Enredo cuántico: ¿cuál es el problema?

Entiendo su confusión, pero he aquí por qué la gente a menudo siente que el entrelazamiento cuántico es bastante extraño. Consideremos primero la siguiente declaración que hace:

2 cosas tienen algunas propiedades establecidas en correlación entre sí en el punto de enredo, se separan, se miden y se encuentra que tienen estas propiedades

Una versión clásica (no cuántica) de esta declaración sería algo así. Imagina que tomas dos canicas y pintas una de ellas de negro y otra de blanco. Luego, pones cada uno en su propia caja opaca y envías la canica blanca a Los Ángeles y la canica negra a Nueva York. Luego, hace arreglos para que la persona L en Los Ángeles y la persona N en Nueva York abran cada caja exactamente a las 5:00 p. m. y registren el color de la pelota en su caja. Si le dices a cada una de las personas L y N cómo has preparado las canicas, entonces sabrán que cuando abran sus respectivas cajas, habrá un 50 % de posibilidades de tener una canica blanca y un 50 % de posibilidades de tener una. mármol negro, pero no saben cuál hay en la caja hasta que toman la medida. Además, una vez que ven qué color tienen,

Sin embargo, debido a que pintó las canicas, sabe con certeza que la persona L tendrá la canica blanca y la persona N tendrá la canica negra .

En el caso del entrelazamiento cuántico, el procedimiento de preparación de estado es análogo. En lugar de canicas, imaginamos tener electrones que tienen dos posibles estados de giro que llamaremos "arriba" denotados$|1\rangle$y "abajo" denotado$|0\rangle$. Imaginamos preparar un sistema de dos electrones de tal manera que el estado$|\psi\rangle$del sistema compuesto está en lo que se llama una superposición de los estados "arriba-abajo" y "abajo-arriba" con lo que quiero decir

Ahora me imagino enviando electrones$A$a Los Ángeles y el electrón B a Nueva York, y le decimos a la gente en Los Ángeles y Nueva York que mida y registre el estado de espín de su electrón al mismo tiempo y que registre su medida, tal como en el caso de las canicas. Entonces, al igual que en el caso de las canicas, estos observadores solo conocerán la probabilidad (50%) de encontrar un electrón con giro hacia arriba o hacia abajo después de la medición. Además, debido al procedimiento de preparación del estado, los observadores pueden estar seguros de lo que el otro observador registrará una vez que haga su propia observación, pero hay una diferencia crucial entre este caso y el de las canicas.

En el caso de los electrones, incluso la persona que preparó el estado no sabrá cuál será el resultado de la medición. De hecho, nadie puede saber con certeza cuál será el resultado ; hay una naturaleza probabilística inherente al resultado de la medición que se construye en el estado del sistema. No es que haya alguien que pueda tener algún conocimiento oculto, como en el caso de las canicas, sobre cuáles son "realmente" los estados de espín de los electrones.

Dado este hecho, creo que a la mayoría de la gente le resulta extraño que una vez que un observador hace su medición, sabe con certeza lo que medirá el otro observador. En el caso de las canicas, no existe una extrañeza análoga porque cada canica era blanca o negra, y ciertamente no era necesaria ninguna comunicación para que cada una de las observadas supiera lo que vería la otra al medirla. Pero en el caso de los electrones, existe una especie de probabilidad intrínseca a la naturaleza del estado del electrón. El electrón realmente no ha "decidido" un estado hasta el momento en que ocurre la medición, entonces, ¿cómo es posible que los electrones siempre "elijan" estar en estados opuestos dado que no tomaron esta "decisión" hasta el momento? de medida. ¿Cómo "sabrán" lo que recogió el otro electrón? Por extraño que parezca, de hecho, de alguna manera "saben".

Apéndice. Ciertamente, como señala Lubos en su comentario, no hay nada físicamente paradójico o contradictorio en el enredo, y es solo una forma de correlación, pero personalmente creo que es justo llamarlo una forma de correlación "extraña" o "poco intuitiva". .

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD IMPORTANTE Puse muchas cosas entre comillas porque quería transmitir la intuición detrás de la extrañeza del enredo usando analogías; estas descripciones no pretenden ser científicamente precisas. En particular, cualquier antropomorfización de electrones debe tomarse con un gran grano de sal conceptual.

