Artículos y comentarios sobre las maravillas de la física cuántica aparecen periódicamente en Habré:
borrador cuántico y mediciones débiles. Desafortunadamente, con demasiada frecuencia se los menciona como fenómenos misteriosos e incomprensibles que hacen posible crear casi magia, aunque en realidad no hay absolutamente nada sorprendente en ellos. En esta publicación, estoy traduciendo el artículo de Sean Carroll sobre borradores cuánticos diferidos. Sea el punto de partida para la discusión en los comentarios de todos los trucos de la mecánica cuántica.
Del traductor. Sean Carroll es profesor en Caltech, especializado en cosmología y los fundamentos de la física cuántica. Es un defensor constante de la Interpretación de muchos mundos (MMI) de la mecánica cuántica, sobre la cual Something Deeply Hidden lanzó recientemente. En consecuencia, la explicación del experimento en la publicación será desde el punto de vista de MMI. Aunque en general esto no es tan importante para la explicación en sí. Puede leer mi publicación reciente sobre MMI si desea actualizar los conceptos básicos.
Carroll también presenta un gran podcast de Mindscape . Este podcast resultó ser casi el evento principal de mi vida intelectual en el último año, y, sinceramente, esto es lo mejor que puedes sacar de esta publicación.
Descargo de responsabilidad! En algunos lugares, adapté un pequeño texto y agregué un poco de mí para mayor claridad. Todos los errores están en mi conciencia (y en PM, espero).
Este artículo es un capítulo de Something Deeply Hidden , que no se incluyó en la versión final del texto.
Imaginemos que usted es un estudiante de física, que se encuentra en un curso de trabajo experimental y que el profesor está particularmente de mal humor. Te obliga a llevar a cabo una versión particularmente extraña
de la experiencia de Jung , explicando que esta versión se llama un "borrador cuántico de elección retrasada". Parece que has visto algo así en YouTube una vez.
En el experimento tradicional de Jung con dos rendijas, un haz de electrones pasa a través de dos rendijas y entra en la pantalla de grabación. Cada electrón individualmente deja un punto en la pantalla, pero si esperamos hasta que se tipeen muchos de estos eventos, veremos una imagen de interferencia con franjas claras y oscuras. Esto se debe a que la función de onda de los electrones pasa a través de ambas ranuras e interfiere consigo misma.
Si medimos a través de qué espacio pasa cada electrón, la imagen de interferencia desaparecerá y veremos una distribución suavizada en la pantalla. Los libros de texto sobre mecánica cuántica tradicionalmente nos dirán que esto sucedió debido al colapso de la función de onda cuando la observamos en las rendijas. La interpretación de varios mundos dice que esto se debe a que el electrón se estropeó con el dispositivo de medición, y el dispositivo se estropeó con el entorno (se produjo la decoherencia), y la función de onda se dividió en dos mundos separados, en cada uno de los cuales el electrón pasó a través de solo una de las ranuras.
La imagen de interferencia es visible cuando el electrón pasa a través de dos ranuras (a la izquierda), hasta que se intenta medir a través de qué ranura pasa el electrón (a la derecha).Su experimento es complicado: medirá a través de qué espacio pasa un electrón, pero no con un dispositivo macroscópico grande, sino con un dispositivo cuántico, y almacenará información en un qubit. Por ejemplo, para cada electrón "principal" que pasa a través de los huecos, tenemos un segundo electrón "auxiliar" enredado con el primero. El par se confunde de la siguiente manera: si el electrón principal pasa a través del espacio izquierdo, el electrón auxiliar está en un estado con giro hacia arriba, y si a través de la derecha, con giro hacia abajo:
Ψ = (L) [↑] + (R) [↓].
Su profesor, que obviamente no está de humor hoy, insiste en que no tome medidas en los electrones "auxiliares", y ni siquiera los deje volar y chocar contra algo en la habitación. Los atrapa y almacena cuidadosamente, por ejemplo, en una trampa magnética.
¿Qué veremos en la pantalla si repetimos tal experimento con muchos electrones? Por supuesto, una distribución suave sin una imagen de interferencia, por supuesto. La interferencia puede ocurrir solo si dos partes son componentes de la misma función de onda, y dado que dos electrones principales ahora están enredados con los auxiliares, los caminos a través de las ranuras izquierda y derecha son distinguibles, y no vemos la imagen de interferencia. En este caso, resulta indiferente que no tuviéramos una dimensión real (y decoherencia), sino solo confusión. Lo único importante es que los electrones principales están en un estado de enredo con electrones auxiliares. Cualquier confusión mata la interferencia.
