الفلك

هل يمكن أن يتسبب التشابك الكمومي في حدوث التخليق النووي في النجوم؟

هل يمكن أن يتسبب التشابك الكمومي في حدوث التخليق النووي في النجوم؟

حتى لو لم يكن هناك ما يكفي من الحرارة والطاقة في النجم لإحداث تخليق نووي ، فهل يمكن للذرات أن تتشابك الكمومي لتكوين نوى ذرية جديدة؟ أم سيكون نفقًا كميًا - إذا كان هذا ممكنًا؟


أنت تشير إلى التفاعلات الحلقية - وهي ردود أفعال تبدأ حتى عندما تكون درجة الحرارة صفرًا فعليًا. وهي ناتجة عن تذبذبات النقطة الصفرية للجسيمات المحاصرة في بئر عميق محتمل ، وبالتالي فهي مجرد تأثير ميكانيكي كمي.

هذا أبعد ما يكون عن مجرد مصلحة نظرية. قد تحدث تفاعلات ثنائية النواة في المادة المكثفة للأقزام البيضاء. ربما حتى بدء احتراق الكربون الذي يمكن أن يدمر النجم في مستعر أعظم من النوع Ia.


أعتقد أنك تشير إلى النفق الكمي. حسنًا ، نفق الكم ضروري في الواقع في التركيب النووي في النجوم. عادةً ما يكون نفق الكم نادر الحدوث - ولكن في جسم كبير مثل الشمس (يبلغ قطره 4 ثوانٍ ضوئية) ، لا بد أن يحدث ذلك كثيرًا. هذا هو ما يسمح بشكل أساسي للنوى الذرية بالتصادم.


بندول جاليليو # 039 s

لا يوجد موضوع في فيزياء الكم قد ألهم الكثير من الارتباك والإحباط والإبداع التجريبي أكثر من التشابك. من المؤكد أنه تم كتابة وتحدث المزيد من الهراء عن التشابك أكثر من أي مفهوم آخر حتى الفيزيائيين الذين يفهمونه يجدون صعوبة في شرحه للآخرين ، وغالبًا ما يفشلون. وحتى إذا فهمت الأمر جيدًا (كما أحب أن أعتقد أنني أفعل) ، فقد يبدو الأمر مزعجًا للغاية. أود أن أقول أنه إذا لم يزعجك & # 8217t على مستوى ما ، فإنك لم تفكر فيه بعناية.

بشكل عام ، يتضمن التشابك الخطوات التالية:

  1. يتم تحضير نظام كمي واحد بعناية ، ثم يتم تقسيمه إلى قسمين. المثال العملي (الذي أشرت إليه بالتفصيل أدناه) هو إنشاء فوتونين من مصدر واحد باستقطابين معاكسين ولكن غير محددين. (راجع المنشورات السابقة في هذه السلسلة لمزيد من المعلومات حول الاستقطاب.)
  2. نظرًا لأن النظامين الجديدين مترابطان ، فإن خصائصهما ليست مستقلة: إذا كان استقطاب فوتون واحد عموديًا ، فيجب أن يكون الآخر مستقطبًا عموديًا. ومع ذلك ، لا توجد طريقة لمعرفة أي واحد لديه أي استقطاب دون قياس: إنه غير محدد ، وكالمعتاد في فيزياء الكم ، فإن أفضل ما يمكننا فعله هو تعيين احتمالات لكل نتيجة محتملة للقياس.
  3. إذا قمت بقياس الاستقطاب واحد من هذه الفوتونات (باستخدام مرشح استقطاب ومعرفة ما إذا كان يمر) ، يمكن التنبؤ بأي قياس استقطاب على الفوتون الآخر ، بغض النظر عن المسافة التي قطعتها الفوتونات. وهكذا ، إذا استخدمت مرشحًا أفقيًا على الفوتون الأول وتمر عبره ، فلن يمر الفوتون الثاني من خلال مرشح أفقي ، لأنه يجب أن يكون مستقطبًا رأسيًا.

إذن هنا المشكلة & # 8217s: القياس الأول لا موجه أي شيء يحدث مع النظام الثاني: لا يمكن أن يكونا على اتصال بأي شكل من الأشكال ، لأن المسافة بينهما عشوائية. بعبارة أخرى ، يمكن فصلهم بعدة فرسخ فرسخ دون تغيير النتيجة ، لذلك إذا كانوا ينقلون المعلومات بالفعل ، فسيكون ذلك انتهاكًا للنسبية. (على الرغم من أن مسافات مقياس فرسخ البحر غير عملية ، فقد أثبتت التجارب الحقيقية التشابك عبر بحيرة وبين الجزر.) يمكنك & # 8217t إرسال إشارات أسرع من الضوء باستخدام التشابك نتيجة لذلك: الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها التواصل نوعًا ما هي إذا كان لديك مجموعتان من الباحثين الذين اتفقا مقدمًا على إعدادات أدواتهم قبل أن يفترقوا عن الشركة ، لن تتوفر معلومات جديدة ، نظرًا لأن حقيقة يتم الاتصال بسرعة الضوء أو أبطأ ، حتى قبل إجراء القياسات. هناك & # 8217s حتى نتيجة نظرية تظهر أن نقل المعلومات بشكل أسرع من الضوء يمكن & # 8217t أن يحدث دون السماح لأشياء أخرى بانتهاك النسبية ، وهو ما نعرفه عن ذلك.

يجب أن يحدث شيء آخر ، إذن: إما أن تكون الأشياء غير محددة حقًا وغير محلية (بمعنى أن النظام الكمومي لا يعتمد على مكان إجراء القياسات) ، أو هناك & # 8220 متغير مخفي & # 8221 (والذي قد يتضمن تقلب عشوائي) يربط بين النظامين النائيين اللذين يحددان نتيجة كل قياس ، أو فكرة أخرى قد لا أعرف عنها. التفسير العام الأول مأخوذ من التفسير القياسي & # 8220Copenhagen & # 8221 للنظرية الكمومية: فهو يقول لا داعي للقلق بشأن كون الأشياء غير محلية ، طالما لم يتم نقل أي معلومات. يوضح تفسير كوبنهاجن: لا توجد حقيقة مستقلة تتجاوز قياساتنا ، لذلك كل ما نحتاجه هو احتمال نتيجة معينة. تفسد التفسيرات الأخرى بالصعوبات: فهي تنطوي على التفسير فقط وبالتالي فهي لا تخضع للاختبارات التجريبية ، أو يصعب تمييزها عن تفسير كوبنهاجن ، أو أنها تتنبأ بأشياء ليست كذلك.

استطراد تاريخي

الورقة الأولى التي حاولت التعامل مع التشابك الكمومي جاءت من ألبرت أينشتاين ، بوريس بودولسكي ، وناثان روزين ، لذلك عُرفت باسم ورق EPR. (على الرغم من أن التجربة الفكرية & # 8220Schrödinger & # 8217s & # 8221 معروفة بشكل أفضل ، إلا أنها تتعامل بشكل أساسي مع مشكلة منفصلة تتعلق بتفسير ميكانيكا الكم - التفاعل بين النظام المجهري الذي تمليه العمليات الكمية والقط العياني - لذلك أعتقد أنه & # 8217s ليست مفيدة جدًا لفهم التشابك نفسه.) ورقة EPR ، التي نُشرت في عام 1935 ، بعنوان & # 8220 هل يمكن اعتبار الوصف الميكانيكي الكمومي للواقع المادي مكتملاً؟ & # 8221 عندما يسأل العنوان a & # 8220yes أو no & # 8221 السؤال ، يتوقع المؤلفون أن الإجابة هي & # 8220no & # 8221 ، وهذه الورقة لا تختلف. استنتج أينشتاين وزملاؤه أن التفسير القياسي لميكانيكا الكم يجب أن يكون خاطئًا.