En lugar de repetir algunas respuestas estándar muy buenas, quiero discutir este tema desde la perspectiva de por qué los sistemas clásicos deben verse como extraños.

Si aceptamos que la mecánica cuántica es fundamental, entonces, en cierto sentido, no deberíamos encontrar cosas como el entrelazamiento como nada extraño. Como lo señala la respuesta dada por joshphysics , así como la respuesta dada por Lubos Motl en la pregunta similar , el entrelazamiento es realmente solo una correlación. La extrañeza entra porque estamos acostumbrados a la idea de localidad clásica y separabilidad de los sistemas.

La localidad se entiende mejor como el concepto que prohíbe la acción a distancia , y está estrechamente ligada a la Tercera Ley del Movimiento de Newton . La tercera ley de Newton es el enunciado,

Cada acción tiene una reacción igual y opuesta

que básicamente nos dice que las fuerzas sobre un objeto son el resultado de la interacción de otro objeto. La acción a distancia es una situación en la que dos objetos separados en el espacio comparten una correlación perfecta en su movimiento, lo que implica que un objeto es directamente responsable de las actividades de los otros objetos. En la mecánica newtoniana, no hay límite en la velocidad, por lo que la acción a distancia, aunque parezca increíble, no está prohibida.

Esta situación cambió cuando se dio cuenta de que existe un límite máximo de velocidad a la velocidad con la que dos objetos pueden comunicarse, o más bien influirse entre sí a través de la tercera ley. Esta es la velocidad de la luz, tal como está consagrado en las teorías de la relatividad especial y la relatividad general. Este último límite de velocidad en la transferencia de información real entre dos regiones espacialmente separadas es donde falla nuestra "intuición clásica" (que no es una declaración sobre la intuición humana, es una declaración sobre una aparente contradicción que surge en las declaraciones lógicas que uno puede hacer en el contexto de una teoría particular).

Así que realmente la pregunta no es tanto,

"¿Por qué la mecánica cuántica es rara?"

es

"¿Por qué falla nuestra intuición clásica?"

Gran parte de esta falla en nuestra intuición está relacionada con la separabilidad de los estados, que es una característica inherente de la mecánica clásica.

La separabilidad de los estados es posible cuando uno puede describir los estados compuestos como productos directos de los vectores de estado del subsistema.

Para explicar esto un poco mejor, existe un postulado de la mecánica cuántica que establece

El espacio de Hilbert de un sistema compuesto es el producto tensorial del espacio de Hilbert de los espacios de estado asociados con los sistemas componentes.

Esto se escribe matemáticamente como

Como se indicó anteriormente, al subespacio componente se le puede dar una base que abarque el espacio (span = proporcione un sistema de coordenadas completo que pueda describir cada punto):

con nuestra base elegida, el estado puro del sistema compuesto se puede definir como:

Como se discutió en el artículo de wikipedia , si el estado

( Ejemplo de actualización tomado de Marcini y Severini : Let$|\psi_{A1}\rangle$,$|\psi_{A\perp}\rangle$ser estados ortogonales en$\mathcal{H_A}$, y$|\psi_{B1}\rangle$,$|\psi_{B\perp}\rangle$ser estados ortogonales en$\mathcal{H_B}$. Después

En nuestra intuición clásica, los sistemas son separables, y sólo a través de algún acoplamiento mecánico clásico directo muestran alguna correlación. Entonces, en los ejemplos de canicas, hay algún proceso mecánico que está involucrado en mezclar canicas. Las canicas siguen siendo sistemas separables, y la correlación entre una persona que encuentra una canica blanca y otra que encuentra una negra sigue estando arraigada en la mecánica estadística clásica, simplemente por el hecho de que las canicas tienen un color definido asociado antes de colocarlas. en la caja Esto significa que se conoce el estado de color de cualquiera de las canicas y no se correlaciona con el estado de la otra canica. Tiene sentido que uno hable de que las canicas están en un estado blanco o negro en la mecánica clásica.Este no es un estado típico en la mecánica cuántica, y los sistemas que tienen un estado definido antes de la observación son la causa principal del fracaso de nuestra intuición clásica.

