Retour vers le futur? Eraser Quantum en attente

Des articles et commentaires sur les merveilles de la physique quantique apparaissent périodiquement sur Habré: gomme quantique et mesures faibles. Malheureusement, trop souvent, on les parle de phénomènes mystérieux et incompréhensibles qui permettent de créer presque de la magie, bien qu'en réalité il n'y ait absolument rien de surprenant en eux. Dans cet article, je traduis l'article de Sean Carroll sur les gommes à effacer quantiques différées. Que ce soit le point de départ de la discussion dans les commentaires de toutes les astuces de la mécanique quantique.

Du traducteur. Sean Carroll est professeur à Caltech, spécialisé dans la cosmologie et les bases de la physique quantique. Il est un partisan cohérent de l'Interprétation des mondes multiples (MMI) de la mécanique quantique, à propos de laquelle quelque chose de profondément caché a récemment été publié. En conséquence, l'explication de l'expérience dans le post sera du point de vue du MMI. Bien que dans l'ensemble, ce n'est pas si important pour l'explication elle-même. Vous pouvez lire mon récent article sur MMI si vous souhaitez rafraîchir les bases.

Carroll héberge également un excellent podcast Mindscape . Ce podcast s'est avéré être presque l'événement principal de ma vie intellectuelle au cours de la dernière année, et honnêtement, c'est le meilleur que vous puissiez tirer de ce post.

Clause de non-responsabilité! À certains endroits, j'ai adapté un petit texte et ajouté un peu de moi pour plus de clarté. Toutes les erreurs sont sur ma conscience (et en PM, j'espère).

Cet article est un chapitre de Quelque chose de profondément caché , qui n'était pas inclus dans la version finale du texte.



Imaginons que vous soyez un étudiant en physique, assis sur un cours de travail expérimental, et que le professeur soit de très mauvaise humeur. Cela vous oblige à mener une version particulièrement étrange de l'expérience de Jung , expliquant que cette version est appelée une «gomme quantique à choix différé». Vous semblez avoir vu quelque chose comme ça sur YouTube une fois.
Dans l'expérience traditionnelle de Jung avec deux fentes, un faisceau d'électrons passe par deux fentes et pénètre dans l'écran d'enregistrement. Chaque électron laisse individuellement un point sur l'écran, mais si nous attendons que de nombreux événements de ce type soient tapés, nous verrons une image d'interférence avec des rayures claires et sombres. En effet, la fonction d'onde des électrons traverse les deux fentes et interfère avec elle-même.


Si nous mesurons à travers quel intervalle chaque électron passe, l'image d'interférence disparaîtra et nous verrons une distribution lissée sur l'écran. Les manuels de mécanique quantique nous disent traditionnellement que cela s'est produit en raison de l'effondrement de la fonction d'onde lorsque nous l'avons observée sur des fentes. L'interprétation multi-monde dit que cela est dû au fait que l'électron a gâché l'appareil de mesure, et l'appareil a gâché l'environnement (la décohérence s'est produite), et la fonction d'onde a été divisée en deux mondes distincts, dans chacun desquels l'électron n'a traversé qu'une seule des fentes.

L'image d'interférence est visible lorsque l'électron passe à travers deux fentes (à gauche), jusqu'à ce qu'une tentative soit faite pour mesurer à travers quelle fente l'électron passe (à droite).

Votre expérience est compliquée: vous mesurerez à travers quelle fente un électron passe, mais pas avec un grand appareil macroscopique, mais avec un appareil quantique, et stockerez les informations dans un qubit. Par exemple, pour chaque électron «principal» traversant les espaces, nous avons un deuxième électron «auxiliaire» enchevêtré avec le premier. La paire est confondue comme suit: si l'électron principal passe à travers l'espace gauche, l'électron auxiliaire est dans un état avec rotation vers le haut, et si à travers la droite - avec rotation vers le bas:

Ψ = (L) [↑] + (R) [↓].

Votre professeur, qui n'est manifestement pas d'humeur aujourd'hui, insiste pour que vous ne preniez pas de mesures sur les électrons "auxiliaires", et ne les laissez même pas s'envoler et percuter quelque chose dans la pièce. Vous les attrapez et les stockez soigneusement, par exemple, dans un piège magnétique.
Que verrons-nous à l'écran si nous répétons une telle expérience avec de nombreux électrons? Bien sûr, une distribution fluide sans image d'interférence, bien sûr. Des interférences ne peuvent se produire que si deux parties sont des composants de la même fonction d'onde, et puisque deux électrons principaux sont maintenant enchevêtrés avec des électrons auxiliaires, les chemins à travers les fentes gauche et droite sont distinguables, et nous ne voyons pas l'image d'interférence. Dans ce cas, il s'avère indifférent que nous n'ayons pas eu de dimension réelle (et de décohérence), mais seulement de confusion. La seule chose importante est que les électrons principaux sont dans un état d'enchevêtrement avec les électrons auxiliaires. Toute confusion tue les interférences.