Por supuesto, podemos medir los giros de electrones auxiliares si queremos. Si los medimos a lo largo del eje vertical, obtenemos [↑] o [↓]. Con respecto al estado cuántico Ψ esto nos colocará en el universo donde el electrón principal pasó a través del espacio izquierdo, o en el universo donde pasó a través del derecho. Finalmente, si repetimos el experimento muchas veces, no veremos interferencias.
Bien, dice tu profesor con inclinaciones sádicas, frotándose las manos con una sonrisa villana. Ahora midamos nuestros electrones auxiliares, pero no en la vertical, sino en el eje horizontal. El estado en las bases vertical y horizontal está relacionado como:
[↑] = [→] + [←],
[↓] = [→] - [←].
(Por simplicidad, descartamos los factores de normalización). Sobre esta base, el mismo estado que el anterior se verá así:
Ψ = (L) [→] + (L) [←] + (P) [→] - (P) [←]
= ( + ) [→] + ( - ) [←].
Cuando medimos el giro auxiliar en la dirección vertical, obtuvimos un cierto camino del electrón principal: [↑] estaba enredado con (), y [↓] estaba enredado con (). Haciendo una medición, descubrimos si el electrón principal pasó a través de la ranura izquierda o derecha. Ahora medimos el giro a lo largo de la dirección horizontal, y esta certeza desaparece. Después de la medición, nuevamente nos encontramos en la rama de la función de onda, donde el electrón principal pasa inmediatamente a través de dos ranuras. Si medimos el giro "izquierda", el electrón principal recibirá un cambio de fase al pasar a través de la ranura derecha (signo menos), pero esta es una característica puramente matemática.
Entonces, al elegir este método de medición, "borramos" la información sobre la brecha a través de la cual pasó el electrón. Este es el llamado "borrador cuántico". El proceso de borrado en sí mismo no cambia la distribución general de puntos en la pantalla. Se mantiene suave y no se producen interferencias: los resultados de la medición "izquierda" y "derecha" siguen siendo aleatorios.
Pero ahora no solo tenemos la distribución general de electrones en la pantalla. Para cada punto de la pantalla, también conocemos el resultado de la medición del electrón auxiliar: estaba en el estado de "girar a la izquierda" o "girar a la derecha". Entonces, tu profesor está floreciendo, ahora vamos a la computadora y dividimos nuestras mediciones en dos partes: la parte para la cual el electrón auxiliar tenía un giro a la izquierda y la parte para la que estaba a la derecha. ¿Qué veremos ahora?
Es curioso que ahora reaparece la interferencia. Los electrones principales asociados con los electrones auxiliares de espín izquierdo forman una imagen de interferencia, así como aquellos para los cuales el electrón auxiliar tenía un espín a la derecha. (Recuerde que la imagen de interferencia no aparece inmediatamente, sino que aparece a medida que se recopilan estadísticas de un solo electrón). Pero estas dos imágenes se desplazan una con respecto a la otra, de modo que los picos en una imagen coinciden con las inmersiones en la otra. Cuando se superponen entre sí, se produce una distribución uniforme donde la imagen de interferencia está realmente oculta.
Tomado de
WikipediaMirando hacia atrás, no lo encontraremos tan sorprendente. Si observamos cómo se registró el estado relative en relación con los electrones auxiliares en una base horizontal (giro hacia la izquierda o hacia la derecha), vemos que cada medición estaba enredada con el electrón principal pasando a través de ambas ranuras. Entonces, por supuesto, podría surgir interferencia. Y ese signo negativo, que parecía un detalle matemático completamente sin importancia, cambió una imagen en relación con otra, de modo que cuando se superpusieron, formaron una imagen suave.
Tu profesor parece estar más sorprendido por esto que tú. "¿No puedes ver?" Ella exclama emocionada. “Si no medimos electrones auxiliares en absoluto, o los medimos a lo largo del eje vertical, no surge interferencia. Y si los medimos a lo largo del eje horizontal, resulta que hubo una interferencia oculta que pudimos detectar al dividir los resultados de la medición en partes para diferentes espines del electrón auxiliar ".
Usted y otros estudiantes asienten con la cabeza, aunque usted se encuentre perplejo.
¡Piensa en lo que eso significa! La elección de la dirección de medición de los espines auxiliares podría hacerse después de que todos los electrones principales se registraron en la pantalla. Si salvamos todos los respaldos auxiliares sin permitir que se confundan con el entorno, podríamos tomar esta decisión años después ”.
Parece que sí, el público murmura, parece ser cierto.