Debemos entender que el espacio de estado completo en el sistema entrelazado es mucho más grande que el espacio de los sistemas separables. Hay una buena analogía en la comprensión de los diferentes tamaños de los espacios de estado en el contexto de la aproximación de Born Oppenheimer (y Emilio Pisanty hace un buen trabajo al explicar la derivación en su respuesta a esta pregunta de SE ). La aproximación de Born Oppenheimer proporciona una justificación para permitir la separación de los estados nuclear y electrónico de un sistema molecular:

Esto es posible mostrando que uno puede ignorar el "acoplamiento vibrónico" asociado con las transiciones de partículas que estarían representadas por términos fuera de la diagonal en la matriz hamiltoniana completa.

De manera similar, en nuestra "intuición clásica" podemos ignorar muchos términos que describen el estado del sistema simplemente porque sus efectos son demasiado pequeños para ser considerados. A medida que los sistemas se vuelven más pequeños, estos efectos son más difíciles de ignorar, y la noción de que un objeto cuántico pueda tener un estado definido (por ejemplo, ser una canica definitivamente negra o blanca) antes de nuestra observación no es posible. Sin embargo, la correlación de los resultados no es removible del sistema, en este sentido la correlación debe ser vista como más fundamental que la definición del estado. Este es un estado de cosas muy diferente al que encontramos en la mecánica clásica, donde la definición del estado se considera más fundamental.

Entonces, con suerte, esto da un poco más de claridad sobre por qué creemos que el entrelazamiento cuántico es un "gran problema". Requiere un cambio fundamental en nuestra comprensión y enfoque de la física.

Aquí está la respuesta que me hizo darme cuenta de cuál es el problema. La descripción a continuación es básicamente una versión ampliada de esta publicación de blog , que encontré hace mucho tiempo.

Imagina que vamos a jugar un juego. Es un juego cooperativo, así que o ambos ganamos o ambos perdemos. Si ganamos, obtenemos mucho dinero, pero si perdemos, ambos morimos, por lo que debemos hacer todo lo posible para ganar.

El juego se desarrolla de la siguiente manera: te llevarán en una nave espacial a Plutón, mientras que yo me quedaré aquí en la Tierra. Cuando llegues a Plutón, alguien lanzará una moneda justa. Dependiendo de su resultado, le harán una de las siguientes dos preguntas:

1. ¿Te gustan los perros?
2. ¿Te gustan los gatos?

A continuación, tendrá que responder "sí" o "no". En el mismo momento, alguien en la Tierra lanzará una moneda diferente y me hará una de las mismas dos preguntas según su resultado.

Las reglas del juego son un poco extrañas. Son los siguientes: ganamos el juego si cada uno da una respuesta diferente al otro, a menos que a ambos nos pregunten sobre gatos, en cuyo caso tenemos que dar la misma respuesta para no perder.

Dado que estamos a varias horas luz de distancia, no hay forma de que podamos comunicarnos entre nosotros durante el juego, pero podemos pasar el tiempo que queramos discutiendo estrategias antes de irnos, y cada uno de nosotros puede tomar lo que quiera con nosotros para ayúdanos a responder las preguntas.

Ahora, con un poco de reflexión debería poder convencerse de que en un mundo clásico, lo mejor que podemos hacer es tener un$75\%$posibilidad de ganar el juego. Para hacer esto, solo acordamos que no importa qué pregunta nos hagan, dirás "sí" y yo diré "no". Si hacemos esto, ganaremos a menos que a ambos nos pregunten sobre los gatos, y la probabilidad de que eso suceda es de 1 en 4. No importa lo que llevemos con nosotros, siempre que se comporte de acuerdo con las reglas familiares de mecánica clásica, no puede ayudarnos a hacer nada mejor que esta simple estrategia. En particular, no hace ninguna diferencia si cada uno de nosotros lleva un objeto oculto con nosotros, que luego medimos de alguna manera.

Sin embargo, en un mundo cuántico las cosas son ligeramente diferentes: podemos ganar el juego$85.3\%$del tiempo. No voy a entrar en los detalles de cómo logramos esto exactamente, pero implica crear un par de partículas entrelazadas, de las cuales tú tomas una y yo tomo la otra. Dependiendo de si te preguntan sobre perros o gatos, haces una de dos medidas diferentes en tu partícula, y yo hago algo similar. De acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, simplemente funciona que si seguimos este procedimiento correctamente, ganaremos este juego con una probabilidad de$\cos^2(\pi/8)$, o$85.3\%$. Se han realizado muchos experimentos que son equivalentes a este juego (se llaman experimentos de prueba de Bell ) y, de hecho, se ganó el juego.$85\%$del tiempo.