على الرغم من أنني قرأتها عدة مرات وما زلت أجدها رائعة ، لن أشرح ورقة EPR الأصلية بالتفصيل: التجربة التي يقترحونها غير عملية بشكل كبير ، ناهيك عن نوع من الفوضى للمناقشة. لا أعتقد أن أي شخص قد اقترح على الإطلاق تنفيذه ، لذا فإن كل مناقشة حول التشابك بعد EPR تستند إلى أوراق لاحقة بقلم ديفيد بوم وياكير أهارونوف (نفس الرجال مثل تأثير أهارانوف-بوم) وخاصة جون س. . تفترض معظم التجارب الحديثة أن التشابك صحيح وتستخدم تنبؤات نظرية الكم لتفسير نتائجها ، أو تختبر إحدى متباينات بيل ، وهي مجموعة من العلاقات الرياضية التي تتنبأ بكيفية اختلاف فيزياء الكم عن فئة من النماذج البديلة التي تتضمن متغيرات خفية . لمزيد من المعلومات حول أبحاث Bell & # 8217s ، راجع شرح Aatish Batia & # 8217s الممتاز في سلكي.

التشابك في العمل

الرعد المعكوس: يدخل فوتون واحد ويخرج اثنان. الصورتان العلويتان عبارة عن رسم تخطيطي لسطوع ليزر على بلورة ، ثم ينبعث منها اثنان. الصورتان السفليتان عبارة عن رسم تخطيطي للانتقال الكمي الداخلي للإلكترون داخل البلورة. الفوتونان الجديدان لهما استقطابات مترابطة: إنهما متشابكان.

المثال I & # 8217m الموضح هنا هو نسخة مبسطة من نوع شائع. (راجع إحدى مقالاتي السابقة للحصول على مناقشة أكثر تفصيلاً لتجربة تشابك ثمانية فوتونات.) في هذه التجارب ، يرسل الباحثون فوتونات مفردة من ليزر إلى نوع خاص من البلورات. يثير الفوتون المفرد البلورة إلى حالة طاقة أعلى ، ولكن عندما تتحلل ، فإنها تنبعث اثنين الفوتونات.

الاستقطاب (من بين أشياء أخرى) مقياس لفوتون & # 8217s: حالته الدورانية مستقلة عن حركته. يتم الاحتفاظ بالدوران ، لذا يجب أن يكون إجمالي مقدار دوران الفوتون الأصلي الذي يحمله إلى البلورة مساويًا لدوران الفوتونين المنبعثين بعد ذلك. هذا يعني أن الفوتونات المنبعثة لها استقطاب مترابط: إذا كان أحدهما مستقطبًا أفقيًا ، فيجب أن يكون الآخر رأسيًا. ومع ذلك ، فإن الاستقطاب المحدد لأي من تلك الفوتونات غير محدد! نحن نعلم فقط أنهما مترابطان.

رسم تخطيطي لتجربة التشابك.

يتم إرسال الفوتونات الجديدة على طول مسارات مختلفة ، والتي يمكن أن تكون طويلة جدًا ، لذا لم يتم العبث بها في الطريق. في نهاية كل مسار ، تلتقي الفوتونات بنوع من المرشح الذي يقيس استقطابها فيما يتعلق بتوجيه المرشح. يمكن أن يكون الاستقطاب أي زاوية طالما أنه & # 8217s عموديًا على المسار الذي يتبعه الفوتون ، لذلك يتمتع المجربون بحرية كبيرة في اختيار المرشح. اقترح جون بيل تغيير اتجاهات المرشح أثناء مرور الفوتونات فعليًا ، لاستبعاد التغييرات الديناميكية في خصائص الفوتون (بالإضافة إلى استبعاد أي أفكار أخرقة حول اتصال الفوتونات أو التخاطر). ولكي نكون أكثر ثقة ، اقترح ثلاثة من علماء الفيزياء استخدام الضوء من الكوازارات لضبط اتجاه المرشحات ، مما يلغي التأثيرات الأكثر دقة.

أظهرت مجموعة متنوعة من التجارب التي بدأت في أوائل الثمانينيات أن الفوتونات و # 8217 الاستقطاب مترابطان على الرغم من أنهما لا يمكنهما التفاعل بشكل مباشر في وقت القياس. تستخدم هذه التجارب مجموعة متنوعة من اتجاهات المرشح ، بما في ذلك الإعدادات العشوائية ، وتغيير المرشحات أثناء تقدم التجربة لمنع الاتصالات المخفية ، وغيرها من الطرق المعقدة - كل ذلك لإثبات أن التشابك حقيقي. أدت التجارب اللاحقة إلى تشابك أكثر من فوتونين ، لكن المبدأ لا يزال كما هو: أن الفوتونات كانت في الأصل جزءًا من نظام واحد يعني أن نتائج القياسات على أحدهما ليست مستقلة عن القياسات على الآخرين.

كما هو الحال مع تجارب الاستقطاب العادية ، فإن القياسات على الفوتونات الفردية (أو بالأحرى الأزواج الفردية) لا تسمح لنا بإعادة بناء كل ما نحتاج إلى معرفته. يجب أن نكرر التجربة للعديد من أزواج الفوتونات المتشابكة لإعادة بناء جميع الاحتمالات وإظهار أن الفوتونين ليسا مستقلين عن بعضهما البعض. ومع ذلك ، فإن النتائج واضحة: بغض النظر عن المسافة بين مرشحات الاستقطاب ، يتصرف الفوتونان كجزئين من نظام واحد.

الآن هناك الكثير من التفاصيل التي لم أقم بتضمينها & # 8217t. تجارب التشابك صعبة ، لأن عددًا من الأشياء يمكن أن تفسدها. تُفقد الفوتونات المفردة بسهولة أو تتأثر بطريقة أخرى بالتأثيرات البيئية العشوائية ، والتي تحمل الاسم التقني & # 8220decoin & # 8221. (ربما يجب أن يكون الإدخال التالي في هذه السلسلة حول فك الترابط؟) وقد ثبت أن تشابك جسيمات المادة أكثر صعوبة. ومع ذلك ، فإن كل تجربة تدعم حقيقة التشابك ، مما يتركنا مع مهمة غير مريحة في بعض الأحيان تتمثل في محاولة فهم ما يحدث بالفعل.

[بينما أستمر في مواجهة المواعيد النهائية - والتوجه إلى ScienceOnline 2014 هذا الأسبوع - فإن منشوره عبارة عن نسخة معدلة ومحدثة بشكل كبير من منشور سابق.]


هل يمكن أن يتسبب التشابك الكمومي في حدوث التخليق النووي في النجوم؟ - الفلك

أغنية Twinkle twinkle little star. ما سبب "وميض" النجوم؟ هل ضوء من الكواكب "يومض" كما الضوء من النجوم؟

سألني شاب من معارفي هذا السؤال ، ولم تكن لدي إجابة جيدة.

تلألأ النجوم بسبب الاضطرابات في الغلاف الجوي للأرض. بينما يتماوج الغلاف الجوي ، ينكسر ضوء النجم في اتجاهات مختلفة. هذا يتسبب في تغيير صورة النجم قليلاً في السطوع والموضع ، وبالتالي "وميض". هذا هو أحد أسباب نجاح تلسكوب هابل: في الفضاء ، لا يوجد غلاف جوي يجعل النجوم تومض ، مما يسمح بالحصول على صورة أفضل بكثير.

لا تلمع الكواكب كما تفعل النجوم. في الواقع ، هذه طريقة جيدة لمعرفة ما إذا كان جسم معين تراه في السماء كوكبًا أم نجمًا. والسبب هو أن النجوم بعيدة جدًا لدرجة أنها في الأساس نقاط ضوء في السماء ، في حين أن الكواكب في الواقع لها حجم محدود. حجم كوكب في السماء بمعنى "متوسط" التأثيرات المضطربة للغلاف الجوي ، مما يقدم صورة مستقرة نسبيًا للعين.

