Tanyakan Ethan: Apa yang begitu menakutkan tentang keterikatan kuantum?

Dengan membuat dua foton terjerat dalam sistem yang ada, dan kemudian membaginya dalam jarak yang jauh, kita dapat memperoleh informasi tentang keadaan salah satu dari mereka dengan mengukur keadaan lainnya.

Fisika kuantum penuh dengan teka-teki, terkenal karena bertentangan dengan intuisi kita. Partikel-partikel tampaknya tahu apakah Anda melihatnya atau tidak, dan menunjukkan perilaku yang berbeda, tergantung pada apakah Anda menontonnya atau tidak, melewati celah ganda. Pengukuran kuantitas tunggal, misalnya, posisi partikel, menciptakan ketidakpastian yang melekat dalam kuantitas komplementer, misalnya, momentum. Dan jika Anda mengukur putarannya ke arah vertikal, maka hancurkan informasi tentang bagian belakang dalam arah horizontal. Tetapi yang paling "menakutkan" dari semua fenomena kuantum adalah keterikatan kuantum, ketika satu partikel tampaknya langsung "tahu" apakah pasangan yang bingung dengannya diukur, bahkan jika itu dilakukan di ujung lain Semesta. Minggu ini kita akan melihat pertanyaan pembaca, tertarik dengan mengapa ini umumnya dianggap sebagai misteri.

Dari sudut pandang foton, mereka menempuh jarak nol dalam waktu nol. Jadi apa yang menakutkan tentang ini? Sampai salah satu dari mereka diukur, mereka berada di tempat yang sama dan pada saat yang sama (jika Anda mempercayainya), jadi tidak bisa disebut misteri bahwa mereka mengoordinasikan negara mereka.

Alasan yang masuk akal: pelebaran waktu untuk partikel yang bergerak cepat berarti mereka dapat mengoordinasikan keadaan mereka dengan kecepatan apa pun. Tapi teka-teki ini tidak mudah dipecahkan.


Skema percobaan Aspe ketiga untuk memverifikasi nonlocality kuantum. Foton terjerat dari sumber dikirim ke dua sakelar yang mengarahkannya ke sensor polarisasi. Sakelar sangat cepat mengubah statusnya, mengubah pengaturan detektor selama penerbangan foton.

Pertama, mari kita membahas masalah keterikatan. Eksperimen biasanya dilakukan dengan foton: Anda mentransmisikan satu kuantum cahaya melalui bahan khusus (hamburan kristal), membaginya menjadi dua foton. Foton ini akan terjerat dalam arti tertentu, yaitu, jika seseorang memiliki putaran, momentum sudut internal adalah +1, maka yang lain akan memiliki -1. Tapi yang mana tidak kita kenal. Anda bahkan dapat melakukan percobaan di mana, setelah mempertimbangkan sejumlah besar foton, perbedaannya
• hasil statistik jika berputar +1,
• hasil statistik jika spin adalah -1,
• dan hasil statistik jika putaran tetap tidak ditentukan.

Sangat sulit untuk memvisualisasikan hasil ini, tetapi dalam mekanika kuantum ada analogi yang luar biasa: perjalanan partikel melalui celah ganda.


Jika elektron, foton, atau partikel lain dilewatkan melalui celah ganda, muncul pola interferensi. Tetapi ini hanya terjadi jika Anda tidak memeriksa celah apa yang mereka lewati!

Jika Anda melewati sebuah partikel melalui celah ganda - yaitu, layar dengan dua slot sempit yang sangat dekat satu sama lain - dan itu melewati mereka, bukannya ditopang oleh layar, Anda dapat dengan mudah menentukan di mana ia akan berada di sisi lain. Jika Anda meluncurkan banyak partikel satu per satu melalui pot ganda, Anda akan menemukan bahwa partikel yang melewati celah membentuk pola interferensi. Dengan kata lain, setiap partikel tidak berperilaku seolah-olah telah melewati satu atau celah lain; dia berperilaku seolah-olah dia melewati kedua slot sekaligus, mengganggu dirinya dengan cara gelombang, dan terus bergerak.