Hay otros juegos que se pueden construir, que son un poco más complicados de explicar, donde usar el enredo te permite ganar$100\%$del tiempo, aunque en el mundo clásico no puedes evitar perder parte del tiempo. Puede encontrar un artículo que describe un juego de este tipo (entre otros ejemplos de juegos cuánticos de este tipo) aquí .

Es por eso que el enredo es un gran problema. Nos permite hacer que las cosas se correlacionen de esta manera un poco más de lo que se puede correlacionar en el mundo clásico. Nos permite hacer algo que no sería posible si no existiera el enredo.

Aparte, hay otra razón por la que el enredo es un poco extraño: en el juego de perros y gatos, ¿por qué el enredo solo nos permite ganar$85\%$del tiempo y no$100\%$? Resulta que puedes inventar universos con "física alternativa" en los que se puede ganar este juego$100\%$del tiempo, sin dejar que la información se transmita más rápido que la luz, pero en nuestro universo,$85.3\%$es la puntuación máxima posible. La razón por la que el entrelazamiento debe limitarse de esta manera es una pregunta abierta en los fundamentos de la mecánica cuántica.

¿Qué pasó aquí? Estoy completamente conmocionado de que tantos encuestados respondan "sí, no es gran cosa, no pasa nada realmente espeluznante, sí, es solo una correlación ..." ¿De qué demonios está hablando todo el mundo ?

Peter Oakey, olvida todas las matemáticas por un minuto. Esto tomará unos minutos de configuración detallada pero completamente no matemática, pero si puede soportarme, puedo explicarle de una manera muy precisa por qué el enredo es espeluznante y no puede explicarse solo con las correlaciones clásicas.

Hora El tiempo es tu tiempo

En primer lugar, necesitamos algo fácilmente visualizable con el que establecer la situación. Un reloj con una sola manecilla, la manecilla de las horas, funciona muy bien.

¿Mencioné que las manecillas de estos relojes son un poco raras? Bueno, en realidad... muy raro.

En lugar de ser líneas puntiagudas y afiladas, las manos están pintadas en un disco... mal. Están muy manchados, hasta el punto de que son totalmente negros sólo en la dirección exacta de la hora que representan, por ejemplo, las 3 en punto. Desde esa dirección, se desvanecen en gris a medida que avanza alrededor del disco en el que está pintada la mano. De hecho, el disco permanece de color blanco puro solo en el lado opuesto exacto de la dirección del negro puro. Entonces, si el negro puro apunta a las 3 en punto, el blanco puro apunta en la dirección opuesta a las 9 en punto. (Puedo agregar algunos gráficos simples para esto mañana, pero es demasiado tarde esta noche).

A través de una ranura oscuramente

Um, ¿mencioné que leer estos relojes también es un poco raro? Bueno... muy raro.

Esto se debe a que solo se le permite leerlos mirando a través de una sola ranura que puede marcar en cualquier posición que desee, como las 12 en punto. Ahora, podrías pensar que eso haría imposible ver la manecilla la mayor parte del tiempo, pero no lo olvides: las manecillas de estos relojes están tan manchadas que en la mayoría de los casos, cuando miras a través de la ranura, verás una especie de gris. , probablemente al menos 50 tonos diferentes.

Sin embargo, de vez en cuando verás negro puro o blanco puro. Eso significa que tuvo suerte y configuró su analizador en una de las dos posiciones desde las que puede leer el reloj con 100% de certeza. Por lo tanto, si configura la ranura a las 3 en punto y ve negro puro, significa que el reloj se configuró a la misma hora, las 3 en punto. Pero fíjate que si hubieras puesto la ranura en las 9 en punto, habrías visto el blanco puro que siempre está opuesto al negro puro, y de nuevo habrías sabido con certeza que eran las 3 en punto. Por desgracia, si hubiera elegido cualquier otra configuración para la ranura, solo habría visto un tono de gris. Los grises más oscuros habrían significado que estabas "más cerca" de la hora en el reloj, mientras que los grises más claros habrían significado que estás más lejos. Pero para cualquiera de los tonos de gris solo puedes hacer unadivinar la hora exacta.

