Stările Bell (perechile EPR) în știința informației cuantice

În știința informației cuantice, stările Bell sau perechile EPR  sunt stări cuantice specifice a doi qubiți (unitate de informație cuantică), care reprezintă cele mai simple exemple de inseparabilitate cuantică. Stările Bell sunt o formă de vectori de bază inseparați și normalizați. Această normalizare implică faptul că probabilitatea globală ca particulele să se afle într-una din stările menționate este 1: ⟨Φ|Φ⟩ = 1. Insepararea este un rezultat independent de bază al superpoziíei. Datorită acestei superpoziíi, măsurarea qubitului îl va „colapsa” într-una dintre stările sale de bază cu o probabilitate dată. Din cauza inseparabilității, măsurarea unui qubit va „colapsa” celălalt qubit într-o stare a cărei măsurare va produce una dintre cele două valori posibile, unde valoarea depinde de starea Bell în care se află inițial cei doi qubiți. Stările Bell pot fi generalizate la anumite stări cuantice ale sistemelor multi-qubit, cum ar fi starea GHZ pentru trei sau mai multe subsisteme.

Înțelegerea stărilor Bell este utilă în analiza comunicării cuantice, cum ar fi codarea superdensă și teleportarea cuantică.[3] Teorema fără comunicare împiedică acest comportament să transmită informații mai repede decât viteza luminii.

Stările Bell

Stările Bell sunt patru stări cuantice specifice maximal inseparate de doi qubiți. Ele sunt într-o suprapunere de 0 și 1 – o combinație liniară a celor două stări. Insepararea lor înseamnă următoarele:

Qubit-ul deținut de Alice (indicele „A”) poate fi într-o suprapunere de 0 și 1. Dacă Alice și-ar măsura qubitul în baza standard, rezultatul ar fi fie 0, fie 1, fiecare cu probabilitate 1/2; dacă Bob (indicele „B”) și-ar măsura și el qubitul, rezultatul ar fi același ca și pentru Alice. Astfel, Alice și Bob ar avea fiecare un rezultat aleatoriu. Prin comunicare, ei vor descoperi că, deși rezultatele lor păreau aleatorii separat, acestea erau perfect corelate.

Această corelație perfectă la distanță este specială: poate că cele două particule s-au pus „în acord” în avans, atunci când a fost creată perechea (înainte de separarea qubiților), rezultat care l-ar arăta în cazul unei măsurători.

Prin urmare, conform lui Einstein, Podolsky și Rosen în faimoasa lor „Lucrare EPR” din 1935, lipsește ceva din descrierea perechii de qubiți prezentată mai sus – și anume acest „acord”, numit mai formal drept variabilă ascunsă. În faimoasa sa lucrare din 1964, John S. Bell a arătat prin argumente simple ale teoriei probabilităților că aceste corelații (cea pentru bazele 0, 1 și cea pentru bazele +, −) nu pot fi perfecte ambele prin utilizarea oricărei „preacord” stocat în unele variabile ascunse, dar mecanica cuantică prezice corelații perfecte. Într-o formulare mai rafinată cunoscută sub numele de inegalitatea Bell-CHSH, se arată că o anumită măsură de corelare nu poate depăși valoarea 2 dacă se presupune că fizica respectă constrângerile teoriei locale „variabile ascunse” (un fel de formulare de bun simț) a modului în care este transmisă informația), dar anumite sisteme permise în mecanica cuantică pot atinge valori de până la 2√2. Astfel, teoria cuantică încalcă inegalitatea Bell și ideea de „variabile ascunse” locale.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)