Tetapi gambar ini, yang menunjukkan sifat mekanika-kuantum yang aneh dari semua partikel Semesta, hanya muncul jika Anda tidak menentukan melalui celah mana partikel itu melewatinya.


Jika Anda menentukan melalui celah mana suatu partikel melewati, membiarkan sisa percobaan tidak berubah, Anda tidak akan mendapatkan gambar interferensi sama sekali.

Jika Anda mengukur partikel saat melewati salah satu slot - ini bisa dilakukan dengan memasang penghitung - Anda tidak akan mendapatkan gambar interferensi. Anda akan mendapatkan banyak partikel yang sesuai untuk melewati slot 1, dan banyak untuk slot 2.


Pola gelombang elektron yang melewati celah ganda satu per satu. Jika Anda mengukur melalui celah mana elektron telah berlalu, Anda menghancurkan gambar interferensi kuantum. Perhatikan bahwa untuk membuat gambar seperti itu membutuhkan lebih dari satu elektron.

Dengan kata lain, dengan melakukan pengukuran yang menentukan jalur yang dipilih oleh partikel, Anda mengubah hasil dari pilihan ini! Untuk satu partikel, Anda hanya dapat menentukan probabilitas melewati celah 1, celah 2, atau gangguan itu sendiri. Diperlukan lebih banyak statistik untuk menemukan keadaan sebenarnya dari percobaan Anda.


Tes mekanika bel kuantum untuk partikel spin setengah bilangan bulat

Kembali ke foton yang membingungkan. Atau secara umum untuk partikel terjerat. Anda membuat dua partikel terjerat di mana Anda tahu jumlah total sifat mereka, tetapi bukan sifat masing-masing. Contoh paling sederhana adalah putaran - untuk dua foton akan berubah menjadi (+1 dan -1) atau (-1 dan +1), untuk dua elektron - (+ ½ dan -½) atau (-½ dan + ½) - dan Anda Anda tidak tahu yang mana yang akan berputar, sampai Anda mengukurnya. Alih-alih kesenjangan, Anda dapat mengirimnya melalui polarizer. Dan begitu Anda mengukur satu, Anda menentukan yang lain. Dengan kata lain, Anda langsung tahu.


Eksperimen kuantum erase di mana dua partikel terjerat dipisahkan dan diukur. Tidak ada aksi pada salah satu partikel di tujuan yang mempengaruhi lainnya.

"Menakutkan" adalah kenyataan bahwa dalam fisika tidak ada hal lain yang terjadi secara instan. Kecepatan transmisi tertinggi dari sinyal apa pun akan sama dengan s, kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Tetapi dua partikel terjerat ini dapat dibagi menjadi meter, kilometer, satuan astronomi atau tahun cahaya, dan mengukur salah satunya secara langsung menentukan keadaan yang lain. Tidak masalah apakah partikel terjerat bergerak dengan kecepatan cahaya atau tidak, apakah mereka memiliki massa atau tidak, berapa banyak energi yang mereka miliki, dan jika Anda mengisolasi mereka satu sama lain sehingga mereka tidak saling mengirim foton. Tidak ada celah yang memungkinkan kecepatan interaksi dalam sistem referensi untuk mengimbangi ini. Pada akhir 1990-an, percobaan dengan pemisahan dan pengukuran simultan dari partikel-partikel ini menentukan bahwa jika ada informasi yang ditransmisikan di antara mereka, maka itu bergerak 10.000 kali lebih cepat daripada kecepatan cahaya.


Teleportasi kuantum, yang sering dikacaukan dengan perjalanan lebih cepat daripada cahaya. Pada kenyataannya, informasi tidak ditransmisikan lebih cepat daripada kecepatan cahaya.