Juego, reinicio, partido

Lo que lleva a una rareza final pero muy importante sobre estos relojes: cada vez que lee uno, la manecilla se reinicia para coincidir con la orientación de su ranura de lectura. ¡ Eso sí que es raro ! ¿Cómo funciona este giro final?

Es un poco aleatorio, en realidad, pero de una manera que está fuertemente guiada por qué tan gris es el disco en el punto donde lo lees. Si leyó negro puro o blanco puro, no hay problema: la mano simplemente permanece exactamente donde estaba, en blanco o negro. Si en cambio vieras la sombra de gris que miente$90^{\circ}$lejos del negro puro o del blanco puro, por ejemplo, 12 o 6 para una manecilla que apunta al 3, luego el dial se restablece de forma totalmente aleatoria, con una probabilidad del 50/50 de mover el negro puro o el blanco puro a la posición de la ranura de lectura después. Todo lo que está en el medio se convierte en una probabilidad que está más a favor de blanco o negro. Por lo tanto, un tono de gris muy oscuro casi siempre hará que la esfera del reloj gire en negro puro hacia la posición de la ranura de lectura... pero no siempre. Siempre que el disco tenga algo de blanco mezclado con el negro, el lado blanco puro del disco del dial ocasionalmente girará a la posición de lectura.

Por cierto, en caso de que se esté preguntando cómo traducir un extraño tono de gris a una lectura específica del reloj, esta función de restablecimiento basada en gris proporciona la respuesta. Lo que sucede es que su respuesta final siempre se basa en cómo configuró su ranura de análisis, específicamente en el valor que se gira a esa posición después de leer el valor original en el reloj. Por ejemplo, si configura su analizador a las 12 en punto, siempre obtendrá una respuesta de las 12 en punto (negro puro girado a la posición de las 12 en punto) o de las 6 en punto (blanco puro girado a la posición de las 12 en punto). posición de las 12 en punto). La posición original del dial del reloj ya no importa en ese punto, ya que el acto mismo de leer el reloj lo reinicia y convierte el nuevo valor en el único que importa.

tiempos extraños

¡Tiempos extraños (y piezas de tiempo) de hecho! Pero si se pregunta por qué estoy poniendo tantas restricciones aparentemente sin sentido, le aseguro que no son tan arbitrarias como parecen. Lo que estoy haciendo es traducir grandes porciones de mecánica cuántica en un modelo físico que ayuda a visualizar ciertos tipos de relaciones cuánticas. Debido a que la mecánica cuántica se ocupa de pequeños sistemas que contienen muy poca información, se trata de comprender estas extrañas restricciones que no permiten las enormes libertades a las que estamos tan acostumbrados en el mundo clásico.

Llamaré a estas construcciones relojes borrosos debido a todas las probabilidades que existen al leerlas.

¡Igor, tira de la palanca!

Luego viene el arreglo experimental que usa estos relojes, uno que es el mismo tanto para la correlación clásica como para el entrelazamiento cuántico:

1. Configure dos relojes difusos para que tengan tiempos exactamente opuestos pero seleccionados al azar, por ejemplo, 1 y 7 o 10 y 4. Mantén estos tiempos en secreto para todos en el universo.

2. Coloque los relojes borrosos en dos naves espaciales A y B y llévelos a lugares muy separados. Por ejemplo, podrías volarlos tan lejos el uno del otro que la luz tarda una hora en llegar de una nave espacial a la otra.

3. Haga que sus observadores en cada nave espacial lean sus relojes. Hay varias formas de hacer esto, pero en este caso haremos arreglos previos para que los observadores usen orientaciones idénticas de sus lectores de tragamonedas. Para el resto de esta discusión, asumiremos que sus lectores de tragamonedas están configurados a las 3 en punto.

Recuerde que cuando un lector de ranura se configura a las 3 en punto, la lectura final siempre será a las 3 en punto (negro puro) o a las 9 en punto (blanco puro). Esto se debe a que leer el reloj hace que se reinicie (rote) en función de la cantidad de gris que se ve a través de la ranura. Son esos nuevos valores de negro puro o blanco puro los que se convierten en las lecturas finales de los relojes.

