marți , 21 august 2018
roen

Art. 05 – Vol.26 – Nr. 3 – 2016

ENTANGLEMENTUL CUANTIC

Roman Chirilă
roman.chirila@ici.ro

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Informatică, ICI Bucureşti

Rezumat: Entanglementul cuantic este un fenomen cuantic care apare atunci când două sau mai multe particule cuantice sunt generate sau interacţionează astfel încât  starea cuantică a fiecărei particule nu mai poate fi descrisă independent de celelalte, chiar dacă acestea sunt separate spaţial la distanţe foarte mari. Starea lor cuantică este descrisă mai degrabă ca un întreg. Lucrarea de faţă este un scurt rezumat a paradoxului EPR elaborat în 1935, inegalităţile lui Bell publicate în 1964 şi experimentul lui Alain Aspect din 1982. De asemenea sunt discutate unele aspecte metafizice.

Cuvinte cheie: entanglement cuantic, paradoxul EPR, inegalităţile lui Bell, experimentul lui Aspect, variabile ascunse.

Introducere

Una dintre caracteristicile absolut fascinante ale universului cuantic o reprezintă nonlocalitatea, cea despre care Einstein afirma că ar fi un fel de „acţiunea fantomatică la distanţă”[1]. De altfel, lucrarea lui Einstein, Boris Podolsky şi Nathan Rosen din 1935 a rămas cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de „paradoxul EPR”. Esenţa acestui paradox a fost excelent ilustrată prin teorema lui Bell din 1964 [2], precum şi de lucrările experimentale cu totul remarcabile ale lui John Clause şi Stuart Freedman din 1972 [3], şi ale lui Alain Aspect din 1982 [4].

Nonlocalitatea reprezintă, în esenţă, abilitatea obiectelor de a cunoaşte instantaneu şi reciproc starea lor cuantică, chiar şi atunci când obiectele în cauză sunt separate spaţial prin distanţe uriaşe, de ordinul miliardelor de ani lumină. La prima vedere, această proprietate pare a fi în contradicţie flagrantă cu „principiul acţiunii locale”, enunţat de Einstein, conform căruia obiectele îndepărtate nu pot influenţa starea unui obiect, ci doar cele aflate în vecinătatea acestuia. De asemenea, nonlocalitatea contravine  principiului relativităţii restrânse al lui Einstein, conform căruia viteza maximă de transfer a oricărei informaţii din universul nostru material nu poate depăşi viteza luminii în vid.

Prin urmare, nonlocalitate prezentată pe scurt până aici sugerează faptul că universul nostru este profund diferit de reprezentarea noastră obişnuită, newtoniană şi instinctivă, în sensul că părţi separate şi distanţate ale universului nostru sunt de fapt conectate şi întrepătrunse într-o manieră profund intimă. De fapt, însuşi Einstein a fost împotriva acestor consecinţe ale nonlocalităţii, declarând chiar că întreaga teorie cuantică este greşită şi că astfel de idei (precum nonlocalitatea) el nu le va accepta niciodată, până la moarte.

În esenţă, nonlocalitatea apare datorită fenomenului de entanglement, prin care particule care interacţionează între ele devin permanent corelate, sau depind de stările şi proprietăţile celorlalte particule aflate în interacţie unele cu altele, până acolo încât ele îşi pierd individualitatea lor, comportându-se asemeni unei singure entităţi. De pildă, dacă doi electroni sunt produşi împreună, când unul dintre ei va avea spinul up, atunci celălalt va avea spinul down (spinul total al sistemului va fi zero). Cu toate acestea, din perspectiva teoriei cuantice, o superpoziţie  a celor două stări este şi aceasta posibilă, astfel încât cei doi electroni pot fi consideraţi simultan ca având spinul up-down şi respectiv down-up. Dacă cei doi electroni sunt acum separaţi spaţial, oricât de mult şi fără a efectua vreo măsurătoare asupra lor, evitând producerea decoerenţei lor, atunci observarea ulterioară a celui de-al doilea electron va produce instantaneu un spin opus primului electron, astfel încât perechea de electroni va avea spinul total egal cu zero, indiferent cât de mare este separarea lor spaţială

Vizualizează tot articolul

Concluzii

Entanglementul cuantic ocupă în prezent un domeniu de cercetare prioritar în rândul comunităţii fizicienilor, tocmai datorită succeselor experimentale obţinute până acum şi care au confirmat existenţa acestui fenomen [9], destul de bizar la prima vedere. Astfel, la ora actuală putem vorbi de o adevărată avalanşă de experimente, care au confirmat existenţa acestui fenomen cuantic, pe fotoni [11], [12], [13], [14], pe neutrino [15], pe electroni [16], [17], pe molecule [18], [19] şi chiar pe diamante [20].