تم تحديث هذه الصفحة في 27 يونيو 2015

عن المؤلف

ديف كورنريتش

كان ديف مؤسس Ask an Astronomer. حصل على درجة الدكتوراه من جامعة كورنيل عام 2001 وهو الآن أستاذ مساعد في قسم الفيزياء والعلوم الفيزيائية بجامعة ولاية هومبولت في كاليفورنيا. هناك يدير نسخته الخاصة من اسأل الفلكي. كما أنه يساعدنا في حل مسألة الكوسمولوجيا الغريبة.


هل يمكن أن يتسبب التشابك الكمومي في حدوث التخليق النووي في النجوم؟ - الفلك

لدورة دراسية مستقلة في مدرستي الثانوية ، أقوم بالبحث في تكوين العناصر ، خفيفة وثقيلة على حد سواء. لدي بعض الفهم الأساسي لكيفية القيام بذلك ، ووجدت أيضًا بعض المعلومات الفنية التي لا أفهمها في هذا الوقت. هل يمكنك توجيهي إلى بعض المقالات الجيدة حول هذا الموضوع ، أو ربما تغطية بعض المواد الأكثر تقدمًا بنفسك؟

تم إنتاج أخف العناصر (الهيدروجين والهيليوم والديوتيريوم والليثيوم) في عملية التخليق النووي في Big Bang. وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، كانت درجات الحرارة في الكون المبكر عالية جدًا بحيث يمكن حدوث تفاعلات الاندماج. أدى ذلك إلى تكوين عناصر خفيفة: الهيدروجين والديوتيريوم والهيليوم (نظيران) والليثيوم وكميات ضئيلة من البريليوم.

الاندماج النووي في النجوم يحول الهيدروجين إلى هيليوم في كل النجوم. هذا هو رد الفعل الوحيد الذي يحدث في النجوم الأقل كتلة من الشمس. في النجوم الأكثر ضخامة من الشمس (ولكن أقل كتلة من حوالي 8 كتل شمسية) ، تحدث تفاعلات أخرى تحول الهيليوم إلى كربون وأكسجين في مراحل ناجحة من التطور النجمي. في النجوم الضخمة للغاية ، تستمر سلسلة التفاعل في إنتاج عناصر مثل السيليكون حتى الحديد.

لا يمكن تشكيل عناصر أعلى من الحديد من خلال الاندماج حيث يتعين على المرء توفير الطاقة لحدوث التفاعل. ومع ذلك ، فإننا نرى عناصر أعلى من الحديد حولنا. فكيف تشكلت هذه العناصر؟ الجواب هو المستعرات الأعظمية. في انفجار مستعر أعظم ، تحدث تفاعلات أسر النيوترونات (هذا ليس اندماجًا) ، مما يؤدي إلى تكوين عناصر ثقيلة. هذا هو السبب في أنه يقال أن معظم الأشياء التي نراها من حولنا تأتي من النجوم والمستعرات الأعظمية (جزء العناصر الثقيلة). إذا دخلت في التفاصيل الفنية ، فهناك عمليتان لالتقاط النيوترونات تسمى العملية السريعة (r-process) والعملية البطيئة (s-process) ، وتؤديان إلى تكوين عناصر مختلفة.

لمزيد من التفاصيل ، راجع مواقع الويب التالية:

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في 27 حزيران (يونيو) 2015.

عن المؤلف

جاغاديب دي بانديان

Jagadheep بنى مستقبل جديد لتلسكوب Arecibo الراديوي يعمل بين 6 و 8 جيجا هرتز. يدرس 6.7 جيجا هرتز مايزرات الميثانول في مجرتنا. تحدث هذه الموجات في المواقع التي تولد فيها النجوم الضخمة. حصل على درجة الدكتوراه من جامعة كورنيل في يناير 2007 وكان زميلًا لما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي في ألمانيا. بعد ذلك ، عمل في معهد علم الفلك بجامعة هاواي كزميل لما بعد الدكتوراة في ما بعد المليمتر. جاغاديب هو حاليا في المعهد الهندي لعلوم وتكنولوجيا الفضاء.


تطبيقات التشابك الكمي

ميكانيكا الكم (تُعرف أيضًا باسم فيزياء الكم ، أو نظرية الكم ، أو النموذج الميكانيكي الموجي ، أو ميكانيكا المصفوفة) هي نظرية أساسية في الفيزياء ، تصف الطبيعة في أصغر مستويات مستويات الطاقة للذرات والجسيمات دون الذرية.

واحدة من أكثر الظواهر المحيرة في QM & rsquos هي التشابك الكمومي (Qe). وفقًا لهذه الظاهرة ، عندما يتشابك جسيمان & # 8202 & mdash & # 8202 مثل الذرات أو الفوتونات أو الإلكترونات & # 8202 & mdash & # 8202 ، فإنهم يواجهون رابط لا يمكن تفسيره يتم الحفاظ عليها حتى لو كانت الجسيمات على طرفي نقيض من الكون ، على بعد مليون سنة ضوئية. لذا ، فإن التشابك يعني أن سلوك هذه الجسيمات مرتبط ببعضها البعض. على سبيل المثال ، إذا تم العثور على جسيم واحد يدور في اتجاه واحد ، ثم الجسيم الآخر على الفور وعلى الفور يغير دورانه بالطريقة المقابلة التي يمليها التشابك. في الواقع ، يمكن للمراقب الذي يقيس جسيمًا واحدًا أن يتنبأ تمامًا بالقياسات المقابلة لمراقب ثان ينظر إلى الجسيم الآخر بعيدًا. في حالة التشابك ، لا يمكن وصف مكون واحد (نظام أو جسيم) بالكامل دون النظر إلى الآخر (المكونات). حتى الآن ، تم إثبات Qe تجريبيًا باستخدام الفوتونات والنيوترينوات والإلكترونات والجزيئات الكبيرة مثل كرات بوكي وحتى الماس الصغير. تم العثور على قياسات الخواص الفيزيائية مثل الموضع ، والزخم ، واللف ، والاستقطاب ، التي أجريت على الجسيمات المتشابكة ، متشابكة.

قد يبدو أن الغرابة الكمية تتفوق على الضوء - هنا & rsquos لماذا يمكن ذلك & rsquot

ولكن ما مدى سرعة & ldquoinstantically والفورية & rdquo في Qe؟ وفقًا لبحث أجراه فريق من الفيزيائيين الصينيين ، فإن الحد الأدنى للسرعة المرتبطة بـ Qe لا يقل عن 3 تريليون متر في الثانية أو أربع مرات أسرع من سرعة الضوء. وهذا يعني أنه خلال Qe ، يحدث نقل المعلومات الكلاسيكية & ldquonon & rdquo بين جسيمين على الفور ، في حين أن الكشف عن Qe على الراصدين (المعلومات الكلاسيكية) ، في الأكوان المختلفة ، لا يحدث على الفور. ببساطة لأنه يعتمد على سرعة الضوء.

لذلك ، في هذا العالم الكمي السحري ، نعم ، QM غريب حتى أن ألبرت أينشتاين وزملاؤه في عام 1935 ادعوا أن Qe يجب أن يكون & ldquo مكتملًا & rdquo نظرًا لأنه كان أيضًا & ldquospooky & rdquo ليكون حقيقيًا. المشكلة هي أن يبدو أن إدارة الجودة تتحدى المفاهيم المنطقية للسببية والمحلية والواقعية. على سبيل المثال:

1) أنت تعلم أن القمر موجود حتى عندما & rsquore لا تنظر إليه & # 8202 & mdash & # 8202that & rsquos الواقعية. لكن وفقًا للفيزيائي النظري ، فإن واقع جون ويلر مصنوع من المعلومات التي يتم إنشاؤها عن طريق الملاحظة ، وهذا يعني أن القمر موجود فقط عند ملاحظته.