Trabajando de 12 a 6, qué manera de ganarse la vida

Ahora concentrémonos en un subconjunto particular de relojes borrosos correlacionados, que son los que se configuraron originalmente en 12 o 6. ¿Qué les sucede a estos relojes cuando los leen los lectores de las ranuras de las 3 en punto en ambas naves espaciales?

Recuerde que cualquier valor de reloj establecido inicialmente en 12 o 6, para un lector de ranura de las 3 en punto, mostrará el tono de gris que resulta en una tirada de 50/50. Entonces, la mitad de estos relojes terminarán con negro puro en la posición de la ranura (3 en punto) y la otra mitad con blanco puro (9 en punto).

Supongamos que el barco A lee uno de estos relojes de 12 o 6 y obtiene un valor de negro puro, lo que significa que se ha reiniciado a las 3 en punto. ¿Qué puede decir entonces el observador sobre lo que verá la otra nave espacial al mirar el reloj correlacionado de la misma manera?

Perdiéndolo

Bueno... nada, de verdad. Desde la perspectiva del observador, este peor escenario de reasignación aleatoria 50/50 ha borrado por completo cualquier información que hubiera estado disponible sobre la hora en el otro reloj borroso. Entonces, todo lo que el observador en el barco A puede decir sobre este grupo de relojes es "dado que este es el grupo de 12 o 6 relojes, el barco B tendrá una probabilidad de 50/50 de leer en blanco o negro". Lo cual es exactamente correcto: el barco B obtendrá un resultado tan aleatorio en este caso como lo hizo el barco A. La correlación que potencialmente existía fue efectivamente borrada por la naturaleza del procedimiento de lectura, por lo que ninguna de las naves puede decir nada sobre lo que la otra habría visto.

Ese es el caso clásico: no es posible ninguna correlación, ninguna previsibilidad, entre los barcos para los pares de relojes de 12 o 6 analizados utilizando las ranuras de las 3 en punto.

Encontrándolo

Entonces, ¿qué pasa si los relojes están entrelazados cuánticamente en lugar de simplemente compartir un pasado correlacionado?

Fácil: cuando el observador en el barco A ve negro puro a las 3 en punto para un par de relojes de 12 o 6, sabe que el observador en el barco B verá blanco puro. Siempre. 100%.

Ups.

Um... ¿cómo sucedió exactamente eso?

Spooky es como Spooky hace

La acción espeluznante a distancia sigue siendo un buen nombre, porque te garantizo que no podrás construir una explicación significativa en términos de parámetros reales accesibles experimentalmente. Tampoco es un efecto hipotético. Los ejemplos reales de este efecto siempre son más complicados que la versión intencionalmente extrema que he usado aquí, pero no se vuelve menos extraño. John Bell fue el primero en darse cuenta de que este efecto era real y comprobable, décadas después de que mentes tan grandes como Einstein y Bohr se acercaran mucho a él, pero no vieron la oportunidad.

Los relojes borrosos proporcionan una imagen bastante física de lo que tiene que suceder. Cuando una de las dos naves espaciales A o B analiza su reloj, hace que se reinicie (rote) al nuevo tiempo impuesto por su posición de ranura, por ejemplo, de 12 o 6 a 3 o 9.

En la física clásica , ese es el final. Cada disco gira a su nueva posición localmente y sin ninguna conexión con el otro disco.

En la física entrelazada , el acto de restablecer el disco en A o B perturba una ley de conservación muy implacable, en este caso la conservación del momento angular (pero también se pueden usar otras leyes). Resulta que el universo es tan implacable con tales reglas de conservación absoluta que cuestiones como la velocidad de la luz se vuelven secundarias para garantizar que la cantidad se conserve absolutamente. Entonces, al estilo espeluznante, el universo en su conjunto no le permite restablecer solo uno de los discos enredados, lo que causaría una ligera falta de conservación del momento angular. En cambio, cuando debe restablecer ambos .

