Artikel dan komentar tentang keajaiban fisika kuantum muncul secara berkala di Habré:
penghapus kuantum dan pengukuran yang lemah. Sayangnya, terlalu sering mereka dianggap sebagai fenomena misterius dan tidak dapat dipahami yang memungkinkan untuk membuat hampir sihir, meskipun dalam kenyataannya sama sekali tidak ada yang mengejutkan di dalamnya. Dalam posting ini, saya menerjemahkan artikel Sean Carroll tentang penghapus kuantum yang ditangguhkan. Biarkan itu menjadi titik awal untuk diskusi dalam komentar semua trik mekanika kuantum.
Dari penerjemah. Sean Carroll adalah seorang profesor di Caltech, yang mengkhususkan diri dalam kosmologi dan dasar-dasar fisika kuantum. Dia adalah pendukung konsisten dari Banyak-Dunia Interpretasi (MMI) dari mekanika kuantum, tentang sesuatu Sesuatu yang Sangat Tersembunyi baru-baru ini dirilis. Dengan demikian, penjelasan percobaan di pos akan berasal dari sudut pandang MMI. Meskipun pada umumnya ini tidak begitu penting untuk penjelasan itu sendiri. Anda dapat membaca posting terbaru saya tentang MMI jika Anda ingin menyegarkan kembali dasar-dasarnya.
Carroll juga menyelenggarakan podcast Mindscape yang luar biasa. Podcast ini ternyata hampir menjadi acara utama kehidupan intelektual saya dalam setahun terakhir, dan, jujur, ini yang terbaik yang bisa Anda dapatkan dari pos ini.
Penafian! Di beberapa tempat saya mengadaptasi sedikit teks, dan menambahkan sedikit dari diri saya sendiri demi kejelasan. Semua kesalahan ada di hati nurani saya (dan di PM, saya harap).
Artikel ini adalah bab dari Sesuatu yang Sangat Tersembunyi , yang tidak termasuk dalam versi final teks.
Mari kita bayangkan bahwa Anda adalah seorang mahasiswa fisika, duduk di sebuah kursus dalam pekerjaan eksperimental, dan sang profesor dalam suasana hati yang sangat buruk. Ini memaksa Anda untuk melakukan versi
pengalaman Jung yang aneh, menjelaskan bahwa versi ini disebut "penghapus kuantum pilihan-tertunda." Anda sepertinya pernah melihat sesuatu seperti ini di YouTube.
Dalam eksperimen tradisional Jung dengan dua celah, sinar elektron melewati dua celah dan memasuki layar perekaman. Setiap elektron secara terpisah meninggalkan sebuah titik di layar, tetapi jika kita menunggu sampai banyak peristiwa semacam itu diketik, kita akan melihat gambar interferensi dengan garis-garis terang dan gelap. Ini karena fungsi gelombang elektron melewati celah dan mengganggu dirinya sendiri.
Jika kita mengukur celah yang dilewati setiap elektron, gambar interferensi akan hilang, dan kita akan melihat distribusi yang diperhalus pada layar. Buku teks tentang mekanika kuantum secara tradisional akan memberi tahu kita bahwa ini terjadi karena runtuhnya fungsi gelombang ketika kita amati pada celah. Interpretasi multi-dunia mengatakan bahwa ini karena elektron mengacaukan perangkat pengukur, dan perangkat mengacaukan lingkungan (terjadi dekoherensi), dan fungsi gelombang dibagi menjadi dua dunia yang terpisah, di mana masing-masing elektron hanya melewati satu celah.
Gambar gangguan terlihat ketika elektron melewati dua slot (di sebelah kiri), hingga upaya dilakukan untuk mengukur celah yang melewati elektron (di sebelah kanan).Eksperimen Anda rumit: Anda akan mengukur celah yang dilewati elektron, tetapi tidak dengan perangkat makroskopik besar, tetapi dengan perangkat kuantum, dan menyimpan informasi dalam qubit. Sebagai contoh, untuk setiap elektron "utama" yang melewati celah, kita memiliki elektron "bantu" kedua yang terjerat dengan elektron pertama. Pasangan ini bingung sebagai berikut: jika elektron utama melewati celah kiri, elektron bantu berada dalam keadaan dengan putaran atas, dan jika melalui kanan - dengan putaran bawah:
Ψ = (L) [↑] + (R) [↓].