“Pero la interferencia solo ocurre cuando los electrones principales pasan a través de ambas ranuras, y se produce una distribución uniforme cuando un electrón pasa a través de una ranura. Esta decisión, pasar por dos ranuras o por una, ocurre mucho antes de que medimos los electrones auxiliares. Obviamente, nuestra decisión de medirlos horizontalmente en lugar de verticalmente envió una señal al pasado e informó a los electrones principales que tenían que pasar por ambas ranuras a la vez, y no por una ".
La audiencia perpleja se congela por un momento y explota en protesta. Solución? ¿De vuelta al pasado? De que estas hablando El electrón no toma la decisión de atravesar un hueco u otro. Su función de onda (y todo con lo que se confunde) evoluciona de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, como de costumbre. Un electrón no toma decisiones, definitivamente siempre pasa a través de ambas rendijas, pero resulta estar en un estado enredado. Al medir electrones auxiliares a lo largo de diferentes direcciones, podemos elegir diferentes partes de la función de onda enredada, algunas de las cuales interfieren y otras no. Nada ha vuelto al pasado. Este es un experimento genial, pero nadie está construyendo ninguna máquina del tiempo aquí.
Usted y sus camaradas tienen razón. Tu profesor está un poco llevado. Siempre existe la tentación de pensar en el electrón como algo que posee "las propiedades de una onda y una partícula al mismo tiempo", y la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica solo lo condona. Si sucumbimos a esta tentación, la idea de que el electrón se comporta como una partícula o como una onda, y en cada experimento se realiza una de estas dos opciones, no está muy lejos. Y desde esta posición, un borrador cuántico con una elección diferida realmente lleva a la conclusión de que la información debería haberse transferido al pasado para ayudar al electrón con la elección. Honestamente, las explicaciones populares a menudo complican la imagen, creando un aura de misterio en la mecánica cuántica. Y la suposición de que la mecánica cuántica le permite enviar señales al pasado solo agrega combustible al fuego.
Todas estas tentaciones deben ser resistidas. Un electrón es simplemente parte de la función de onda del universo. Él no elige ser una partícula o una ola. Pero por alguna razón, incluso los investigadores serios de los fundamentos de la física cuántica a veces consideran los experimentos con un borrador cuántico con una elección retrasada y otros similares (que, por cierto, se han probado muchas veces en la práctica) como evidencia de causalidad inversa en la naturaleza: señales que se propagan hacia atrás en el tiempo, afectar el pasado Una variante de dicho experimento, propuesta por nada menos que John Wheeler, sugirió varios telescopios en el otro lado de la pantalla que podrían determinar a través de qué espacio pasó el electrón, mucho más tarde que el momento en que pasó. A diferencia de los comentaristas posteriores, Wheeler no fue tan lejos como para sugerir causalidad inversa, y no insistió en que el electrón sea siempre una partícula o una onda.
No hay necesidad de causalidad inversa para explicar un borrador cuántico diferido. Para el seguidor de una interpretación multimundo, el resultado es obvio sin ningún viaje en el tiempo. El truco es que cuando se enreda con un solo giro, y no con un gran conjunto de partículas en un detector y entorno clásico, el electrón no se descifra en el sentido completo de la palabra. Cuando el electrón principal se enreda con una sola partícula, podemos considerar diferentes opciones para medir esta partícula auxiliar. Si, como en el experimento habitual de Jung, medimos la brecha a través de la cual pasó un electrón usando un dispositivo macroscópico clásico, no tenemos esa opción de opciones de medición. Con una verdadera decoherencia, el pequeño tamaño del enredo original se refuerza, esencialmente de manera irreversible, para enredarse con el medio ambiente. En este sentido, un borrador cuántico de elección retrasada resulta ser un experimento mental útil para reconocer el papel de la decoherencia y el medio ambiente en las mediciones.
Desafortunadamente, no todos son defensores de una interpretación multimundo. En otras versiones de la mecánica cuántica, las funciones de onda en realidad colapsan, en contraste con la interpretación multivariada, donde el colapso solo es aparente, debido a la decoherencia. En las interpretaciones donde el colapso realmente ocurre (como GRW), resulta ser asimétrico en el tiempo: las funciones de onda colapsan, pero no pueden volver a su estado original. Si en su teoría hay un colapso de la función de onda, pero al mismo tiempo desea mantener la simetría de tiempo general en las leyes de la física, puede convencerse de la necesidad de la causalidad inversa.
O puede aceptar la evolución suave de la función de onda con ramificación en lugar de colapso, y mantener automáticamente la simetría de tiempo para todas las ecuaciones básicas sin la necesidad de viajar en el tiempo o dudar de los electrones.
¡Bienvenido a los muchos mundos!