Entonces, cuando A analiza su reloj de 12 o 6 con un analizador de ranura de 3 en punto, termina restableciendo ambos discos a la nueva orientación de 9 o 3. Todo esto sucede "instantáneamente", incluso a través de años luz, lo que sea que "instantáneamente" signifique en tales casos. (En realidad, no significa mucho cuando se trata de enredos, razón por la cual generalmente evito esa terminología).

La línea inferior (enredada)

Hay muchas maneras de perderse en la maleza en todo esto. Sin embargo, el enredo en términos de un "algo" que restablece instantáneamente las opciones disponibles para eventos distantes, incluso al tiempo que prohíbe la transmisión de información convencional (un punto que me he saltado), es bastante real experimentalmente y bastante extraño conceptualmente. Es uno de esos pequeños misterios del universo que todavía merece la pena contemplar de vez en cuando.

El "gran problema" parece ser que, debido al teorema de Bell * y la mecánica cuántica "dada" , solo podemos elegir entre la no localidad ("acción espeluznante a distancia") que es verdadera y / o la definición contrafáctica violada (posiblemente lo que implica que no hay "libre albedrío", lo que sea que eso signifique), si queremos elegir en absoluto . El primero es "poco intuitivo" y (la posible implicación de) el segundo es, bueno, un "gran problema" para muchas personas (incluidos al menos algunos científicos que argumentan que implícitamente la ciencia se basa en el "libre albedrío").

*"No se puede discutir con un teorema".

Me gusta usar las siguientes analogías cuando pienso en el entrelazamiento cuántico. Si el mundo funcionara como @joshphysics describe en la primera parte de su respuesta donde dos canicas de diferentes colores se colocan en dos cajas separadas y luego se separan, luego, al abrir una de las cajas, la persona que mira sabrá con certeza qué color hay en la otra caja porque el color de las canicas en cada caja se determinó durante el 'proceso de entrelazamiento', pero no hay nada intuitivamente 'raro' en eso. Pero, como mostró @joshphysics, esto no es equivalente al entrelazamiento cuántico.

El enredo es más como esto: imagina que juntas dos monedas de tal manera que se 'enredan' (tal vez lanzas algún tipo de hechizo o algo así). Una persona lleva una moneda a la luna y otra persona lleva la otra moneda a Marte. Desde la perspectiva de cada persona, la probabilidad de que salga cara o cruz después de lanzar la moneda es del 50 %. Lo que implica el entrelazamiento cuántico es que una vez que una de las personas lanza su moneda y descubre que sale, por ejemplo, cara, entonces no importa qué (suponiendo que las monedas permanezcan entrelazadas), cuando la otra moneda se lanza más tarde (puede ser volteada en cualquier momento después de la primera), tendrá que salir cruz. Desde la perspectiva del segundo lanzador, todavía encontrará que tiene un 50% de posibilidades de obtener cara o cruz, pero una vez que la primera moneda fue lanzada y resultó cara, la segunda moneda tendrá un 100 % de posibilidades de salir cruz, sin importar cuándo se lance después de la primera. Eso es raro.

Hay dos cosas que hacen que la versión cuántica de "poner una bola blanca en una caja, una bola negra en otra, barajar las cajas, luego abrir una caja y aprender lo que contiene la otra" sea sorprendente.

1. Podemos jugar con la relación entre las dos cajas. De maneras que no serían posibles si cada bola estuviera realmente en una caja o en la otra.

2. Puede hacer experimentos en los que los resultados coincidan con demasiada frecuencia . Más de lo que sería posible si cada bola estuviera realmente en una caja o en la otra.

Parte de lo que hace que el segundo punto sea especialmente confuso es que el acuerdo adicional aún no permite la comunicación. Los experimentos aislados pueden obtener algunas correspondencias posteriores al hecho, pero no pueden señalarse entre sí para cambiar el procedimiento que ya iban a seguir.

Intentaré ilustrarlo con un juego. Este es un juego en el que las estrategias clásicas no pueden garantizar una victoria el 100% de las veces, pero las estrategias cuánticas en las que compartes algunas cosas enredadas antes de tiempo sí pueden . Aquí están las reglas:

• Usted y su pareja están aislados el uno del otro.
• Obtienes dos fichas.
• Un árbitro elegirá una fila de un tablero de 3x3 al azar y te la dirá.
• Puede no usar sus fichas o usarlas para cubrir dos celdas de la fila. No está permitido cubrir una sola celda. Solo 0 o 2.
• Tu amigo pasa por un proceso similar, pero juega en una columna en lugar de una fila.
• Una vez que ambos han elegido cómo jugar, vuelven a estar juntos y comparan los resultados.
• Si la única celda que está tanto en su fila como en la columna de su amigo está cubierta exactamente por una ficha, entonces usted gana. De lo contrario, pierdes.