Profesor Anda, yang jelas-jelas tidak berminat hari ini, menegaskan bahwa Anda tidak melakukan pengukuran pada elektron "pembantu", dan bahkan tidak membiarkannya terbang dan menabrak sesuatu di ruangan itu. Anda dengan hati-hati menangkap dan menyimpannya, misalnya, dalam perangkap magnetik.
Apa yang akan kita lihat di layar jika kita mengulangi percobaan dengan banyak elektron? Tentu saja, distribusi yang lancar tanpa gangguan gambar, tentunya. Gangguan dapat terjadi hanya jika dua bagian adalah komponen dari fungsi gelombang yang sama, dan karena dua elektron utama sekarang terjerat dengan yang tambahan, jalur melalui slot kiri dan kanan dapat dibedakan, dan kami tidak melihat gambar interferensi. Dalam kasus ini, ternyata acuh tak acuh bahwa kita tidak memiliki dimensi nyata (dan dekoherensi), tetapi hanya kebingungan. Satu-satunya hal yang penting adalah bahwa elektron utama berada dalam keadaan terjerat dengan elektron bantu. Setiap kebingungan dapat membunuh gangguan.
Tentu saja, kita dapat mengukur putaran elektron bantu jika kita mau. Jika kita mengukurnya sepanjang sumbu vertikal, kita mendapatkan [↑] atau [↓]. Sehubungan dengan keadaan kuantum Ψ ini akan menempatkan kita baik di alam semesta di mana elektron utama melewati celah kiri, atau di alam semesta di mana ia melewati yang tepat. Akhirnya, jika kami mengulangi percobaan berkali-kali, kami tidak akan melihat gangguan.
Oke, kata profesor Anda dengan kecenderungan sadis, menggosok tangannya dengan senyum jahat. Sekarang mari kita ukur elektron bantu kita, tetapi bukan pada vertikal, tetapi pada sumbu horizontal. Keadaan di pangkalan vertikal dan horizontal terkait sebagai:
[↑] = [→] + [←],
[↓] = [→] - [←].
(Untuk kesederhanaan, kami membuang faktor normalisasi). Dalam dasar ini, keadaan yang sama seperti di atas akan terlihat seperti ini:
Ψ = (L) [→] + (L) [←] + (P) [→] - (P) [←]
= ( + ) [→] + ( - ) [←].
Ketika kami mengukur putaran bantu dalam arah vertikal, kami memperoleh jalur tertentu dari elektron utama: [↑] terjerat dengan (), dan [↓] terjerat dengan (). Melakukan pengukuran, kami menemukan apakah elektron utama melewati celah kiri atau kanan. Sekarang kita mengukur putaran di sepanjang arah horizontal, dan kepastian ini menghilang. Setelah pengukuran, kita kembali menemukan diri kita di cabang fungsi gelombang, di mana elektron utama segera melewati dua slot. Jika kita mengukur putaran "kiri", elektron utama akan menerima pergeseran fasa ketika melewati celah kanan (tanda minus), tetapi ini adalah fitur murni matematika.
Jadi, memilih metode pengukuran ini, kami "menghapus" informasi tentang celah yang dilalui elektron. Inilah yang disebut "penghapus kuantum." Proses hapus itu sendiri tidak mengubah distribusi titik secara keseluruhan di layar. Tetap lancar, dan tidak terjadi gangguan: hasil pengukuran "kiri" dan "kanan" masih acak.
Tetapi sekarang kita tidak hanya memiliki distribusi elektron pada layar secara umum. Untuk setiap titik di layar, kita juga tahu hasil pengukuran untuk elektron bantu: itu dalam keadaan "berputar ke kiri" atau "berputar ke kanan". Jadi, profesor Anda sedang berkembang, sekarang mari kita pergi ke komputer dan membagi pengukuran kita menjadi dua bagian: bagian yang mana elektron bantu memiliki putaran ke kiri, dan bagian yang mana itu ke kanan. Apa yang akan kita lihat sekarang?