2) بخصوص السببية (السبب والنتيجة) ، نحن نعلم ونعتبر أنه من المسلم به أن & ldquo إذا نقرت على مفتاح الضوء ، فسوف يضيء المصباح & rdquo. لكن Qe مستقل عن الزمان والمكان. في الواقع في إدارة الجودة ، لا يتم التمييز بين السبب والنتيجة على المستوى الأساسي ، لذلك يمكن اعتبار الأنظمة المتماثلة الزمنية على أنها سببية أو رجعية سببية. رجعية هو مفهوم حيث يسبق التأثير سببه في الوقت المناسب. وهذا يعني أنه & ldquoif أنا أضيء لمبة ، سيتم تشغيل نفض الغبار rdquo.

3) علاوة على ذلك ، وبفضل الحد الصارم لسرعة الضوء ، إذا نقرت على مفتاح التشغيل الآن ، فلن يحدث التأثير المرتبط على الفور على بعد مليون سنة ضوئية وفقًا للمنطقة. ولكن في Qe نقل المعلومات & ldquobreaks & rdquo سرعة الضوء.

في الختام ، تنهار هذه المبادئ الثلاثة للسببية والمحلية والواقعية في عالم الكم ، مع كون Qe أشهر مثال عصبي. في النهاية ، في عام 1964 ، أثبت الفيزيائي جون ستيوارت بيل أن QM كانت ، في الواقع ، نظرية كاملة وقابلة للتطبيق. أثبتت نتائجه ، التي تسمى الآن نظرية Bell & rsquos ، بشكل فعال أن Qe حقيقي مثل القمر ، لذلك اليوم يتم تسخير السلوكيات الغريبة للأنظمة الكمومية لاستخدامها في مجموعة متنوعة من تطبيقات العالم الحقيقي.

ترك العالم الكمي وراءنا لفترة من الوقت والعودة إلى عالمنا والعادي ، يمكن لـ Qe في الواقع تذكير شخص ما عقيدة شرق آسيا: & ldquo الخيط الأحمر لمصير rdquo. وفقًا لأسطورة قديمة: & ldquo تربط الآلهة حبلًا أحمر غير مرئي حول الكاحلين أو الأصابع الصغيرة لأولئك الذين يتجهون إلى الالتقاء ببعضهم البعض في موقف معين أو مساعدة بعضهم البعض بطريقة معينة. الشخصان المتصلان بالخيط الأحمر هما شريكان متجهان ، بغض النظر عن المكان أو الوقت أو الظروف & rdquo & helliplike في Qe. علاوة على ذلك ، قد يمتد هذا الحبل السحري بين الجزأين / الشريكين أو يتشابك ، لكنه لن ينكسر أبدًا ويحافظ على تشابك & ldquohuman & rdquo إلى الأبد.

تتشابه هذه الأسطورة مع المفهوم الغربي عن رفقاء الروح أو الشركاء المتجهين ، وهو مفهوم يمكن استخدامه للتعبير عن ما يبدو القدر أو القدر حدث أو صداقة أو حدث. يُنظر إلى القدر والقدر تقليديًا على أنه & ldquopower & rdquo مستوحى من الإلهية ، وهذا & ldquoorders & rdquo مسار الأحداث وتحديد الأحداث على أنها & ldquoinevitable & rdquo. هذا مفهوم قائم على الاعتقاد بوجود نظام طبيعي ثابت في هذا الكون.

وعلاوة على ذلك، الحتمية هو مفهوم فلسفي غالبًا ما يتم الخلط بينه وبين القدر والقدر ، مما يشير إلى أن كل ما يحدث يتم تحديده من خلال الأشياء التي حدثت بالفعل (السببية: العلاقة بين السبب والنتيجة). لكن الحتمية تختلف عن القدر والقدر من حيث أنها لا تُصوَّر أبدًا على أنها فكرة روحية أو دينية أو فلكية ، في الواقع ، الحتمية هي ببساطة & ldquocaused & rdquo. على أي حال ، ldquo وتسبب في الحتمية و rdquo أو المصير ldquogiven من قبل الآلهة و rdquo ، كلاهما يشير إلى أن الواقع هو نوع من الرسوم المتحركة المبرمجة الحتمية ، فكرة أن تجربة الشق المزدوج الشهيرة (حجر الزاوية في الفيزياء الحديثة) قد استبعدت ، وهذا هو بداية عصر الإرادة الحرة.

في الواقع ، العودة مرة أخرى إلى عالمنا الكمي ، وفقًا لبعض علماء الفيزياء ، يتكون الواقع من معلومات في شكل رمزية ، وهذا شيء يشبه الشفرة الهندسية. ومثل أي لغة ، يحتوي هذا الرمز الهندسي على بعض القواعد (الحتمية) ولكن أيضًا بعض الحرية النحوية (الإرادة الحرة) ، والتي تتطلب فكرة معينة عن المنتقي لاختيار الخطوات المجانية في اللغة. وبالتالي ، قد يشير ذلك إلى أنه إذا دغدرت جسيمًا واحدًا في كون واحد ، فإن كلا الجسيمين المتشابكين في كونين مختلفين سوف يضحك بالتأكيد وعلى الفور ولكن جسيم واحد قد يعطس أيضًا في الإرادة الحرة! من تعرف؟ المعركة بين الحتمية والإرادة الحرة يجب أن تستمر بين الفيزيائيين بينما يحاولون فهم أعمق أسرار هذا الكم الرائع والعالم العادي الذي نسميه الحياة.

ولكن هنا بعض من أكثرها إثارة للاهتمام تطبيقات العالم الحقيقي لـ Qe في عالمنا و ldquoordinary و rdquo:

أكواد غير قابلة للكسر (اتصالات الكم)

في التشفير التقليدي ، يستخدم المرسل مفتاحًا واحدًا لتشفير المعلومات ، ويستخدم المستلم المفتاح المشترك بين الطرفين لفك تشفير الرسالة. ومع ذلك ، في هذه العملية ، من الصعب إزالة مخاطر محاولة طرف ثالث معرفة معلومات حول المفتاح الذي يتم إنشاؤه وتهديد التشفير. ولكن ، من المحتمل أن يتم إصلاح هذا باستخدام توزيع مفتاح الكم غير قابل للكسر (QKD). في QKD ، يتم إرسال معلومات حول المفتاح عبر الفوتونات التي تم استقطابها عشوائيًا. هذا يقيد الفوتون بحيث يهتز في مستوى واحد فقط & # 8202 & mdash & # 8202 على سبيل المثال ، لأعلى ولأسفل ، أو من اليسار إلى اليمين. يمكن للمستلم استخدام المرشحات المستقطبة لفك تشفير المفتاح ثم استخدام خوارزمية مختارة لتشفير رسالة بشكل آمن. لا يزال يتم إرسال البيانات السرية عبر قنوات الاتصال العادية ، ولكن لا يمكن لأحد فك تشفير الرسالة ما لم يكن لديه المفتاح الكمي الدقيق. هذا & rsquos صعب لأن القواعد الكمية تملي أن & rdquo قراءة & rdquo الفوتونات المستقطبة ستغير حالتها دائمًا ، وأي محاولة للتنصت ستنبه جهات الاتصال لخرق أمني. أكبر مشكلة في تقنية QKD الحالية هي أنه يمكنك فقط إرسال فوتون على بعد حوالي 100 كيلومتر أسفل كابل الألياف الضوئية قبل أن يصبح خافتًا للغاية بحيث لا يمكن استقباله. بعد ذلك ، يجب عليك & rsquove فك تشفيرها وإعادة إرسالها ، الأمر الذي يتطلب تثبيتًا عالي الأمان وبعض الأدوات باهظة الثمن. أول تحويل مصرفي باستخدام التشابك QKD تقدم في النمسا في عام 2004.