Tapi ini tidak mungkin! Pada kenyataannya, tidak ada informasi yang dikirimkan. Tidak mungkin untuk mengukur partikel di satu tempat dan menggunakannya untuk mengirimkan sesuatu ke partikel yang terletak sangat jauh. Banyak skema cerdik telah dikembangkan, dipahami sehingga, dengan menggunakan properti ini, mentransmisikan informasi lebih cepat daripada cahaya, tetapi pada tahun 1993 mereka membuktikan bahwa mekanisme ini tidak akan memungkinkan transmisi informasi. Ada penjelasan sederhana untuk ini:

• Jika Anda mengukur "bagaimana keadaan partikel yang saya miliki," Anda akan mengetahui keadaan partikel lain, tetapi tidak ada yang dapat dilakukan dengan informasi ini sampai Anda mencapai partikel lain atau mencapai kami, dan pesan itu harus pergi dengan kecepatan cahaya atau lebih lambat.
• Jika Anda memaksa partikel yang ada untuk mengambil kondisi tertentu, ini tidak akan mengubah keadaan partikel yang terjerat. Sebaliknya, itu akan menghancurkan keterikatan, sehingga Anda tidak belajar apa pun tentang partikel kedua.

[ Ethan tidak sepenuhnya mengungkapkan esensi masalah. Semua hal di atas mungkin tidak mengejutkan Anda jika Anda membayangkan analogi dengan sarung tangan. Seseorang mengirimi Anda satu sarung tangan dari sepasang, dan teman Anda yang lain. Dan ketika Anda membuka paket Anda, Anda langsung mengenali tidak hanya sarung tangan, kiri atau kanan, yang Anda terima, tetapi juga apa yang diterima teman Anda. Namun, dalam kasus partikel terjerat, keadaan sarung tangan pada awalnya tidak ditentukan. Dan kami tidak hanya tidak tahu atau tidak tahu cara menentukannya - itu sebenarnya ditentukan secara acak, dan tepatnya pada saat mengukur salah satu "sarung tangan". Kemudian "sarung tangan" lainnya langsung mengasumsikan keadaan sebaliknya. Inilah yang disebut Einstein "aksi jarak jauh yang menakutkan" / kira-kira. perev. ]


Jika dua partikel terjerat, sifat-sifat fungsi gelombangnya saling melengkapi, dan pengukuran salah satunya menentukan sifat-sifat yang lain. Tetapi apakah fungsi gelombang adalah deskripsi matematis abstrak, atau apakah fungsi itu mendasari kebenaran yang lebih dalam dari Semesta dan realitas fundamental yang deterministik, adalah pertanyaan terbuka.

Ini adalah masalah filosofis bagi kaum realis. Ini berarti bahwa fungsi gelombang suatu partikel - atau fungsi gelombang terjerat dari beberapa partikel - adalah objek fisik nyata yang ada dan berevolusi di Semesta, tetapi ini membutuhkan sejumlah besar asumsi yang tidak nyaman. Harus diasumsikan bahwa ada sejumlah kemungkinan realitas yang tak terbatas, dan bahwa kita hanya hidup dalam salah satunya, walaupun tidak ada bukti keberadaan yang lain. Jika Anda seorang instrumentalis (sebagai penulis; lebih sederhana dan lebih praktis), Anda tidak memiliki masalah filosofis ini. Anda cukup menerima begitu saja bahwa fungsi gelombang adalah alat untuk perhitungan.


Einstein adalah seorang realis yang yakin dalam hal mekanika kuantum, dan ia membawa prasangka ini ke dalam kubur. Tidak ada bukti yang ditemukan untuk mendukung interpretasinya tentang mekanika kuantum, meskipun dia masih memiliki banyak penganut.

Steven Weinberg, peraih Nobel, salah satu pendiri Standard Model dan fisikawan teoretis jenius di banyak bidang, baru-baru ini mengutuk pendekatan instrumentalisme dalam Science News, menggambarkannya seperti ini:

Sangat mengerikan untuk membayangkan bahwa kita tidak memiliki pengetahuan tentang segala sesuatu yang ada - kita dapat mengatakan apa yang terjadi hanya dengan melakukan pengukuran.

Tetapi terlepas dari penghindaran filosofis Anda, mekanika kuantum bekerja, dan fungsi gelombang, melibatkan partikel, memungkinkan Anda untuk menghancurkan keterjeratan ini, bahkan pada jarak kosmik. Ini adalah satu-satunya proses instan di Alam Semesta yang diketahui oleh kita, dan karena itu benar-benar terpisah!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].