Quantenverschränkung – Was ist die große Sache?

Ich verstehe Ihre Verwirrung, aber aus diesem Grund haben Menschen oft das Gefühl, dass Quantenverschränkung ziemlich seltsam ist. Betrachten wir zunächst die folgende Aussage, die Sie machen:

2 Dinge haben einige Eigenschaften, die am Punkt der Verschränkung zueinander in Korrelation gesetzt werden, sie werden getrennt, gemessen und es wird festgestellt, dass sie diese Eigenschaften haben

Eine klassische (Nicht-Quanten-)Version dieser Aussage würde etwa so lauten. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen zwei Murmeln und malen eine schwarz und eine weiß an. Dann steckt man jede in eine eigene undurchsichtige Schachtel und schickt die weiße Murmel nach Los Angeles und die schwarze Murmel nach New York. Als nächstes veranlassen Sie, dass Person L in Los Angeles und Person N in New York jede Schachtel genau um 17:00 Uhr öffnen und die Farbe des Balls in ihrer Schachtel notieren. Wenn Sie sowohl Person L als auch Person N sagen, wie Sie die Murmeln vorbereitet haben, wissen sie, dass beim Öffnen ihrer jeweiligen Schachteln eine 50-prozentige Chance besteht, eine weiße Murmel zu haben, und eine 50-prozentige Chance, eine zu haben schwarzer Marmor, aber sie wissen nicht, was in der Kiste ist, bis sie die Messung machen. Außerdem, sobald sie sehen, welche Farbe sie haben,

Da Sie jedoch die Murmeln bemalt haben, wissen Sie mit Sicherheit, dass Person L die weiße Murmel und Person N die schwarze Murmel haben wird .

Bei der Quantenverschränkung ist das Zustandspräparationsverfahren analog. Anstelle von Murmeln stellen wir uns vor, dass wir Elektronen haben, die zwei mögliche Spinzustände haben, die wir als "oben" bezeichnen werden$|1\rangle$und "unten" bezeichnet$|0\rangle$. Wir stellen uns vor, ein Zwei-Elektronen-System so vorzubereiten, dass der Zustand$|\psi\rangle$des zusammengesetzten Systems befindet sich in einer sogenannten Superposition der Zustände "oben-unten" und "unten-oben", womit ich meine

Jetzt stelle ich mir vor, Elektron zu senden$A$nach Los Angeles und Elektron B nach New York, und wir sagen den Leuten in Los Angeles und New York, sie sollen gleichzeitig den Spinzustand seines Elektrons messen und aufzeichnen und seine Messung aufzeichnen, genau wie im Fall der Murmeln. Dann kennen diese Beobachter, genau wie bei den Murmeln, nur die Wahrscheinlichkeit (50%), nach der Messung entweder ein Spin-up- oder ein Spin-down-Elektron zu finden. Darüber hinaus können die Beobachter aufgrund des staatlichen Vorbereitungsverfahrens sicher sein, was der andere Beobachter nach seiner eigenen Beobachtung aufzeichnen wird, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied zwischen diesem Fall und den Murmeln.

Im Elektronenfall weiß selbst die Person, die den Zustand erstellt hat, nicht, was das Ergebnis der Messung sein wird. Tatsächlich kann niemand mit Sicherheit wissen, was das Ergebnis sein wird ; Das Ergebnis der Messung, die in den Zustand des Systems eingebaut ist, hat eine inhärente Wahrscheinlichkeitsnatur. Es ist nicht so, dass es jemanden gibt, der wie im Fall der Murmeln ein verborgenes Wissen darüber haben könnte, wie die Spinzustände der Elektronen "eigentlich" sind.

Angesichts dieser Tatsache finde ich es für die meisten Menschen seltsam, dass ein Beobachter, sobald er seine Messung durchgeführt hat, mit Sicherheit weiß, was der andere Beobachter messen wird. Im Fall der Murmeln gibt es keine analoge Fremdheit, da jede Murmel entweder weiß oder schwarz war , und sicherlich war keine Kommunikation erforderlich, damit jeder Beobachtete wusste, was der andere bei der Messung sehen würde. Aber im Fall der Elektronen gibt es eine Art intrinsische Wahrscheinlichkeit für die Natur des Zustands des Elektrons. Das Elektron hat sich wirklich nicht für einen Zustand "entschieden", bis die Messung stattfindet. Wie ist es also möglich, dass die Elektronen immer "wählen", sich in entgegengesetzten Zuständen zu befinden, da sie diese "Entscheidung" bis zu diesem Zeitpunkt nicht getroffen haben? der Messung. Wie werden sie „wissen“, was das andere Elektron ausgewählt hat? Seltsamerweise „wissen“ sie es tatsächlich irgendwie.

Nachtrag. Sicher, wie Lubos in seinem Kommentar betont, gibt es nichts wirklich Paradoxes oder Widersprüchliches an der Verschränkung, und es ist nur eine Form der Korrelation, aber ich persönlich denke, es ist fair, es eine „seltsame“ oder „nicht intuitive“ Form der Korrelation zu nennen .

WICHTIGER HAFTUNGSAUSSCHLUSS Ich habe vieles in Anführungszeichen gesetzt, weil ich die Intuition hinter der Seltsamkeit der Verschränkung durch Analogien vermitteln wollte; Diese Beschreibungen sind nicht wissenschaftlich präzise. Insbesondere alle Anthropomorphisierungen von Elektronen sollten mit einem großen Körnchen konzeptionellem Salz aufgenommen werden.

Anstatt einige sehr gute Standardantworten zu wiederholen, möchte ich dieses Thema aus der Perspektive diskutieren, warum klassische Systeme als seltsam angesehen werden sollten.

Wenn wir die Quantenmechanik als grundlegend akzeptieren, dann sollten wir Dinge wie Verschränkung in gewissem Sinne überhaupt nicht seltsam finden. Wie die Antwort von Joshphysics sowie die Antwort von Lubos Motl auf die ähnliche Frage zeigen , ist Verschränkung wirklich nur Korrelation. Die Fremdheit tritt ein, weil wir an die Idee der klassischen Lokalität und Trennbarkeit von Systemen gewöhnt sind.

Lokalität wird am besten als das Konzept verstanden, das Fernwirkung verbietet , und ist eng mit Newtons drittem Bewegungsgesetz verbunden . Newtons drittes Gesetz ist die Aussage,

Jede Aktion hat eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion

was uns im Grunde sagt, dass Kräfte auf ein Objekt das Ergebnis der Wechselwirkung mit einem anderen Objekt sind. Fernwirkung ist eine Situation, in der zwei im Raum getrennte Objekte eine perfekte Korrelation in ihrer Bewegung aufweisen, was bedeutet, dass ein Objekt direkt für die Aktivitäten der anderen Objekte verantwortlich ist. In der Newtonschen Mechanik gibt es keine Begrenzung der Geschwindigkeit, daher ist Fernwirkung zwar scheinbar unglaublich, aber nicht verboten.

Diese Situation änderte sich, als erkannt wurde, dass es eine ultimative Geschwindigkeitsbegrenzung dafür gibt, wie schnell zwei Objekte kommunizieren oder sich über das dritte Gesetz gegenseitig beeinflussen können. Dies ist die Lichtgeschwindigkeit, wie sie in den Theorien der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie verankert ist. Diese ultimative Geschwindigkeitsbegrenzung für die Übertragung realer Informationen zwischen zwei räumlich getrennten Regionen ist der Punkt, an dem unsere "klassische Intuition" versagt (die keine Aussage über die menschliche Intuition ist, sondern eine Aussage über einen scheinbaren Widerspruch, der in den logischen Aussagen auftaucht, die man machen kann im Kontext einer bestimmten Theorie).

Die Frage ist also nicht so sehr,

"Warum ist die Quantenmechanik seltsam?"

es ist

"Warum versagt unsere klassische Intuition?"

Ein Großteil dieses Versagens unserer Intuition hängt mit der Trennbarkeit von Zuständen zusammen , die ein inhärentes Merkmal der klassischen Mechanik ist.

Die Trennbarkeit von Zuständen ist möglich, wenn man zusammengesetzte Zustände als direkte Produkte von Teilsystem-Zustandsvektoren beschreiben kann.

Um dies etwas besser zu erklären, gibt es ein Postulat der Quantenmechanik, das besagt

Der Hilbert-Raum eines zusammengesetzten Systems ist das Hilbert-Raum-Tensorprodukt der den Komponentensystemen zugeordneten Zustandsräume

Dies wird mathematisch geschrieben als

Wie oben angedeutet, kann dem Komponentenunterraum eine Basis gegeben werden, die den Raum überspannt (Spanne = ein vollständiges Koordinatensystem bereitstellen, das jeden Punkt beschreiben kann):

Mit unserer gewählten Basis kann der reine Zustand des zusammengesetzten Systems definiert werden als:

Wie im Wikipedia-Artikel besprochen , wenn der Staat

( Aktualisierungsbeispiel von Marcini und Severini entlehnt : Let$|\psi_{A1}\rangle$,$|\psi_{A\perp}\rangle$seien orthogonale Zustände in$\mathcal{H_A}$, und$|\psi_{B1}\rangle$,$|\psi_{B\perp}\rangle$seien orthogonale Zustände in$\mathcal{H_B}$. Dann

In unserer klassischen Intuition sind Systeme trennbar, und nur durch eine direkte klassische mechanische Kopplung zeigen sie eine Korrelation. In den Marmorbeispielen gibt es also einen mechanischen Prozess, der beim Mischen von Murmeln beteiligt ist. Die Murmeln sind immer noch trennbare Systeme, und die Korrelation zwischen einer Person, die eine weiße Murmel findet, und einer Person, die eine schwarze Murmel findet, wurzelt immer noch in der klassischen statistischen Mechanik, einfach durch die Tatsache, dass den Murmeln eine bestimmte Farbe zugeordnet ist, bevor sie platziert werden in der Kiste . Das bedeutet, dass der Farbzustand für jeden Marmor bekannt ist und nicht mit dem Zustand des anderen Marmors korreliert. Es ist sinnvoll, in der klassischen Mechanik von einem schwarzen oder weißen Zustand der Murmeln zu sprechen.Dies ist kein typischer Zustand in der Quantenmechanik, und Systeme mit einem bestimmten Zustand vor der Beobachtung sind die Hauptursache für das Versagen unserer klassischen Intuition

Wir müssen verstehen, dass der volle Zustandsraum im verschränkten System viel größer ist als der Raum trennbarer Systeme. Es gibt eine gute Analogie zum Verständnis der unterschiedlichen Größe von Zustandsräumen im Kontext der Born-Oppenheimer-Näherung (und Emilio Pisanty erklärt die Ableitung in seiner Antwort auf diese SE-Frage gut ). Die Born-Oppenheimer-Näherung liefert eine Rechtfertigung dafür, die Trennung der nuklearen und elektronischen Zustände eines molekularen Systems zuzulassen:

Dies ist möglich, indem gezeigt wird, dass man die "vibronische Kopplung" ignorieren kann, die mit Übergängen von Teilchen verbunden ist, die durch nichtdiagonale Terme in der vollständigen Hamilton-Matrix dargestellt würden.

In ähnlicher Weise können wir in unserer "klassischen Intuition" viele Begriffe ignorieren, die den Zustand des Systems beschreiben, einfach weil ihre Auswirkungen zu gering sind, um berücksichtigt zu werden. Je kleiner die Systeme werden, desto schwieriger sind diese Effekte zu ignorieren, und die Vorstellung, dass ein Quantenobjekt vor unserer Beobachtung einen bestimmten Zustand einnehmen kann (z. B. eine definitiv schwarze oder weiße Murmel), ist nicht möglich. Die Korrelation der Ergebnisse ist jedoch nicht aus dem System entfernbar, in diesem Sinne muss die Korrelation als grundlegender angesehen werden als die Eindeutigkeit des Zustands. Dies ist ein ganz anderer Sachverhalt als in der klassischen Mechanik, wo die Eindeutigkeit des Zustands als grundlegender angesehen wird.

Hoffentlich gibt dies etwas mehr Klarheit darüber, warum wir denken, dass Quantenverschränkung eine „große Sache“ ist. Es erfordert eine grundlegende Änderung unseres Verständnisses und unserer Herangehensweise an die Physik.

Hier ist die Antwort, die mir klar machte, was die große Sache ist. Die folgende Beschreibung ist im Grunde eine erweiterte Version dieses Blogbeitrags , auf den ich vor langer Zeit gestoßen bin.

Stellen Sie sich vor, wir würden ein Spiel spielen. Es ist ein kooperatives Spiel, also werden wir entweder beide gewinnen oder beide verlieren. Wenn wir gewinnen, bekommen wir viel Geld, aber wenn wir verlieren, sterben wir beide, also sollten wir unser Bestes geben, um zu gewinnen.

Das Spiel läuft folgendermaßen ab: Sie werden mit einem Raumschiff zum Pluto gebracht, während ich hier auf der Erde bleibe. Wenn Sie bei Pluto ankommen, wird jemand eine faire Münze werfen. Je nach Ergebnis stellen sie eine der beiden folgenden Fragen:

1. Mögen Sie Hunde?
2. Magst du Katzen?

Sie müssen dann mit „Ja“ oder „Nein“ antworten. Im selben Moment wird jemand auf der Erde eine andere faire Münze werfen und mir basierend auf ihrem Ergebnis eine der beiden gleichen Fragen stellen.

Die Spielregeln sind etwas seltsam. Sie lauten wie folgt: Wir gewinnen das Spiel, wenn wir beide eine andere Antwort geben, es sei denn , wir werden beide nach Katzen gefragt, in diesem Fall müssen wir die gleiche Antwort geben, um nicht zu verlieren.

Da wir mehrere Lichtstunden voneinander entfernt sind, können wir während des Spiels nicht miteinander kommunizieren, aber wir können so lange damit verbringen, wie wir möchten, Strategien zu diskutieren, bevor wir loslegen, und jeder von uns kann alles mitnehmen, was er will helfen Sie uns, die Fragen zu beantworten.

Nun, mit ein wenig Nachdenken sollten Sie sich davon überzeugen können, dass wir in einer klassischen Welt am besten eine haben$75\%$Chance, das Spiel zu gewinnen. Dazu vereinbaren wir einfach, dass Sie, egal welche Frage uns gestellt wird, "ja" sagen und ich "nein". Wenn wir das tun, gewinnen wir, es sei denn, wir werden beide nach Katzen gefragt, und die Wahrscheinlichkeit dafür ist 1 zu 4. Es spielt keine Rolle, was wir mitnehmen - solange es sich nach den bekannten Regeln von verhält klassische Mechanik, es kann uns nicht helfen, besser zu sein als diese einfache Strategie. Insbesondere macht es keinen Unterschied, ob wir jeder einen versteckten Gegenstand mitnehmen, den wir später irgendwie vermessen.

In einer Quantenwelt sind die Dinge jedoch etwas anders: Wir können das Spiel gewinnen$85.3\%$der ganzen Zeit. Ich werde nicht in die Details gehen, wie wir das genau erreichen, aber es geht darum, ein verschränktes Partikelpaar zu erzeugen, von dem Sie eines nehmen und ich das andere. Je nachdem, ob Sie nach Katzen oder Hunden gefragt werden, nehmen Sie eine von zwei verschiedenen Messungen an Ihrem Partikel vor, und ich mache etwas Ähnliches. Es funktioniert einfach nach den Regeln der Quantenmechanik, dass wir dieses Spiel mit einer Wahrscheinlichkeit von gewinnen, wenn wir dieses Verfahren richtig befolgen$\cos^2(\pi/8)$, oder$85.3\%$. Viele Experimente, die diesem Spiel entsprechen, wurden durchgeführt (sie werden Bell-Testexperimente genannt ) und das Spiel ist tatsächlich gewonnen$85\%$der ganzen Zeit.

Es gibt andere Spiele, die konstruiert werden können, die etwas komplizierter zu erklären sind und bei denen Sie durch Verschränken gewinnen können$100\%$der Zeit, auch wenn man in der klassischen Welt Zeitverlust nicht vermeiden kann. Ein Papier, das ein solches Spiel (neben anderen Beispielen für solche Quantenspiele) beschreibt, kann hier gefunden werden .

Deshalb ist Verstrickung eine große Sache. Es erlaubt uns, die Dinge auf diese Weise etwas mehr korrelieren zu lassen, als sie in der klassischen Welt korreliert werden können. Es erlaubt uns, etwas zu tun, was nicht möglich wäre, wenn es keine Verstrickung gäbe.

Abgesehen davon gibt es noch einen weiteren Grund, warum Verstrickung ein bisschen seltsam ist: Warum erlaubt uns Verstrickung im Katz-und-Hunde-Spiel nur zu gewinnen?$85\%$der Zeit und nicht$100\%$? Es stellt sich heraus, dass man mit "alternativer Physik" Universen erfinden kann, in denen dieses Spiel gewonnen werden kann$100\%$der Zeit, während Informationen immer noch nicht schneller als Licht übertragen werden, aber in unserem Universum,$85.3\%$ist die maximal mögliche Punktzahl. Der Grund, warum die Verschränkung auf diese Weise begrenzt werden sollte, ist eine offene Frage in den Grundlagen der Quantenmechanik.

Was ist hier passiert ? Ich bin völlig schockiert, dass so viele Befragte antworten: "Ja, keine große Sache, nichts wirklich Gruseliges, ja, es ist nur eine Korrelation ..." Worüber in aller Welt reden alle ?

Peter Oakey, vergiss die ganze Mathematik für eine Minute. Dies wird ein paar Minuten für eine detaillierte, aber völlig nicht mathematische Einrichtung erfordern, aber wenn Sie es ertragen können, kann ich Ihnen auf sehr pointierte Weise erklären, warum Verschränkung unheimlich ist und nicht allein durch klassische Korrelationen erklärt werden kann.

Stundenzeit ist Ihre Zeit

Zuerst brauchen wir etwas, das sich leicht visualisieren lässt, um die Situation einzurichten. Eine Uhr mit nur einem Zeiger, einem Stundenzeiger, funktioniert gut.

Habe ich schon erwähnt, dass die Zeiger dieser Uhren etwas seltsam sind? Nun, eigentlich... sehr seltsam.

Anstatt scharfe, spitze Linien zu sein, sind die Hände auf eine Scheibe gemalt ... schlecht. Sie sind stark verschmiert, bis zu dem Punkt, dass sie nur in der genauen Richtung der Zeit, die sie darstellen, vollständig schwarz sind, z. B. 3 Uhr. Aus dieser Richtung verblassen sie in Grau, wenn Sie um die Scheibe herumgehen, auf der die Hand gemalt ist. Tatsächlich bleibt die Scheibe nur auf der genau gegenüberliegenden Seite von der rein schwarzen Richtung rein weiß. Wenn also das reine Schwarz auf 3 Uhr zeigt, zeigt das reine Weiß um 9 Uhr in die entgegengesetzte Richtung. (Ich werde vielleicht morgen ein paar einfache Grafiken dafür hinzufügen, aber heute Abend ist es zu spät.)

Durch einen Slot Darkly

Ähm, habe ich erwähnt, dass das Lesen dieser Uhren auch ein bisschen seltsam ist? Nun ... sehr seltsam.

Das liegt daran, dass Sie sie nur lesen dürfen, indem Sie durch einen einzigen Schlitz schauen, den Sie auf jede gewünschte Position einstellen können, z. B. 12 Uhr. Nun könnte man denken, dass man dadurch die Zeiger meistens nicht sehen kann, aber vergessen Sie nicht: Die Zeiger dieser Uhren sind so stark verschmiert, dass Sie in den meisten Fällen beim Blick durch den Schlitz eine Art Grau sehen , wahrscheinlich mindestens 50 verschiedene Schattierungen davon.

Gelegentlich werden Sie jedoch reines Schwarz oder reines Weiß sehen. Sie haben also Glück gehabt und Ihren Analysator auf eine der beiden Positionen eingestellt, von denen aus Sie die Uhr mit 100%iger Sicherheit ablesen können. Wenn Sie also den Schlitz auf 3 Uhr einstellen und reines Schwarz sehen, bedeutet dies, dass die Uhr auf dieselbe Zeit, 3 Uhr, eingestellt wurde. Beachten Sie jedoch, dass Sie, wenn Sie den Schlitz stattdessen auf 9 Uhr eingestellt hätten, das reine Weiß gesehen hätten, das immer dem reinen Schwarz gegenübersteht, und Sie wiederum mit Sicherheit gewusst hätten, dass es 3 Uhr war. Wenn Sie stattdessen eine andere Einstellung für den Slot gewählt hätten, hätten Sie leider nur einen Grauton gesehen. Dunklere Grautöne hätten bedeutet, dass Sie "näher" an der Uhrzeit auf der Uhr waren, während hellere Grautöne bedeutet hätten, dass Sie weiter davon entfernt sind. Aber für jeden der Grautöne kann man nur einen machenüber die genaue Zeit raten .

Spiel, Reset, Match

Was zu einer letzten, aber sehr wichtigen Kuriosität dieser Uhren führt: Jedes Mal, wenn Sie eine ablesen, stellt sich der Zeiger auf die Ausrichtung Ihres Leseschlitzes ein. Das ist jetzt wirklich seltsam! Wie funktioniert diese letzte Wendung?

Es ist eigentlich etwas zufällig, aber auf eine Weise, die stark davon abhängt, wie grau die Scheibe an der Stelle ist, an der Sie sie lesen. Wenn Sie mal rein schwarz oder rein weiß gelesen haben, ist das kein Problem: Die Hand bleibt einfach genau dort, wo sie war, auf Schwarz oder Weiß. Wenn Sie stattdessen zufällig den Grauton sehen, der liegt$90^{\circ}$weg von reinem Schwarz oder reinem Weiß, z. B. 12 oder 6 für einen Zeiger, der auf 3 zeigt, dann wird das Zifferblatt völlig zufällig zurückgesetzt, mit einer 50/50-Chance, danach entweder reines Schwarz oder reines Weiß in die Position des Leseschlitzes zu bewegen. Alles dazwischen wird zu einer Wahrscheinlichkeit, die eher für Schwarz oder Weiß spricht. Daher führt ein sehr dunkler Grauton fast immer dazu, dass sich das Zifferblatt in reinem Schwarz in die Position des Leseschlitzes dreht ... aber nicht immer. Solange die Scheibe etwas Weiß mit Schwarz vermischt, wird die reinweiße Seite der Skalenscheibe gelegentlich in die Leseposition gedreht.

Übrigens, falls Sie sich gefragt haben, wie Sie einen seltsamen Grauton in eine bestimmte Anzeige der Uhr übersetzen können, liefert diese Funktion zum Zurücksetzen auf Graubasis die Antwort. Was passiert ist, dass Ihre endgültige Antwort immer darauf basiert, wie Sie Ihren Analyseschlitz eingestellt haben, insbesondere auf dem Wert, der in diese Position gedreht wird, nachdem Sie den ursprünglichen Wert auf der Uhr gelesen haben. Wenn Sie also beispielsweise Ihren Analysator auf 12 Uhr einstellen, erhalten Sie als Antwort immer entweder 12 Uhr (reines Schwarz in die 12-Uhr-Position gedreht) oder 6 Uhr (reines Weiß in die 12-Uhr-Position gedreht). 12-Uhr-Position). Die ursprüngliche Position des Uhrzifferblatts spielt an diesem Punkt keine Rolle mehr, da das Ablesen der Uhr sie selbst zurücksetzt und den neuen Wert zum einzig wichtigen macht.

Seltsame Zeiten

Seltsame Zeiten (und Zeitstücke) in der Tat! Aber wenn Sie sich fragen, warum ich so viele scheinbar sinnlose Einschränkungen einführe, versichere ich Ihnen, dass sie nicht so willkürlich sind, wie sie scheinen. Ich übersetze große Teile der Quantenmechanik in ein physikalisches Modell, das hilft, bestimmte Arten von Quantenbeziehungen zu visualisieren. Da sich die Quantenmechanik mit kleinen Systemen befasst, die sehr wenig Informationen enthalten, geht es darum, diese seltsamen Einschränkungen zu verstehen, die die riesigen Freiheiten, an die wir aus der klassischen Welt so gewöhnt sind, nicht zulassen.

Ich nenne diese Konstruktionen wegen all der Wahrscheinlichkeiten, die beim Lesen auftreten, Fuzzy-Clocks .

Igor, zieh den Hebel!

Als nächstes kommt die experimentelle Anordnung mit diesen Uhren, die sowohl für die klassische Korrelation als auch für die Quantenverschränkung gleich ist:

1. Stellen Sie zwei Fuzzy-Uhren so ein, dass sie genau entgegengesetzte, aber zufällig ausgewählte Zeiten haben, z. B. 1-und-7 oder 10-und-4. Halten Sie diese Zeiten vor allen im Universum geheim.

2. Platzieren Sie die Fuzzy-Uhren in zwei Raumschiffen A und B und fliegen Sie sie an Orte, die sehr weit voneinander entfernt sind. Man könnte sie zum Beispiel so weit voneinander wegfliegen, dass das Licht eine Stunde braucht, um von einem Raumschiff zum anderen zu gelangen.

3. Lassen Sie Ihre Beobachter in jedem Raumschiff ihre Uhren lesen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun, aber in diesem Fall werden wir dafür sorgen, dass die Beobachter identische Ausrichtungen ihrer Slot-Lesegeräte verwenden. Für den Rest dieser Diskussion gehen wir davon aus, dass ihre Schlitzleser auf 3 Uhr eingestellt sind.

Denken Sie daran, dass, wenn ein Schlitzlesegerät auf 3 Uhr eingestellt ist, die endgültige Anzeige immer entweder 3 Uhr (reines Schwarz) oder 9 Uhr (reines Weiß) ist. Das liegt daran, dass das Lesen der Uhr dazu führt, dass sie zurückgesetzt (rotiert) wird, je nachdem, wie viel Grau durch den Schlitz gesehen wird. Es sind diese neuen reinen Schwarz- oder reinen Weißwerte, die zu den endgültigen Messwerten der Uhren werden.

Arbeiten von 12 bis 6, was für eine Art, seinen Lebensunterhalt zu verdienen

Konzentrieren wir uns nun auf eine bestimmte Teilmenge korrelierter Fuzzy-Uhren, die ursprünglich auf 12 oder 6 eingestellt waren. Was passiert mit diesen Uhren, wenn sie von den 3-Uhr-Schlitz-Lesegeräten auf beiden Raumschiffen gelesen werden?

Denken Sie daran, dass jeder anfänglich auf 12 oder 6 eingestellte Uhrwert für einen 3-Uhr-Schlitzleser den Grauton zeigt, der zu einem 50/50-Wurf führt. Die Hälfte dieser Uhren endet also mit reinem Schwarz an der Schlitzposition (3 Uhr) und die andere Hälfte mit reinem Weiß (9 Uhr).

Nehmen wir an, dass Schiff A eine dieser 12- oder 6-Uhren liest und einen Wert von reinem Schwarz erhält, was bedeutet, dass es auf 3 Uhr zurückgesetzt wurde. Was kann der Beobachter dann darüber sagen, was das andere Raumschiff sehen wird, wenn er auf die gleiche Weise auf die korrelierte Uhr schaut?

Es verlieren

Nun... nichts, wirklich. Aus Sicht des Beobachters hat dieses Worst-Case-Szenario einer zufälligen 50/50-Neuzuweisung alle Informationen vollständig gelöscht, die über die Zeit auf der anderen Fuzzy-Uhr verfügbar gewesen wären . Alles, was der Beobachter auf Schiff A für diese Uhrengruppe sagen kann, ist also: "Da dies die 12- oder 6-Uhr-Gruppe ist, hat Schiff B eine 50/50-Chance, Schwarz oder Weiß zu lesen." Was genau richtig ist: Schiff B erhält in diesem Fall ein ebenso zufälliges Ergebnis wie Schiff A. Die möglicherweise vorhandene Korrelation wurde durch die Art des Lesevorgangs effektiv gelöscht, sodass kein Schiff etwas darüber sagen kann, was das andere gesehen haben würde.

Das ist der klassische Fall: Keine Korrelation – keine Vorhersagbarkeit – ist zwischen Schiffen für die 12- oder 6-Uhrenpaare möglich, die mit 3-Uhr-Slots analysiert wurden.

Finden

Was also, wenn die Uhren quantenverschränkt sind, anstatt nur eine korrelierte Vergangenheit zu teilen?

Einfach: Wenn der Beobachter auf Schiff A um 3 Uhr reines Schwarz für ein 12- oder 6-Uhr-Paar sieht, weiß sie, dass der Beobachter auf Schiff B reines Weiß sehen wird. Stets. 100%.

Hoppla.

Ähm... wie genau ist das passiert?

Spooky ist wie Spooky

Gespenstische Fernwirkung bleibt ein ziemlich guter Name dafür, denn ich garantiere Ihnen, dass Sie keine sinnvolle Erklärung dafür in Bezug auf tatsächlich experimentell zugängliche Parameter konstruieren können. Es handelt sich auch nicht um einen hypothetischen Effekt. Echte Beispiele für diesen Effekt sind immer komplizierter als die absichtlich extreme Version, die ich hier verwendet habe, aber es wird nicht weniger seltsam. John Bell war der Erste, der herausfand, dass dieser Effekt real und überprüfbar war, Jahrzehnte nachdem so große Köpfe wie Einstein und Bohr ihm sehr nahe gekommen waren, aber die Gelegenheit verpassten.

Die Fuzzy-Clocks liefern ein recht physisches Bild dessen, was passieren muss. Wenn eines der beiden Raumschiffe A oder B ihre Uhr analysiert, bewirken sie, dass sie auf die neue Zeit zurückgesetzt (rotiert), die durch ihre Slot-Position erzwungen wird, zB von 12-oder-6 auf 3-oder-9.

In der klassischen Physik ist damit Schluss. Jede Scheibe dreht sich lokal und ohne Verbindung zur anderen Scheibe in ihre neue Position.

In der verschränkten Physik stört der Akt des Zurücksetzens der Scheibe in A oder B ein sehr unversöhnliches Erhaltungsgesetz, in diesem Fall die Erhaltung des Drehimpulses (aber es können auch andere Gesetze verwendet werden). Es stellt sich heraus, dass das Universum solche absoluten Erhaltungsregeln so unerbittlich verzeiht, dass Fragen wie die Lichtgeschwindigkeit zweitrangig werden, um sicherzustellen, dass die Menge absolut erhalten bleibt. Das Universum als Ganzes erlaubt es Ihnen also, gespenstisch, nicht, nur eine der verschränkten Scheiben zurückzusetzen, was zu einer geringfügigen Nichterhaltung des Drehimpulses führen würde. Stattdessen müssen Sie beide zurücksetzen .

Wenn A also ihre 12-oder-6-Uhr mit einem 3-Uhr-Slot-Analysator analysiert, setzt sie am Ende beide Platten auf die neue 9-oder-3-Ausrichtung zurück. All dies geschieht "sofort", sogar über Lichtjahre hinweg, was immer "sofort" in solchen Fällen bedeutet. (Es bedeutet nicht wirklich viel, wenn es um Verstrickung geht, weshalb ich solche Terminologie normalerweise vermeide.)