Preocuparea uriaşă de care se bucură acest fenomen cuantic în rândul fizicienilor se datorează şi potenţialului aplicativ pe care acesta îl dovedeşte că îl are. Merită să amintim pe scurt: teleportarea cuantică, adică procesul prin care starea cuantică a unui foton sau atom poate fi transmisă între două repere spaţiale cu ajutorul comunicaţiilor clasice şi a unei prealabile entanglări cuantice partajate între cele două repere din spaţiu [21], [22], calculatoarele cuantice care folosesc fenomene cuantice cum ar fi superpoziţia şi entanglementul cuantic în vederea realizării de operaţii cu date [23], [24], criptografia cuantică [25], sau internetul cuantic considerat ca fiind viitoarea platformă de prelucrare a informaţiei şi a comunicaţiilor complet securizate [26], un prim experiment crucial fiind efectuat în aer liber, între două insule Canare, pe distanţa de 143 km, între satelit şi staţia terestră [27], folosind teleportarea şi entanglarea cuantică.

O altă aplicaţie inedită de cercetare este cea legată de timp. Astfel, studii recente arată faptul că timpul este un fenomen de entanglement cuantic [28], că acesta este un fenomen emergent pentru observatorii “interni”, dar complet absent pentru cei externi, că fenomenul de entanglare cuantică poate fi utilizat în a descrie curgerea timpului.

BIBLIOGRAFIE

  1. *** http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_quantum_nonlocality.html;
  2. Bell, J. S.: On the Einstein Podolsky Rosen Paradox. Physics. 1(3): 195–200 (1964);
  3. Stuart, J.; Freedman; Clauser, J. F.: Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories Phys. Rev. Lett.28, 938, 1972;
  4. Aspect, A. et al.: Experimental Realization of Einstein–Podolsky–Rosen–Bohm Gedan–kenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities.Phys. Rev. Lett. 49: 91–94 (1982);
  5. Bohm, D.: A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of “Hidden” Variables. Phys. Rev.85, 166, (1952);
  6. Einstein, A.; Podolsky, B.; Rosen,:Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Phys. Rev. 47, 777 (1935);
  7. Bransden, B. H.; Joachain, J.: Introducere în mecanica cuantică. Editura Tehnică,1995,1999;
  8. Peake,: Experienţe extracorporale. Istoria şi ştiinţa călătoriilor astrale. Lifestyle Publishing, Grupul Editorial Trei, 2013;
  9. *** http://en.wikipedia.org/wiki/quantum_entanglement;
  10. Penrose, : The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. London, 2004, p. 603;
  11. Zeilinger, A. et al.: New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs, Physical Review Letters. 75: 4337–4341 (1995); 
  12. Zhao, Zhi et al.:Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation.  430: 54–58. July 2004; 
  13. Chao-Yang Luet al.: Experimental entanglement of six photons in graph states,Nature Physics. 3: 91–95 (2007); 
  14. Xing-Can Yao et al.: Observation of eight-photon entanglement. Nature Photonics.6: 225–228 (2012);
  15. Formaggio, J. A.; Kaiser, D. I.; Murskyj, M. M.; Weiss, E.: Violation of the Leggett-Garg inequality in neutrino oscillations.Phys. Rev. Lett (2016);
  16. Hensen, B.; et al.:Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature. 526: 682–686 (2015);
  17. Markoff, J.: Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests ‘Spooky Action’ Is Real. New York Times. (Retrieved21 October 2015);
  18. Arndt, M. et al.: Wave–particle duality of C60 Nature. 401: 680–682. 14 October 1999; 
  19. Nairz, ;  Arndt, M.; Zeilinger, A.: Quantum interference experiments with large molecules. American Journal of Physics, 71 (April 2003) 319–325;
  20. Lee, K. C.; Sprague, M. R.; Sussman, B. J.; Nunn, J.; Langford, N. K.; Jin, X.- M.; Champion, T.; Michelberger, P.; Reim, K. F.; England, D.; Jaksch, D.; Walmsley, I. A. Entangling macroscopic diamonds at room temperature, 334 (6060): 1253–1256 (2 December 2011); 
  21. Bennett, C. H.;  Brassard, G.; Crépeau, C.; Jozsa, R.; Peres, A.;  Wootters, K.: Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein–Podolsky–Rosen Channels. Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993);
  22. Zeilinger, A.: Dance of the Photons. Farrar, Straus and Giroux, New York, 2010;
  23. Benioff, P.: The computer as a physical system: A microscopic quantum mechanical Hamiltonian model of computers as represented by Turing machines. Journal of statistical physics.22 (5): 563–591 (1980);
  24. Deutsch, D.: Quantum Theory, the Church-Turing Principle and the Universal Quantum Computer.Proceedings of the Royal Society of London 400 (1818): 97–117(1985);
  25. Bennett, C.H.; Brassard, G.: Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, volume 175, page 8. New York, 1984;
  26. Kimble, H. J.:The Quantum Internet. Nature, 453, 1023–1030 (2008);
  27. Xiao-Song, M.a.; Herbst, ;  Scheidl, T.; Daqing Wang; Kropatschek, S.;  Naylor, W.; Wittmann, B.; Mech, A.; Kofler, J.; Anisimova, E.; Makarov, V.;  Jennewein, T.;  Ursin R.;  Zeilinger, A.: Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward, Nature, 489, 269–273, (2012);
  28. Moreva, E.; Brida, G.; Gramegna, M.; Giovannetti, V.; Maccone, L; Genovese, M.: Time from quantum entanglement: An experimental illustration, Physical Review A, Volume 89, Issue 5 /2014;
  29. Stapp, H. P.: Bell’s Theorem and World Process, Nuovo Cimento, 29B (2): 270–276(1975).

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.