Bien sûr, nous pouvons mesurer les spins d'électrons auxiliaires si nous le voulons. Si nous les mesurons le long de l'axe vertical, nous obtenons [↑] ou [↓]. En ce qui concerne l'état quantique Ψ cela nous placera soit dans l'univers où l'électron principal a traversé le fossé gauche, soit dans l'univers où il est passé dans le droit. Enfin, si nous répétons l'expérience plusieurs fois, nous ne verrons pas d'interférence.

D'accord, dit votre professeur avec des penchants sadiques, en se frottant les mains avec un sourire méchant. Mesurons maintenant nos électrons auxiliaires, mais pas sur la verticale, mais sur l'axe horizontal. L'état dans les bases verticales et horizontales est lié comme:
[↑] = [→] + [←],
[↓] = [→] - [←].

(Par souci de simplicité, nous rejetons les facteurs de normalisation). Dans cette base, le même état que ci-dessus ressemblera à ceci:

Ψ = (L) [→] + (L) [←] + (P) [→] - (P) [←]
= ( + ) [→] + ( - ) [←].

Lorsque nous avons mesuré le spin auxiliaire dans le sens vertical, nous avons obtenu un certain chemin de l'électron principal: [↑] était enchevêtré avec (), et [↓] était enchevêtré avec (). En effectuant une mesure, nous avons découvert si l'électron principal passait par la fente gauche ou droite. Maintenant, nous mesurons le spin le long de la direction horizontale, et cette certitude disparaît. Après la mesure, nous nous retrouvons à nouveau dans la branche de la fonction d'onde, où l'électron principal passe immédiatement à travers deux fentes. Si nous mesurons le spin «gauche», l'électron principal recevra un déphasage lors de son passage dans la fente droite (signe moins), mais c'est une caractéristique purement mathématique.
Ainsi, en choisissant cette méthode de mesure, nous avons «effacé» les informations sur l'espace à travers lequel l'électron passait. C'est ce qu'on appelle la «gomme quantique». Le processus d'effacement lui-même ne modifie pas la distribution globale des points sur l'écran. Il reste lisse et aucune interférence ne se produit: les résultats de mesure «gauche» et «droite» sont toujours aléatoires.

Mais maintenant, nous n'avons pas seulement la distribution générale des électrons sur l'écran. Pour chaque point de l'écran, nous connaissons également le résultat de mesure de l'électron auxiliaire: il était dans l'état de «rotation à gauche» ou de «rotation à droite». Donc, votre professeur fleurit, allons maintenant à l'ordinateur et divisons nos mesures en deux parties: la partie pour laquelle l'électron auxiliaire a tourné à gauche et la partie pour laquelle il était à droite. Que verrons-nous maintenant?

Il est curieux que maintenant les interférences réapparaissent. Les électrons principaux associés aux électrons auxiliaires à spin gauche forment une image d'interférence, ainsi que ceux pour lesquels l'électron auxiliaire avait un spin à droite. (N'oubliez pas que l'image d'interférence n'apparaît pas immédiatement, mais apparaît lorsque des statistiques sur un seul électron sont collectées). Mais ces deux images sont décalées l'une par rapport à l'autre, de sorte que les pics d'une image coïncident avec les creux de l'autre. Lorsqu'elles sont superposées les unes aux autres, une distribution fluide se produit là où l'image d'interférence est réellement cachée.

Extrait de Wikipedia

Avec le recul, nous ne trouverons pas cela si surprenant. Si nous regardons comment l'état Ψ a été enregistré par rapport aux électrons auxiliaires sur une base horizontale (rotation à gauche ou à droite), nous voyons que chaque mesure était enchevêtrée avec l'électron principal passant par les deux fentes. Alors, bien sûr, des interférences pourraient survenir. Et ce moins, qui semblait un détail mathématique complètement sans importance, déplaçait une image par rapport à une autre de sorte que lorsqu'ils étaient superposés, ils formaient une image lisse.

Votre professeur semble en être plus surpris que vous. "Tu ne vois pas!" S'exclame-t-elle avec enthousiasme. «Si nous ne mesurons pas du tout les électrons auxiliaires, ou si nous les mesurons le long de l'axe vertical, aucune interférence ne se produit. Et si nous les mesurons le long de l'axe horizontal, il s'avère qu'il y avait une interférence cachée que nous pouvions détecter en divisant les résultats de la mesure en parties pour différents spins de l'électron auxiliaire. »

Vous et les autres étudiants acquiescez de la tête, bien que vous soyez quelque peu perplexe.

«Pensez à ce que cela signifie! Le choix de la direction de mesure des spins auxiliaires a pu être fait après que tous les électrons principaux aient été enregistrés sur l'écran. Si nous sauvions tous les dos auxiliaires sans les laisser se confondre avec l'environnement, nous pourrions faire ce choix des années plus tard. »

Il semble que oui, le public marmonne, il semble que ce soit vrai.