اليوم ، تستخدم شركات مثل BBN Technologies و Toshiba و ID Quantique وغيرها الكثير QKD لتصميم شبكات فائقة الأمان. يمكن العثور هنا على سوق التشفير الكمي من خلال التجزئة واللاعبين الرئيسيين والحجم وديناميكيات السوق وتوقعات أمبير 2024.

الحواسيب الكمومية (الحوسبة الكمومية)

الحوسبة الكمومية هي استخدام الظواهر الكمومية مثل التراكب و Qe لإجراء العمليات الحسابية. مجال الحوسبة الكمومية هو في الواقع مجال فرعي لعلم المعلومات الكمومية ، والذي يتضمن التشفير الكمي والتواصل الكمي. يقوم الكمبيوتر القياسي بترميز المعلومات كسلسلة من الأرقام الثنائية أو البتات. أجهزة الكمبيوتر الكمومية تشحن قوة المعالجة لأنها تستخدم بتات الكم ، أو الكيوبتات، التي توجد في حالة تراكب ، وحتى يتم قياسها ، يمكن أن تكون هذه الكيوبتات على حد سواء & ldquo1 & rdquo و & ldquo0 & rdquo في نفس الوقت. لا يزال هذا المجال قيد التطوير ، ولكن كانت هناك خطوات في الاتجاه الصحيح. اعتبارًا من أبريل 2019 ، لم يتم عرض أي أجهزة كمية كبيرة قابلة للتطوير. يوجد حاليًا قدر متزايد من الاستثمار في الحوسبة الكمية من قبل الحكومات والشركات القائمة والشركات الناشئة. يتم متابعة إظهار التفوق الكمي بنشاط في كل من البحث الأكاديمي والصناعي. من المتوقع أن ينمو سوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية من 93 مليون دولار في عام 2019 إلى 283 مليون دولار بحلول عام 2024.

تُستخدم الحوسبة الكمية أيضًا لمحاكاة المواد في العديد من الصناعات ، مثل الرعاية الصحية والسيارات والترفيه والبنوك والتمويل والدفاع. تعمل شركات مثل D-Wave Systems Inc. (كندا) و 1QB Information Technologies Inc. (كندا) و QxBranch، LLC (الولايات المتحدة) على توفير منصة لتعزيز توافر أجهزة الكمبيوتر الكمومية وإمكانية استخدامها وإمكانية الوصول إليها في المواد. تطبيقات المحاكاة. تم إطلاق QxBranch LLC (الولايات المتحدة) محاكي الحوسبة الكمومية لبنك الكومنولث الأسترالي يختلف جهاز محاكاة الكم عن جهاز الكمبيوتر. تم تصميم المحاكيات لحل معادلة واحدة ، وسيتطلب حل معادلة مختلفة بناء نظام جديد ، في حين أن الكمبيوتر يمكنه حل العديد من المعادلات المختلفة. من المتوقع أن تؤدي هذه التطورات إلى نمو سوق الحوسبة الكمومية لتطبيق المحاكاة. علاوة على ذلك ، أطلقت Atos SE (فرنسا) جهاز محاكاة الكم الأعلى أداءً باسم Atos Quantum Learning Machine & rsquo (Atos QLM).

يمكن أن يكون للحوسبة الكمومية تأثير محتمل على التكنولوجيا المالية من خلال معالجة المعاملات وتسويتها ، ومعالجة البيانات بشكل أسرع ، ونمذجة المخاطر والأداء وأمان أفضل. كان JP Morgan و Barclays يشتغلان بأدوات الحوسبة الكمومية IBM & rsquos ، وفقًا لـ Wired ، يتطلعان إلى المستقبل للتطبيقات العملية. في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال مثالية ، إلا أنها إذا اتضح أنها تعمل مثل عمالقة التكنولوجيا المالية ، نأمل أن يؤدي ذلك إلى انخفاض تكاليف الطاقة وتحسين الأداء بشكل كبير في كل شيء.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا أن تساعد العالم في التأقلم تغير المناخ، واحدة من أكثر الظواهر تعقيدًا في العالم والتي يصعب التنبؤ بها. في الواقع ، دخلت Exxon Mobil في شراكة مع IBM لاستكشاف التطبيقات بما في ذلك النمذجة البيئية التنبؤية وتكنولوجيا احتجاز الكربون. تستخدم Daimler Mercedes-Benz أيضًا الحوسبة الكمية لاختبار أنواع جديدة من كيمياء البطاريات لتحسين المركبات الكهربائية. وتعمل هيئة كهرباء ومياه دبي مع Microsoft لتحسين إدارة شبكة الطاقة لديها.

الأدوية تعاونت شركة Biogen العملاقة مع شركة الاستشارات Accenture وشركة 1QBit في تجربة الحوسبة الكمية في عام 2017 بهدف النمذجة الجزيئية ، وهي واحدة من أكثر التخصصات الطبية تعقيدًا. الهدف: إيجاد الأدوية المرشحة لعلاج الأمراض التنكسية العصبية. تتعاون Microsoft مع جامعة Case Western Reserve لتحسين دقة أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ، والتي تساعد في اكتشاف السرطان. أخيرًا ، كبير شركات الكيماويات تستثمر بنشاط في الحوسبة الكمومية.

مجاهر محسنة (مجهر التشابك الكمي)

في عام 2013 ، طور فريق من الباحثين في اليابان وجامعة هوكايدو اليابانية أول مجهر معزز للتشابك في العالم باستخدام تقنية تُعرف باسم الفحص المجهري للتداخل التفاضلي. يطلق هذا النوع من المجاهر حزمتين من الفوتونات في مادة ما ويقيس نمط التداخل الناتج عن الحزم المنعكسة. يزيد استخدام الفوتونات المتشابكة بشكل كبير من كمية المعلومات التي يمكن أن يجمعها المجهر ، حيث أن قياس فوتون واحد متشابك يعطي معلومات عن شريكه. تمكن فريق Hokkaido من تصوير صورة منقوشة ldquoQ & rdquo تقف على ارتفاع 17 نانومترًا فقط فوق الخلفية بوضوح غير مسبوق. مجهر التشابك الكمومي هو شكل من أشكال متحد البؤر مجهر تباين التداخل التفاضلي. يمكن العثور على معلومات تتعلق بحجم صناعة الفحص المجهري العالمية هنا.

يمكن استخدام تقنيات مماثلة لتحسين دقة أدوات علم الفلك المسماة مقاييس التداخل ، المستخدمة في البحث عن كواكب خارج المجموعة الشمسية ، لسبر النجوم القريبة والبحث عن تموجات في الزمكان تسمى موجات الجاذبية.

البوصلات البيولوجية (بيولوجيا الكم)

كيف يمكن للطيور أن تكون قادرة على إدراك ومتابعة شيء خافت مثل المجال المغناطيسي للأرض و rsquos أثناء الهجرة؟ ، عن طريق آلية الزوج الجذري المتشابك. تم اقتراح Cryptochromes في الواقع على أنها & ldquomagnetic الجزيئات & rdquo التي يمكن أن تؤوي أزواج جذرية حساسة مغناطيسيًا.

عندما يصطدم فوتون ، جسيم خفيف ، بجزيء الكريبتوكروم في عين طائر ورسكووس ، فإنه يفقد إلكترونًا قد يرتبط بعد ذلك بجزيء ثانٍ. عندئذٍ يكون لجزيئي Cry 4 عدد فردي من الإلكترونات ، ويصبحان زوجًا جذريًا. نظرًا لأن كلا من هذين الراديكاليين تم إنشاؤهما في وقت واحد و [مدشبي] أن إرخاء الإلكترون & # 8202 & [مدش & # 8202] يصبح الزوج الجذري متشابكًا. هذه الحالة المتشابكة مؤقتة للغاية ، وقد فازت و rsquot تعيش أكثر من 100 ميكروثانية. لكن خلال تلك الفترة القصيرة ، سيكون الزوج الراديكالي في إحدى الحالتين. يعتقد العلماء أن المجال المغناطيسي للأرض و rsquos يؤثر على مقدار الوقت الذي تقضيه الجزيئات في أي من الحالتين ، وأي تغييرات تطرأ على مدة هذه الحالات تخبر الطائر بطريقة ما بمكانه. نظرية الزوج الراديكالي هي أفضل تفسير لأنظمة الملاحة للطيور و rsquo التي لدينا حتى الآن.

علاوة على ذلك ، فإن جسم الإنسان عبارة عن تدفق مستمر لآلاف التفاعلات والعمليات الكيميائية / البيولوجية التي تربط الجزيئات والخلايا والأعضاء والسوائل في جميع أنحاء الدماغ والجسم والجهاز العصبي. حتى وقت قريب ، كان يُعتقد أن كل هذه التفاعلات تعمل في تسلسل خطي ، وتمرير المعلومات مثل عداء يمرر العصا إلى العداء التالي. ومع ذلك ، فقد اكتشفت أحدث النتائج في بيولوجيا الكم والفيزياء الحيوية أن هناك ، في الواقع ، درجة هائلة من التماسك داخل جميع الأنظمة الحية ، حيث يلعب Qe دورًا مهمًا للغاية داخلنا جميعًا. في الواقع ، من الممكن أن تكون بنية البروتين الرباعية قد تطورت لتمكين التشابك الكمي المستمر والتماسك. علم الأحياء الكم هو مجرد مجال ناشئ ومعظم الأبحاث الحالية نظرية وتخضع للأسئلة التي تتطلب مزيدًا من التجارب.

الحب. فيزياء الكم. غير مرتبط به تمامًا ، ولكنه متوازي بشكل غريب.

الخيط الأحمر للقدر والقدر والقدر والحتمية هي أمثلة لا تعد ولا تحصى من المعتقدات القديمة والأساطير والفلسفات التي تركها أسلافنا وراءنا ، مع العلم بطريقة ما أننا في يوم من الأيام سنكون أكثر قدرة على فهم الحياة بشكل أفضل أثناء التنقل. في التقاطع بين العالم الكمي والعالم العادي. في النهاية ، يدور العالم الكمومي حول & ldquomind & rdquo بدلاً من & ldquomatter & rdquo ، بينما يجب أن يكون العالم العادي أكثر حول & ldquolove & rdquo بدلاً من & ldquomatter & rdquo ، ولكن في تقاطع هذين العالمين المختلفين ظاهريًا هو المكان الذي يوجد فيه العقل والمادة والحب تصطدم. وربما في هذا التقاطع ، بدأت جميع التطورات التكنولوجية الرئيسية بطريقة ما. كما قال ويليام بليك & # 8202 & # 8202 & ldquo ما ثبت الآن كان يتخيل مرة واحدة فقط & rdquo.


التحديات

بالطبع ، لن يكتمل أي عرض ترويجي متعلق بـ SETI بدون ذكر التحديات المحتملة. For starters, there’s the matter of decoherence, where energy (and hence, information) is lost to the background environment. Where transmissions through interstellar space are concerned, the main issues are distance, free electrons (solar wind), interplanetary dust, and the interstellar medium – low-density clouds of dust and gas.

“As a baseline, the largest distance over which successful optical entanglement experiments have been performed on Earth is 144 km,” notes Hippke. Since the mass density of the Earth’s atmosphere is 1.2 kg m -3 , this means that a signal passing through a column 144 km (

90 mi) in length was dealing with a column density of 1.728×10 5 kg m -2 . In contrast, the column density between Earth and the nearest star (Proxima Centauri) is eight orders of magnitude lower (3×10 -8 kg m -2 ).

Another issue is the delay imposed by a relativistic Universe, which means that messages to even the closest star systems would take years. As a result, quantum computation is something that will be performed locally for the most part, and only condensed qubits will be transmitted between communication nodes. With this in mind, there are a few indications humanity could be on the lookout for in the coming years.


6. Without it the sun wouldn’t shine

The sun makes its energy through a process called nuclear fusion. It involves two protons — the positively charged particles in an atom — sticking together. However, their identical charges make them repel each other, just like two north poles of a magnet. Physicists call this the Coulomb barrier, and it’s like a wall between the two protons.

Think of protons as particles and they just collide with the wall and move apart: No fusion, no sunlight. Yet think of them as waves, and it’s a different story. When the wave’s crest reaches the wall, the leading edge has already made it through. The wave’s height represents where the proton is most likely to be. So although it is unlikely to be where the leading edge is, it is there sometimes. It’s as if the proton has burrowed through the barrier, and fusion occurs. Physicists call this effect "quantum tunneling".


Entanglement

One of the more famous fables in quantum mechanics is about poor Schrödinger's cat, who got stuck in an uncertain state: the feline was neither alive nor dead until someone opened the box to find out. Uncertainty is another one of the truly freaky features of quantum mechanics. In the real world, something can either be alive or dead in the quantum world, there's a third option in which the object's state hasn't yet been determined. To break the uncertainty, someone has to measure it (open the box) and force the object (cat) into one state (alive/dead).

Entangled particles also exist, initially, in an uncertain state. Particles can't be alive or dead, so instead think heads and tails. If you flip a coin 100 times, odds are it will come up heads close to 50 times and tails close to 50 times. If I then flip my own coin 100 times, there's a high probability the split will also be close to 50/50. But if our coins are entangled, then the outcome of your flip determines the outcome of my flip — perhaps our entanglement is such that every time you flip heads I flip tails. If we flip our coins enough times, our entanglement will begin to become obvious, because my outcome of my flip is no longer random, but determined by your flip, and the odds of my flipping tails every time you flip heads get lower and lower the more we flip.

That's sort of how scientists can measure entanglement. Instead of flipping a pair of coins over and over again, researchers measure the properties in many, many of pairs of entangled particles (entanglement can only be measured in a pair of particles once). But the scientists have to be sure that what they're seeing isn't just random chance.

A statement from the Massachusetts Institute of Technology (MIT) poses the question, "What if there were some other factors or hidden variables correlated with the experimental setup, making the results appear to be quantumly entangled, when in fact they were the result of some nonquantum mechanism?"

In other words, how can scientists be sure there's not some unseen factor affecting their experiments, and making it seem as though the examined particles are entangled, when in fact they are not?

A physicist named John Bell showed that if entanglement exists, then there must be a minimum degree of correlation between entangled particles when scientists measure them this is known as Bell's inequality or Bell's theorem.

In some entanglement experiments, the detector measures a property of light particles called polarity the detector must be oriented in one of two directions, and only photons polarized in the same direction (one of two possibilities) can pass through. In order to make sure that the detector is not somehow influenced by one of those mysterious forces that could corrupt the experiment, researchers will use random-number generators to determine the direction of the detector.

That random choice is made "in the split second between when the photon leaves the source and arrives at the detector," according to the MIT statement. "But there is a chance, however slight, that hidden variables, or nonquantum influences, may affect a random number generator before it relays its split-second decision to the photon detector,&rdquo the statement said.

This particular "loophole" in an experiment testing Bell's inequality is known as the "freedom-of-choice loophole." In 2014, a couple of scientists got together and came up with a new idea for how to avoid those possible influences, using starlight as the thing that randomly determines the direction of the detector. Now, those researchers have put their idea to the test. [How Quantum Entanglement Works (Infographic)]

"At the heart of quantum entanglement is the high degree of correlations in the outcomes of measurements on these pairs [of particles]," David Kaiser, professor of physics at MIT and co-author on the study, said in the statement. "But what if a skeptic or critic insisted these correlations weren't due to these particles acting in a fully quantum mechanical way? We want to address whether there is any other way that those correlations could have snuck in without our having noticed."


Light from ancient quasars helps confirm quantum entanglement

Images for download on the MIT News office website are made available to non-commercial entities, press and the general public under a Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives license. You may not alter the images provided, other than to crop them to size. A credit line must be used when reproducing images if one is not provided below, credit the images to "MIT."

Previous image Next image

Last year, physicists at MIT, the University of Vienna, and elsewhere provided strong support for quantum entanglement, the seemingly far-out idea that two particles, no matter how distant from each other in space and time, can be inextricably linked, in a way that defies the rules of classical physics.

Take, for instance, two particles sitting on opposite edges of the universe. If they are truly entangled, then according to the theory of quantum mechanics their physical properties should be related in such a way that any measurement made on one particle should instantly convey information about any future measurement outcome of the other particle — correlations that Einstein skeptically saw as “spooky action at a distance.”

In the 1960s, the physicist John Bell calculated a theoretical limit beyond which such correlations must have a quantum, rather than a classical, explanation.

But what if such correlations were the result not of quantum entanglement, but of some other hidden, classical explanation? Such “what-ifs” are known to physicists as loopholes to tests of Bell’s inequality, the most stubborn of which is the “freedom-of-choice” loophole: the possibility that some hidden, classical variable may influence the measurement that an experimenter chooses to perform on an entangled particle, making the outcome look quantumly correlated when in fact it isn’t.

Last February, the MIT team and their colleagues significantly constrained the freedom-of-choice loophole, by using 600-year-old starlight to decide what properties of two entangled photons to measure. Their experiment proved that, if a classical mechanism caused the correlations they observed, it would have to have been set in motion more than 600 years ago, before the stars’ light was first emitted and long before the actual experiment was even conceived.

Now, in a paper published today in رسائل المراجعة البدنية, the same team has vastly extended the case for quantum entanglement and further restricted the options for the freedom-of-choice loophole. The researchers used distant quasars, one of which emitted its light 7.8 billion years ago and the other 12.2 billion years ago, to determine the measurements to be made on pairs of entangled photons. They found correlations among more than 30,000 pairs of photons, to a degree that far exceeded the limit that Bell originally calculated for a classically based mechanism.

“If some conspiracy is happening to simulate quantum mechanics by a mechanism that is actually classical, that mechanism would have had to begin its operations — somehow knowing exactly when, where, and how this experiment was going to be done — at least 7.8 billion years ago. That seems incredibly implausible, so we have very strong evidence that quantum mechanics is the right explanation,” says co-author Alan Guth, the Victor F. Weisskopf Professor of Physics at MIT.

“The Earth is about 4.5 billion years old, so any alternative mechanism — different from quantum mechanics — that might have produced our results by exploiting this loophole would’ve had to be in place long before even there was a planet Earth, let alone an MIT,” adds David Kaiser, the Germeshausen Professor of the History of Science and professor of physics at MIT. “So we’ve pushed any alternative explanations back to very early in cosmic history.”

Guth and Kaiser’s co-authors include Anton Zeilinger and members of his group at the Austrian Academy of Sciences and the University of Vienna, as well as physicists at Harvey Mudd College and the University of California at San Diego.

A decision, made billions of years ago

In 2014, Kaiser and two members of the current team, Jason Gallicchio and Andrew Friedman, proposed an experiment to produce entangled photons on Earth — a process that is fairly standard in studies of quantum mechanics. They planned to shoot each member of the entangled pair in opposite directions, toward light detectors that would also make a measurement of each photon using a polarizer. Researchers would measure the polarization, or orientation, of each incoming photon’s electric field, by setting the polarizer at various angles and observing whether the photons passed through — an outcome for each photon that researchers could compare to determine whether the particles showed the hallmark correlations predicted by quantum mechanics.

The team added a unique step to the proposed experiment, which was to use light from ancient, distant astronomical sources, such as stars and quasars, to determine the angle at which to set each respective polarizer. As each entangled photon was in flight, heading toward its detector at the speed of light, researchers would use a telescope located at each detector site to measure the wavelength of a quasar’s incoming light. If that light was redder than some reference wavelength, the polarizer would tilt at a certain angle to make a specific measurement of the incoming entangled photon — a measurement choice that was determined by the quasar. If the quasar’s light was bluer than the reference wavelength, the polarizer would tilt at a different angle, performing a different measurement of the entangled photon.

In their previous experiment, the team used small backyard telescopes to measure the light from stars as close as 600 light years away. In their new study, the researchers used much larger, more powerful telescopes to catch the incoming light from even more ancient, distant astrophysical sources: quasars whose light has been traveling toward the Earth for at least 7.8 billion years — objects that are incredibly far away and yet are so luminous that their light can be observed from Earth.

Tricky timing

On Jan. 11, 2018, “the clock had just ticked past midnight local time,” as Kaiser recalls, when about a dozen members of the team gathered on a mountaintop in the Canary Islands and began collecting data from two large, 4-meter-wide telescopes: the William Herschel Telescope and the Telescopio Nazionale Galileo, both situated on the same mountain and separated by about a kilometer.

One telescope focused on a particular quasar, while the other telescope looked at another quasar in a different patch of the night sky. Meanwhile, researchers at a station located between the two telescopes created pairs of entangled photons and beamed particles from each pair in opposite directions toward each telescope.

In the fraction of a second before each entangled photon reached its detector, the instrumentation determined whether a single photon arriving from the quasar was more red or blue, a measurement that then automatically adjusted the angle of a polarizer that ultimately received and detected the incoming entangled photon.

“The timing is very tricky,” Kaiser says. “Everything has to happen within very tight windows, updating every microsecond or so.”

Demystifying a mirage

The researchers ran their experiment twice, each for around 15 minutes and with two different pairs of quasars. For each run, they measured 17,663 and 12,420 pairs of entangled photons, respectively. Within hours of closing the telescope domes and looking through preliminary data, the team could tell there were strong correlations among the photon pairs, beyond the limit that Bell calculated, indicating that the photons were correlated in a quantum-mechanical manner.

Guth led a more detailed analysis to calculate the chance, however slight, that a classical mechanism might have produced the correlations the team observed.

He calculated that, for the best of the two runs, the probability that a mechanism based on classical physics could have achieved the observed correlation was about 10 to the minus 20 — that is, about one part in one hundred billion billion, “outrageously small,” Guth says. For comparison, researchers have estimated the probability that the discovery of the Higgs boson was just a chance fluke to be about one in a billion.

“We certainly made it unbelievably implausible that a local realistic theory could be underlying the physics of the universe,” Guth says.

And yet, there is still a small opening for the freedom-of-choice loophole. To limit it even further, the team is entertaining ideas of looking even further back in time, to use sources such as cosmic microwave background photons that were emitted as leftover radiation immediately following the Big Bang, though such experiments would present a host of new technical challenges.

“It is fun to think about new types of experiments we can design in the future, but for now, we are very pleased that we were able to address this particular loophole so dramatically. Our experiment with quasars puts extremely tight constraints on various alternatives to quantum mechanics. As strange as quantum mechanics may seem, it continues to match every experimental test we can devise,” Kaiser says.


The Real Reasons Quantum Entanglement Doesn't Allow Faster-Than-Light Communication

My colleague-in-blogging Ethan Siegel does a regular reader-request feature, and this week's edition drifts into my territory, answering a question about using quantum entanglement for faster-than-light communication. As I jokingly said on Twitter, Ethan's answer is pretty good for an astronomer, but there are bits of it I don't like. Not because he gives a wrong answer-- he correctly notes that it's not possible to use entangled particles to send messages faster than the speed of light-- but because there's a lot of subtle and complex stuff at work here. I've written about this before, but it's useful to poke at this a little more because the phrasing I dislike ties into some fairly deep stuff.

Schematic of the third Aspect experiment testing quantum non-locality. Entangled photons from the . [+] source are sent to two fast switches, that direct them to polarizing detectors. The switches change settings very rapidly, effectively changing the detector settings for the experiment while the photons are in flight. (Figure by Chad Orzel)

The basic scenario for entanglement-based communication looks like this: two people, traditionally named "Alice" and "Bob" share a pair of particles that can each be measured in one of two quantum states, which we'll call "0" and "1." These particles are prepared in an entangled state in which a measurement of the state of Alice's particle is correlated with the measured state of Bob's particle, no matter how far apart they are. That is, if Alice measures her particle in state 1 at precisely noon in Schenectady, she knows that Bob in Portland will also measure his particle to be in state 1, whether he's in Portland, Maine, Portland, Oregon, or Portland Station on one of the moons of Yavin.

This seems like a perfect mechanism for sending information over vast distances, as Ethan notes:

So now to Olivier’s question: could we use this property — quantum entanglement — to communicate from a distant star system to our own? The answer to that is yes, if you consider making a measurement at a distant location a form of communication. But when you say communicate, typically you want to know something about your destination. You could, for example, keep an entangled particle in an indeterminate state, send it aboard a spacecraft bound for the nearest star, and tell it to look for signs of a rocky planet in that star’s habitable zone. If you see one, make a measurement that forces the particle you have to be in the +1 state, and if you don’t see one, make a measurement that forces the particle you have to be in the -1 state.

This seems like a really obvious application, and in fact a bunch of people seized on this as a justification for ESP and various other schemes-- I recommend David Kaiser's How the Hippies Saved Physics for the fascinating history of this whole business. And, in fact, if the situation described above were possible-- if you could measure a particle's state in a way that forced a particular outcome-- you could absolutely send information this way. But you can't do that.

And this is the point where I don't quite agree with the way Ethan explains the situation. هو يكتب:

It’s a brilliant plan, but there’s a problem: entanglement only works if you ask a particle, “what state are you in?” If you force an entangled particle into a particular state, you break the entanglement, and the measurement you make on Earth is completely independent of the measurement at the distant star. If you had simply measured the distant particle to be +1 or -1, then your measurement, here on Earth, of either -1 or +1 (respectively) would give you information about the particle located light years away. But by forcing that distant particle to be +1 or -1, that means, no matter the outcome, your particle here on Earth has a 50/50 shot of being +1 or -1, with no bearing on the particle so many light years distant.

There's a subtle shift here from the impossible operation that would allow FTL communication to a different sort of operation, and it deserves to be spelled out. That is, in the original statement, you "make a measurement that forces the particle" to be in a particular state, while in the second you "force an entangled particle into a particular state" which breaks the entanglement. Those are not the same thing, though-- one is a measurement, the other is a change of state followed by a measurement.

Image of a scheme for ion-trap quantum computing. From Monroe group at JQI: http://iontrap.umd.edu/

It helps to think about a concrete implementation of this to make the distinction clear. So, imagine Alice's particle is one of the trapped ions that people regularly use to do quantum information experiments, which can be in one of two internal states. If her particle starts in a superposition of equal parts "0" and "1," how would she go about forcing a definite measurement outcome, let's say "1"?

The answer is to do an operation that we would describe in words as "If you're in state 0, flip the state, otherwise leave it alone." For a trapped-ion system, this is done using lasers to drive a transition from state 0 to state 1 by way of a third state (the jargon term for this is a "Raman transition"). If you choose your states carefully, you can arrange it so that an atom in state 0 will absorb the laser and flip its state, but an atom in state 1 won't interact with the laser at all. This sort of selective absorption is how they distinguish between states 0 and 1 in real trapped-ion experiments (state 0 absorbs a laser photon then re-emits the light, and repeating this a few million times a second gives you a bright spot on a camera pointed at the trap holding the ion), and a two-particle variant of it is how you entangle ions in the first place (the operation is "If Ion A is in state 1, flip the state of Ion B," and you give it an input state where B is definitely in state 0 and A is in a superposition of 0 and 1).

If Alice does this on her particle, it does not, in fact, affect the state of Bob's particle in any way-- it's still in an indeterminate state that's a mix of 0 and 1. It breaks the correlation between the measurement results, though-- Alice's particle is no longer in a superposition, but only in state 1, so when Bob eventually makes a measurement that randomly picks 0 or 1, it doesn't necessarily match Alice's measurement, which is guaranteed to be 1.

It should be noted that the "breaking of entanglement" Ethan describes is actually a slightly tricky thing to do, requiring a fairly specific operation to make it work. You will sometimes hear people assert that entanglement is fragile, and that أي disturbance of one of the particles will mess things up, but that's not true. In fact, there are a huge number of things you can do to change the state of one of the two particles without destroying the entangled nature of the system, provided you keep track of what you did to it and adjust your final measurements accordingly. (I have a blog post and an arxiv preprint discussing this in more detail. ) The impossibility of keeping track of all the ways entangled states get shifted is crucial to (the way I think about) the process of "decoherence" that plays a key role in (the way I think about) the "Many-Worlds" interpretation of quantum physics, which is what I was hinting at when I said this gets into some deep stuff, though this post is already running long, so I won't try to explain here.

Crucially, though, this is not the sort of thing that people talk about doing when they talk about using entanglement for faster-than-light communication. What they want is a measurement procedure that forces a particular outcome. That is, they want Alice to use some woo-woo mystical process to ask her particle "What is your state?" and make it come out to be 1, thus instantaneously forcing Bob's particle into state 1 as well. If such a procedure existed, you could, in fact, exploit it to send messages (with disastrous consequences for causality) fortunately, God plays dice with the universe, and the results of a quantum measurement are unavoidably random. Which means that while Alice and Bob end up with measurements that are perfectly correlated, no information passes between them. They can only see the correlation when they get back together and compare lists, and they have to do that at or below the speed of light.

(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)

It should also be noted that the version of entanglement-based communication Ethan describes is a particularly naive sort that even fringe physicists mostly reject. A more plausible scheme for actually doing this would be to use different measurement bases to send information. That is, rather than "force the state to be 1 to send Bob a 1," Alice would ask two different questions of her particle. If she wants to send Bob a 1, she would make a measurement asking "Are you in 0 or 1?," but if she wants to send a 0 she makes a measurement asking "Are you in '0+1' or '0-1'?" The latter operation puts Bob's particle into the corresponding state, which has a 50% chance of returning either 0 or 1 for his measurement. So all Bob has to do is measure that probability distribution for each particle-- if it's either 0 or 1 with 100% probability, he knows Alice is sending a 1, and if it's 50% of each, she's sending a 0.

That scheme doesn't work either, for a more subtle reason. The problem is that you can't determine a probability distribution from a single measurement of "0" or "1," so Bob would need to make a lot of copies of the state of his particle in order to distinguish Alice's message. But there's a very deep result (that Kaiser's book claims was directly inspired by these FTL communication schemes) known as the "no-cloning theorem" showing that this is impossible-- you can't make faithful copies of a quantum state unless you already know what it is. There's no way for Bob to unambiguously determine which measurement Alice made, so you're back in the scenario where Alice and Bob each have random strings of 1's and 0's that only turn out to be perfectly correlated later on, when they get back together and compare. Quantum randomness saves the day.

So, as I said, the whole business is subtle and complicated. The end result is always the same, though: While it's one of the weirdest and coolest phenomena in physics, there is no way to use quantum entanglement to send messages faster than the speed of light.


شاهد الفيديو: ومضات علمية 11: الإنشطار مقابل الإندماج النووي (شهر اكتوبر 2021).