/wiki/bells-theorem/.

[3] The BIG Bell Test Collaboration (9 mai 2018). “Challenging local realism with human choices.” Nature. 557: 212–216. doi:10.1038/s41586-018-0085-3.

Sursa: Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner (2021) Quantum Computing for the Quantum Curious, Springer Cham, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61601-4, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu