Können Quantenverschränkung und Quantenüberlagerung als dasselbe Phänomen betrachtet werden?

Um Ihre Frage kurz zu beantworten: Nein, es handelt sich nicht um dasselbe Phänomen.

Zunächst einmal ist es viel einfacher, sich Quantenzustände als Vektoren vorzustellen (in einem sogenannten Hilbert-Raum, aber einfach ausgedrückt gehorchen sie der Linearität) und nicht als Teilchen oder Wellen.

Überlagerung

Beginnen wir mit einem Einzelteilchen-Qubit (da Sie über Quanteninformationen sprechen), das zwei Eigenzustände hat$|0\rangle$Und$|1\rangle$. Aufgrund der Linearität des Hilbert-Raums ist jede Überlagerung dieser Zustände auch ein gültiger Zustand:

$$|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle$$

Dies wird als Superposition von Eigenzuständen bezeichnet. Beachten Sie, dass nichts unsicher ist, es sei denn, Sie denken darüber nach, welches Ergebnis Sie erhalten, wenn Sie auf 0, 1-Basis messen.

Verstrickung

Um Verschränkung zu haben, braucht man notwendigerweise zwei Dinge (Freiheitsgrade), die verschränkt sind. Sie müssen keine unterschiedlichen Partikel sein, aber sagen wir, sie sind es. Lassen Sie mich jetzt ein paar verrückte Mathematik auf Sie werfen und dann versuchen zu erklären, was das bedeutet.

Nehmen wir an, die Teilchen A und B befinden sich in den Zuständen$|0\rangle_A$Und$|0\rangle_B$. Zusammen bilden sie auch ein Quantensystem, das durch das Tensorprodukt beschrieben werden kann:

$$|\psi_{AB}\rangle = |0\rangle_A \otimes |0\rangle_B$$ Hier kann der Gesamtzustand des Systems beschrieben werden, indem der Zustand von Teilchen A und der Zustand von Teilchen B angegeben werden. Dies ist kein verschränktes System.

Ein verschränkter Zustand ist ein Zustand zweier Teilchen, der nicht dadurch beschrieben werden kann, in welchem ​​Zustand sich Teilchen A befindet und in welchem ​​Zustand sich Teilchen B befindet. Zum Beispiel:

$$|\psi_{AB}\rangle = |0\rangle_A \otimes |0\rangle_B + |1\rangle_A \otimes |1\rangle_B \neq |\psi\rangle_A \otimes |\psi\rangle_B$$

Es gibt keine Möglichkeit, den verschränkten Zustand als Tensorprodukt zweier einzelner Zustände zu schreiben. Jetzt Fokus, das ist die Pointe: In einem verschränkten Zustand kann Teilchen A nicht unabhängig von Teilchen B beschrieben werden.

Antwort auf Ihre Frage

Nun sollte man sich Verschränkung wirklich nicht als Informationsaustausch vorstellen, denn sie geschieht augenblicklich und es ist unmöglich, Informationen augenblicklich zu übermitteln. Wiederum ist es auch unmöglich, Informationen augenblicklich zu übertragen, indem die Überlagerung zusammenfällt.

Wie sie verbunden sind, wird von Raskolnikov im Kommentar schön formuliert.

Was passiert also wirklich bei der Verschränkung, wenn es nicht um den Austausch von Quanteninformationen geht? Man könnte sagen, die Teilchen sind korreliert, aber es ist wirklich mehr als nur eine klassische Korrelation. Tatsächlich sagt Bells Theorem eine Obergrenze für den "Betrag der Korrelation" voraus, den zwei Teilchen haben können, unter der Annahme des lokalen Realismus .

Es wurde festgestellt, dass die Verschränkung diese Obergrenze verletzt, was bedeutet, dass die Quantentheorie entweder :

a) keine lokale Theorie (lokal)

b) beschreibt nicht Dinge und ihre physikalischen Eigenschaften (Realismus) - zB geht es um unser Wissen über die Welt

c) beides oben

Wir wissen nicht wirklich, welche Antwort die richtige ist, aber es gab in letzter Zeit Fortschritte.

Zunächst einmal ist das Wort "Informationsaustausch" nicht so gut. Eine Verschränkung ist eine ZWINGUNG auf zwei oder mehr Teilchen. Zum Beispiel wird das berühmte PHOTON SINGLET vom Staat beschrieben

(1) |Ψ> = [!/sqrt(2)] {|u>|u> + |v>|v>}

wobei u die beliebige Richtung im Raum ist, die wir wählen möchten, und v senkrecht zu x in der Polarisationsebene steht (das ist die Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung). In den Produkten |u>|u> und |v>|v> kommt zuerst Photon 1, dann kommt Photon 2. (Manchmal gibt es einen Unterschied zwischen ihnen in der Wellenlänge, aber wir können sagen, welches welches ist.)

Das Photonen-Singulett wird von verschiedenen Elementen in einer sogenannten Kaskade emittiert, dh es erfolgt ein Sprung eines Elektrons von einem angeregten Niveau zu einem niedrigeren mit Emission eines Photons, dann ein Abfall auf ein Endniveau mit Emission des zweiten Photons. Bei diesen Übergängen gelten die ERHALTUNGSGESETZE des Drehimpulses des Elektrons, und deshalb können wir nicht in (1) die Zustände |u>|v> und |v>|u> zusammen mit den Zuständen |u>|u> erreichen und |v>|v>.

Sie sehen also, DIE NATUR erlegt Beschränkungen auf, und deshalb erhalten wir bei einer Messung der Polarisation, wenn wir bei Photon 1 die Polarisation u erhalten, das Gleiche bei Photon 2. Wir WISSEN NICHT, und es gibt eine breite Polemik davon, ob die beiden Photonen untereinander SIGNALE austauschen oder nicht. Ich meine, stellen Sie sich folgendes Experiment vor: Der Beobachter 1 wählt willkürlich nach Lust und Laune eine Richtung im Raum, nennen wir sie w, und stellt fest, dass das Photon 1 senkrecht zu w polarisiert ist. Wir sagen, dass in diesem Fall der Zustand des Photons 2 in den Zustand senkrecht zu w ZUSAMMENFÄLLT. Aber wie die Natur dem Photon 2 die Tatsache übermittelt, dass der Experimentator 1 die Richtung w gewählt hat und Photon 1 die senkrechte Antwort gegeben hat, wissen wir nicht. Experimente, die wir mit einem so kleinen Intervall zwischen der Messung von Photon 1 und der von Photon 2 durchgeführt haben, dass nicht einmal ein Lichtsignal die Zeit hat, vom Ort des Experimentators 1 zum Ort des Experimentators 2 zu gelangen. Also, die Worte "Informationsaustausch zwischen Teilchen" sind problematisch. Bewegt sich irgendeine Art von Signalen zwischen den beiden Orten? Wir wissen es nicht.

Über Superposition, das ist etwas anderes. Wir können eine Überlagerung der Zustände eines Teilchens oder von zwei Teilchen oder mehr haben. Betrachten Sie die Gleichheit (1). Der Zustand der beiden Photonen ist eine SUPERPOSITION des Zwei-Teilchen-Zustands |u>|u> mit dem Zwei-Teilchen-Zustand |v>|v>. Aber ich denke, dass Sie sich auf die Überlagerung der Zustände eines Teilchens beziehen. Betrachten Sie dann einen Teilchenstrahl, der durch einen Strahlteiler in eine gesendete und eine reflektierte Welle aufgeteilt wird, und konzentrieren Sie sich auf das Schicksal eines der Teilchen. Wir können es niemals auf beiden Wegen entdecken. Aber wir können wieder auf beiden Pfaden Detektoren in der GLEICHEN ENTFERNUNG vom Strahlteiler platzieren, st wenn ein Teilchen detektiert wird, hatte nicht einmal ein Lichtimpuls Zeit, von einem Detektor zum anderen zu gelangen. Werden also Informationen zwischen den beiden Detektoren weitergegeben? WIR WISSEN DIE ANTWORT NICHT.

Es tut mir leid, meine Antwort ist enttäuschend, aber im Moment ist die Quantengemeinschaft in dieser Richtung noch IGNORANT. Viel Glück !

Schöne intuitive Grabung. Ihre Frage wurde positiv beantwortet. https://arxiv.org/abs/2109.04446

Es wird vor kurzem veröffentlicht.