Die unterste (verschränkte) Linie

Es gibt viele Möglichkeiten, sich bei all dem im Unkraut zu verlieren. Verstrickung im Sinne eines „Etwas“, das sofort die verfügbaren Optionen für entfernte Ereignisse zurücksetzt, selbst während es die Übermittlung herkömmlicher Informationen verbietet (ein Punkt, den ich übersprungen habe), ist sowohl experimentell ziemlich real als auch konzeptionell ziemlich seltsam. Es ist eines dieser kleinen Mysterien des Universums, das es immer noch wert ist, von Zeit zu Zeit darüber nachzudenken.

Die "große Sache" scheint zu sein, dass wir aufgrund von Bells Theorem * und "gegebener" Quantenmechanik nur wählen können, ob Nicht-Lokalität ("spooky action at a distance") wahr ist und / oder kontrafaktische Bestimmtheit verletzt wird (möglicherweise keinen "freien Willen" implizieren, was auch immer das bedeutet), wenn wir überhaupt wählen wollen . Das erste ist „unintuitiv“ und (die mögliche Implikation von) das zweite ist, nun ja, eine „große Sache“ für viele Menschen (einschließlich zumindest einiger Wissenschaftler , die argumentieren, dass die Wissenschaft implizit auf „freiem Willen“ beruht).

*"Mit einem Theorem kann man nicht argumentieren."

Ich verwende gerne die folgenden Analogien, wenn ich über Quantenverschränkung nachdenke. Wenn die Welt so funktionierte, wie @joshphysics im ersten Teil seiner Antwort beschreibt, wo zwei verschiedenfarbige Murmeln in zwei separate Kisten gelegt und dann getrennt werden, dann wird die Person, die hineinschaut, beim Öffnen einer der Kisten mit Sicherheit wissen, welche Farbe drin ist die andere Kiste, weil die Farbe der Murmeln in jeder Kiste während des „Verschränkungsprozesses“ bestimmt wurde, aber daran ist intuitiv nichts „Seltsames“. Aber wie @joshphysics gezeigt hat, ist dies nicht gleichbedeutend mit Quantenverschränkung.

Verschränkung ist eher so: Stellen Sie sich vor, Sie bringen zwei Münzen so zusammen, dass sie „verschränkt“ werden (vielleicht wirken Sie eine Art Zauberspruch oder so). Eine Person bringt eine Münze zum Mond und eine andere Person bringt die andere Münze zum Mars. Aus der Perspektive jeder Person beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass sie nach dem Werfen ihrer Münze Kopf oder Zahl erhält, 50 %. Was Quantenverschränkung impliziert, ist, dass, sobald einer der Leute seine oder ihre Münze wirft und feststellt, dass sie, sagen wir, Kopf kommt, egal was passiert (vorausgesetzt, die Münzen bleiben verwickelt), wenn die andere Münze später geworfen wird (es kann sein irgendwann nach dem ersten umgedreht wird), muss es Schwänze aufdecken. Aus der Perspektive des zweiten Flippers wird er immer noch feststellen, dass er eine 50%ige Chance hat, Kopf oder Zahl zu bekommen, aber sobald die erste Münze geworfen wurde und Kopf zeigte, Die zweite Münze hat eine 100%ige Chance, Zahl zu sein, egal wann sie tatsächlich nach der ersten geworfen wird. Das ist seltsam.

Es gibt zwei Dinge, die die Quantenversion von „Lege eine weiße Kugel in eine Schachtel, eine schwarze Kugel in eine andere, mische die Schachteln, öffne dann eine Schachtel und erfahre, was die andere enthält“ überraschend machen.

1. Wir können mit der Beziehung zwischen den beiden Boxen spielen. Auf eine Weise, die nicht möglich wäre, wenn jeder Ball tatsächlich in der einen oder anderen Box wäre.

2. Sie können Experimente durchführen, bei denen die Ergebnisse zu oft übereinstimmen . Mehr als möglich wäre, wenn jeder Ball tatsächlich in der einen oder anderen Box wäre.

Teil dessen, was den zweiten Punkt besonders verwirrend macht, ist, dass die zusätzliche Vereinbarung immer noch keine Kommunikation zulässt. Isolierte Experimente können einige nachträgliche Korrespondenzen erhalten, können sich jedoch nicht gegenseitig signalisieren, das Verfahren zu ändern, dem sie bereits folgen wollten.

Ich versuche es mal mit einem Spiel zu veranschaulichen. Dies ist ein Spiel, bei dem klassische Strategien einen Gewinn nicht zu 100 % garantieren können, aber Quantenstrategien, bei denen Sie einige verwickelte Dinge im Voraus teilen können . Hier sind die Regeln:

• Sie und ein Partner sind voneinander isoliert.
• Sie erhalten zwei Token.
• Ein Schiedsrichter wählt zufällig eine Reihe von einem 3x3-Brett aus und teilt sie Ihnen mit.
• Sie können Ihre Token entweder nicht verwenden oder sie verwenden, um zwei Felder der Reihe abzudecken. Sie dürfen nicht nur eine einzelne Zelle abdecken. Nur 0 oder 2.
• Ihr Freund durchläuft einen ähnlichen Prozess, aber er spielt in einer Spalte statt in einer Reihe.
• Sobald Sie sich entschieden haben, wie Sie spielen möchten, kommen Sie wieder zusammen und vergleichen die Ergebnisse.
• Wenn die einzelne Zelle, die sich sowohl in Ihrer Zeile als auch in der Spalte Ihres Freundes befindet, von genau einem Token bedeckt ist, gewinnen Sie. Sonst verlierst du.