Sangat aneh bahwa sekarang gangguan muncul kembali. Elektron utama yang terkait dengan elektron bantu spin-kiri membentuk gambar interferensi, serta elektron-elektron yang memiliki elektron bantu memiliki putaran ke kanan. (Ingat bahwa gambar interferensi tidak segera muncul, tetapi muncul saat statistik elektron dikumpulkan). Tetapi kedua gambar ini bergeser relatif satu sama lain, sehingga puncak dalam satu gambar bertepatan dengan kemiringan yang lain. Ketika mereka saling tumpang tindih, distribusi yang halus terjadi di mana gambar gangguan sebenarnya disembunyikan.
Diambil dari
WikipediaMenengok ke belakang, kita tidak akan menemukan itu begitu mengejutkan. Jika kita melihat bagaimana keadaan Ψ direkam relatif terhadap elektron bantu secara horizontal (berputar ke kiri atau kanan), kita akan melihat bahwa setiap pengukuran terjerat dengan elektron utama yang melewati kedua slot. Jadi tentu saja, gangguan bisa muncul. Dan minus itu, yang tampak seperti detail matematis yang sama sekali tidak penting, menggeser satu gambar relatif ke yang lain sehingga ketika mereka ditumpangkan, mereka membentuk gambar yang halus.
Profesor Anda tampaknya lebih terkejut dengan hal ini daripada Anda. "Tidak bisakah kamu melihat!" Dia berseru dengan bersemangat. “Jika kita tidak mengukur elektron tambahan sama sekali, atau mengukurnya di sepanjang sumbu vertikal, tidak ada gangguan yang muncul. Dan jika kita mengukurnya di sepanjang sumbu horizontal, ternyata ada gangguan tersembunyi yang bisa kita deteksi dengan membagi hasil pengukuran menjadi beberapa bagian untuk putaran berbeda dari elektron bantu. ”
Anda dan siswa lain mengangguk setuju, meskipun Anda berada dalam kebingungan.
“Pikirkan apa artinya itu! Pilihan arah pengukuran spin tambahan dapat dilakukan setelah semua elektron utama terdaftar di layar. Jika kita menyelamatkan semua punggung bantu tanpa membiarkan mereka bingung dengan lingkungan sekitar, kita bisa membuat pilihan ini bertahun-tahun kemudian. ”
Tampaknya ya, para penonton bergumam, sepertinya itu benar.
“Tetapi gangguan hanya terjadi ketika elektron utama melewati kedua celah, dan distribusi yang halus terjadi ketika sebuah elektron melewati satu celah. Keputusan ini - untuk melewati dua celah atau melalui satu - terjadi jauh sebelum kami mengukur elektron bantu. Jelas, keputusan kami untuk mengukurnya secara horizontal daripada secara vertikal mengirim sinyal kembali ke masa lalu dan memberi tahu elektron utama bahwa mereka harus melalui kedua slot sekaligus, dan bukan melalui satu. ”
Penonton yang bingung membeku sejenak dan meledak sebagai protes. Solusi? Kembali ke masa lalu? Apa yang kamu bicarakan Elektron tidak membuat pilihan untuk melewati satu celah atau lainnya. Fungsi gelombangnya (dan segala sesuatu yang membingungkannya) berkembang sesuai dengan persamaan Schrödinger, seperti biasa. Sebuah elektron tidak membuat pilihan, itu pasti selalu melewati kedua celah, tetapi ternyata berada dalam keadaan terjerat. Dengan mengukur elektron bantu di sepanjang arah yang berbeda, kita dapat memilih berbagai bagian fungsi gelombang terjerat, beberapa di antaranya mengganggu, dan sebagian tidak. Tidak ada yang kembali ke masa lalu. Ini adalah eksperimen keren, tapi tidak ada yang membuat mesin waktu di sini.