«Mais les interférences ne se produisent que lorsque les électrons principaux passent à travers les deux fentes, et une distribution régulière se produit lorsqu'un électron passe à travers une fente. Cette décision - de passer par deux fentes ou par une - se produit bien avant de mesurer les électrons auxiliaires. De toute évidence, notre décision de les mesurer horizontalement plutôt que verticalement a renvoyé un signal dans le passé et a informé les principaux électrons qu'ils devaient passer par les deux fentes à la fois, et non par une seule. »

Le public perplexe se fige un instant et explose en signe de protestation. Solution? Retour vers le passé? De quoi tu parles? L'électron ne fait pas le choix de passer par une lacune ou une autre. Sa fonction d'onde (et tout ce avec quoi elle est confondue) évolue conformément à l'équation de Schrödinger, comme d'habitude. Un électron ne fait pas de choix, il passe définitivement toujours par les deux fentes, mais il se trouve dans un état intriqué. En mesurant des électrons auxiliaires dans différentes directions, nous pouvons choisir différentes parties de la fonction d'onde enchevêtrée, dont certaines interfèrent et d'autres non. Rien n'est revenu dans le passé. C'est une expérience cool, mais personne ne construit de machine à remonter le temps ici.

Vous et vos camarades avez raison. Votre professeur est un peu emporté. Il y a toujours la tentation de considérer l'électron comme quelque chose possédant "les propriétés d'une onde et d'une particule à la fois", et l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique ne fait que l'accepter. Si nous succombons à cette tentation, l'idée que l'électron se comporte soit comme une particule soit comme une onde, et dans chaque expérience une de ces deux options est réalisée, n'est pas loin. Et de cette position, une gomme quantique avec un choix différé conduit vraiment à la conclusion que l'information aurait dû être transférée dans le passé pour aider l'électron à faire son choix. Honnêtement, les explications populaires compliquent souvent l'image, créant une aura de mystère en mécanique quantique. Et l'hypothèse selon laquelle la mécanique quantique vous permet d'envoyer des signaux au passé ne fait qu'ajouter du carburant au feu.

Il faut résister à toutes ces tentations. Un électron fait simplement partie de la fonction d'onde de l'univers. Il ne fait pas le choix d'être une particule ou une onde. Mais pour une raison quelconque, même des chercheurs sérieux des principes fondamentaux de la physique quantique considèrent parfois des expériences avec une gomme quantique avec un choix retardé et d'autres similaires (qui, incidemment, ont été testées à plusieurs reprises dans la pratique) comme preuve d'une causalité inverse dans la nature - des signaux se propageant dans le temps, affecter le passé. Une variante d'une telle expérience, proposée par nul autre que John Wheeler, a suggéré plusieurs télescopes de l'autre côté de l'écran qui pourraient déterminer la fente traversée par l'électron, bien plus tard que le moment où il est passé. Contrairement aux commentateurs ultérieurs, Wheeler n'est pas allé jusqu'à suggérer une causalité inverse et n'a pas insisté sur le fait que l'électron est toujours soit une particule soit une onde.

Il n'y a pas besoin de causalité inverse pour expliquer une gomme quantique différée. Pour l'adepte d'une interprétation multi-mondes, le résultat est évident sans aucun voyage dans le temps. L'astuce est que lorsqu'il est enchevêtré avec un spin, et non un énorme ensemble de particules dans un détecteur et un environnement classiques, l'électron ne se décompose pas dans le sens plein du terme. Lorsque l'électron principal est emmêlé avec une seule particule, nous pouvons considérer différentes options pour mesurer cette particule auxiliaire. Si, comme dans l'expérience habituelle de Jung, nous avons mesuré l'espace à travers lequel un électron passait à l'aide d'un appareil macroscopique classique, nous n'avons pas un tel choix d'options de mesure. Avec une véritable décohérence, la taille minuscule de l'enchevêtrement d'origine est renforcée, de manière irréversible, en enchevêtrement avec l'environnement. En ce sens, une gomme quantique à choix différé s'avère être une expérience de réflexion utile pour reconnaître le rôle de la décohérence et de l'environnement dans les mesures.

Malheureusement, tout le monde n'est pas partisan d'une interprétation multi-monde. Dans d'autres versions de la mécanique quantique, les fonctions d'onde s'effondrent réellement, contrairement à l'interprétation multivariée, où l'effondrement n'est qu'apparent, résultant de la décohérence. Dans les interprétations où l'effondrement se produit réellement (comme GRW), il s'avère asymétrique dans le temps: les fonctions d'onde s'effondrent, mais ne peuvent pas revenir à leur état d'origine. Si dans votre théorie il y a un effondrement de la fonction d'onde, mais en même temps que vous voulez maintenir une symétrie temporelle générale dans les lois de la physique, vous pouvez vous convaincre de la nécessité d'une causalité inverse.

Ou vous pouvez accepter l'évolution en douceur de la fonction d'onde avec ramification plutôt que s'effondrer, et maintenir automatiquement la symétrie temporelle pour toutes les équations de base sans avoir besoin de voyager dans le temps ou de douter des électrons.

Bienvenue dans les nombreux mondes!