Hier ist ein Bild, das einige Ergebnisse einiger Leute veranschaulicht, die gewinnen, verlieren und die Regeln nicht befolgen:

Sie können sehen, dass dies eine Art Koordinationsspiel ist. Sie und Ihr Freund müssen zusammenarbeiten, damit einer von Ihnen die gemeinsame Zelle abdeckt, der andere jedoch nicht. Es ist schwierig, weil ihr beide während des Spiels nicht wisst, um welche Zelle es sich genau handelt, und euch nicht verständigen könnt.

Versuchen Sie, Wege zu finden, um das Spiel zu gewinnen. Ich wette, Sie können es nicht besser machen, als zu erwarten, dass Sie 8/9 der Zeit gewinnen. Sie können sogar versuchen, farbige Murmeln in Kisten einzubeziehen. Es spielt keine Rolle. Das Beste, was Sie tun können, ist 8/9.

Ein Beispiel für eine solche optimale Strategie ist: Sie spielen immer in der linken und mittleren Zelle Ihrer Reihe, während Ihr Freund nur spielt, wenn er die Spalte ganz rechts bekommt. Sie verlieren nur, wenn die Spalte ganz rechts ausgewählt wird und Ihr Freund Pech hat, was in 1/9 der Fälle passiert.

Aber wie gesagt, es gibt eine Quantenstrategie, die in 100 % der Fälle gewinnt. Es massiert die nachträgliche Korrespondenz zur Zusammenarbeit, um die gemeinsame Zelle trotz der Isolation genau einmal abzudecken.

Es wäre ein bisschen langatmig, die Strategie hier zu erklären, aber deshalb habe ich diesen praktischen, aber leicht technischen Blog-Beitrag geschrieben . Hier ist ein Bild, das die Quantenschaltkreise zeigt, die zum Gewinnen des Spiels verwendet werden. Es ist hübsch, aber nicht zu informativ aus dem Kontext gerissen:

Es gibt auch einen Wikipedia-Artikel , obwohl er eine leichte Variante des von mir beschriebenen Spiels verwendet.

(Ich füge nur eine weitere Antwort zu den oben gegebenen klaren hinzu) Die "Seltsamkeit" der Verschränkung von zwei Teilchen mit Spin 1/2 ist die folgende: Wenn Sie zwei Beobachter haben, Alice und Bob, die durch einen beliebigen Abstand getrennt sind, und ihnen sagen, sie sollen messen die Spins des verschränkten Paares, so dass die Analysatoren zufällig gedreht werden, so dass, wenn eine Messung an einem Teilchen des Paares durchgeführt wird, es nicht in kausalem Kontakt mit dem anderen Teilchen steht. Das heißt, das Ereignis „Alice misst den Spin eines Teilchens des Paares“ liegt nicht im vergangenen Lichtkegel von „Bob misst den anderen Spin des Paares“ und umgekehrt. Trotzdem sind die Spins korreliert. Dies ist im Wesentlichen das Alain Aspect-Experiment und der Geist der EPR-Korrelation.

Ihr Fehler, Verschränkung als bloße Korrelation zu interpretieren, ist sehr verbreitet. Tatsächlich bestand Einsteins ganzes Argument gegen die Quantenmechanik in EPR darin, die Kausalität der Quantenmechanik wiederherzustellen, indem Verschränkung als nichts anderes als eine bereits bestehende Korrelation interpretiert wurde. Bell zeigte jedoch, dass dies fehlschlägt. Leider haben viele Menschen, Lubos Motl zum Beispiel, diese Einsicht ein halbes Jahrhundert nach Bells Entdeckung nicht verstanden. Die verschränkten Teilchen müssen ihre Anweisungen, wie sie sich verhalten sollen, irgendwie erhalten, und dies muss sofort geschehen.

Siehe http://www.youtube.com/watch?v=lt6PFPKJqZg

Es gibt keine große Sache. Normalerweise werden dir Leute, die es nicht verstehen, sagen, dass es eine große Sache ist ...

Nehmen wir an, Sie haben 2 Objekte und sind mit nur zwei Eigenwerten beobachtbar. Ein Objekt ist im Zustand „+1“ und das andere „-1“. Die Welt, in der diese Objekte leben, hat die Regel, dass die Summe all dieser Werte konstant ist (in diesem Fall null). Stellen wir uns vor, dass diese Objekte kollidieren (in einer Weise interagieren, dass diese Observable geändert werden kann).

Nun, die beste Vermutung (wenn Sie keine Details kennen) ist einfach anzunehmen, dass sich das System im Zustand "+1"×"-1" oder "-1"×"+1" befindet. Und das ist es.

Betrachtet man das eine Objekt und bestimmt den Zustand, so kennt man aufgrund der Erhaltungsregel sofort den Zustand des anderen.

Was eine große Sache ist (aber ich würde eher sagen, dass es nur 'cool' und keine große Sache ist), dass es Zustände gibt, die Korrelationen für mehrere Observable bewahren ("+-"-"-+" Spin-Zustand, wenn gemessen entlang einer beliebigen Achse wird immer korrelierte Ergebnisse liefern).