Aquí hay una imagen que ilustra algunos resultados de algunas personas que ganan, pierden y no siguen las reglas:

Puedes ver que esto es una especie de juego de coordinación. Tú y tu amigo deben cooperar para que uno de ustedes cubra la celda común, pero el otro no. Es difícil porque durante el juego cada uno de ustedes no sabe qué celda es exactamente y no puede comunicarse.

Trate de pensar en formas de ganar el juego. Apuesto a que no puedes hacer nada mejor que esperar ganar 8/9 de las veces. Incluso puedes intentar involucrar canicas de colores en cajas. No importará. Lo mejor que puedes hacer es 8/9.

Un ejemplo de una estrategia tan óptima es: siempre juegas en la celda izquierda y central de tu fila, mientras que tu amigo solo juega si obtiene la columna más a la derecha. Solo pierde si se elige la columna más a la derecha y su amigo tiene mala suerte, lo que sucede 1/9 de las veces.

Pero, como dije, hay una estrategia cuántica que gana el 100% de las veces. Masajea la correspondencia posterior al hecho en cooperación para cubrir la celda común exactamente una vez, a pesar del aislamiento.

Sería un poco largo explicar la estrategia aquí, pero es por eso que escribí esta publicación de blog útil pero ligeramente técnica . Aquí hay una imagen que muestra los circuitos cuánticos utilizados como parte de ganar el juego. Es bonito, pero no demasiado informativo fuera de contexto:

También hay un artículo de wikipedia , aunque usa una ligera variante del juego que describí.

(Solo agregando una respuesta más a las claras dadas anteriormente) La "rareza" del enredo de dos partículas de espín 1/2 es la siguiente: si tiene dos observadores, Alice y Bob, separados por cualquier distancia, y dígales que midan los espines del par entrelazado, de tal manera que los analizadores se rotan aleatoriamente de manera que cuando se realiza una medición sobre una partícula del par no está en contacto causal con la otra partícula. Es decir, el evento "Alicia midiendo el espín de una partícula del par" no está en el pasado cono de luz de "Bob midiendo el otro espín del par" y viceversa. Aun así, los giros están correlacionados. Este es, en esencia, el experimento de Alain Aspect y el espíritu de la correlación EPR.

Tu error al interpretar el entrelazamiento como una mera correlación es muy común. De hecho, todo el argumento de Einstein contra la mecánica cuántica en EPR fue restaurar la causalidad de la mecánica cuántica al interpretar el entrelazamiento como nada más que una correlación preexistente. Sin embargo, Bell demostró que esto falla. Desafortunadamente, muchas personas, Lubos Motl por ejemplo, no han logrado comprender esta idea medio siglo después del descubrimiento de Bell. Las partículas entrelazadas tienen que recibir sus instrucciones sobre cómo comportarse de alguna manera, y esto tiene que suceder instantáneamente.

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

no hay gran cosa. Por lo general, las personas que no lo entienden te dirán que es un gran problema...

Digamos que tienes 2 objetos y observables con solo dos valores propios. Un objeto está en estado "+1" y el otro "-1". El mundo en el que viven estos objetos tiene la regla de que la suma de todos estos valores es constante (cero en este caso). Imaginemos que estos objetos chocan (interactúan de manera que este observable puede cambiar).

Ahora, la mejor suposición (si no conoce ningún detalle) es simplemente asumir que el sistema está en el estado "+1"×"-1" o "-1"×"+1". Y eso es.

Si miras un objeto y determinas el estado, inmediatamente conoces el estado del otro, debido a la regla de conservación.

¿Qué es un gran problema (pero prefiero decir que es simplemente "genial" y no es un gran problema), que hay estados que preservan las correlaciones para múltiples observables ("+-"-"-+" estado de giro si medida a lo largo de cualquier eje siempre producirá resultados correlacionados).