Anda dan rekan Anda benar. Profesor Anda sedikit terbawa suasana. Selalu ada godaan untuk menganggap elektron sebagai sesuatu yang memiliki "sifat-sifat gelombang dan partikel pada saat yang sama," dan interpretasi Kopenhagen tentang mekanika kuantum hanya memaafkan ini. Jika kita menyerah pada godaan ini, gagasan bahwa elektron berperilaku baik sebagai partikel atau sebagai gelombang, dan dalam setiap percobaan salah satu dari dua opsi ini direalisasikan, tidak jauh. Dan dari posisi ini, penghapus kuantum dengan pilihan yang ditunda benar-benar mengarah pada kesimpulan bahwa informasi tersebut seharusnya ditransfer kembali ke masa lalu untuk membantu elektron dengan pilihan. Jujur, penjelasan populer sering menyulitkan gambar, menciptakan aura misteri dalam mekanika kuantum. Dan asumsi bahwa mekanika kuantum memungkinkan Anda mengirim sinyal ke masa lalu hanya menambah bahan bakar ke api.
Semua godaan ini harus dilawan. Elektron hanyalah bagian dari fungsi gelombang alam semesta. Dia tidak membuat pilihan untuk menjadi partikel atau gelombang. Tetapi untuk beberapa alasan, bahkan para peneliti serius tentang dasar-dasar fisika kuantum kadang-kadang mempertimbangkan eksperimen dengan penghapus kuantum dengan pilihan yang tertunda dan yang lainnya (yang, secara kebetulan, telah diuji berkali-kali dalam praktik) sebagai bukti kausalitas terbalik di alam - sinyal yang merambat ke belakang dalam waktu, mempengaruhi masa lalu. Varian dari eksperimen semacam itu, yang diusulkan oleh John Wheeler, menyarankan beberapa teleskop di sisi lain layar yang dapat menentukan celah yang dilewati elektron, lebih lambat dari saat itu berlalu. Tidak seperti komentator kemudian, Wheeler tidak sejauh menyarankan kausalitas terbalik, dan tidak bersikeras bahwa elektron selalu berupa partikel atau gelombang.
Tidak perlu untuk membalikkan kausalitas untuk menjelaskan penghapus kuantum yang ditangguhkan. Untuk pengikut interpretasi multi-dunia, hasilnya jelas tanpa perjalanan waktu. Kuncinya adalah bahwa ketika terjerat dengan satu putaran, dan bukan ansambel besar partikel dalam detektor dan lingkungan klasik, elektron tidak membusuk dalam arti kata sepenuhnya. Ketika elektron utama terjerat hanya dengan satu partikel, kita dapat mempertimbangkan berbagai opsi untuk mengukur partikel tambahan ini. Jika, seperti dalam eksperimen Jung yang biasa, kami mengukur jarak melalui mana elektron dilewatkan menggunakan perangkat makroskopik klasik, kami tidak memiliki pilihan opsi pengukuran seperti itu. Dengan dekoherensi sejati, ukuran kecil dari keterikatan asli diperkuat, pada dasarnya ireversibel, ke dalam keterikatan dengan lingkungan. Dalam hal ini, penghapus kuantum pilihan-tertunda terbukti menjadi eksperimen pemikiran yang berguna untuk mengenali peran dekoherensi dan lingkungan dalam pengukuran.
Sayangnya, tidak semua orang adalah pendukung interpretasi multi-dunia. Dalam versi lain dari mekanika kuantum, fungsi gelombang sebenarnya runtuh, berbeda dengan interpretasi multivariat, di mana keruntuhan hanya terlihat, timbul karena dekoherensi. Dalam interpretasi di mana keruntuhan sebenarnya terjadi (seperti GRW), ternyata menjadi asimetris dalam waktu: fungsi gelombang runtuh, tetapi tidak dapat kembali ke keadaan semula. Jika dalam teori Anda ada keruntuhan fungsi gelombang, tetapi pada saat yang sama Anda ingin mempertahankan simetri waktu umum dalam hukum fisika, Anda dapat meyakinkan diri sendiri tentang perlunya membalikkan kausalitas.
Atau Anda dapat menerima evolusi fungsi gelombang yang lancar dengan bercabang alih-alih runtuh, dan secara otomatis mempertahankan simetri waktu untuk semua persamaan dasar tanpa perlu untuk perjalanan waktu atau elektron yang meragukan.
Selamat datang di Many Worlds!