niedziela, 13 kwietnia 2014

Kwantowe nieporozumienie

Zack Hemsey - Mind Heist: Evolution

Niemal za każdym razem gdy widziałem przekaz prasowy o kwantowej teleportacji miałem ochotę napisać tę notkę. Ostatecznie news na ScienceDaily był decydujący. To bardzo dobry serwis ale nawet oni napisali „their communication occurs faster than the speed of light”. Dlatego wreszcie postanowiłem napisać możliwie krótko i prosto, dlaczego kwantowa teleportacja NIE oznacza przesyłania informacji z nadświetlną prędkością.

W największym uproszczeniu – żeby dokonać kwantowej teleportacji potrzebny jest klasyczny kanał, którym przesłane zostają klasyczne bity podlegające limitowi prędkości światła. Owszem, w procesie używa się niesamowitego zjawiska kwantowego splątania, które działa na dowolną odległość w czasie i przestrzeni. Nie można jednak użyć samych splątanych cząsteczek, by przekazać jakąś informację.

Dość kulawą metaforą splątania mogą być obracające się monety zamknięte w dwóch pudełkach. Jeśli są one splątane, wiemy jedno – jeśli na jednej wypadnie orzeł, na drugiej wypadnie reszka. Tylko tyle i aż tyle. Aż tyle, bo to absolutnie niesamowite – możemy umieścić pudełka na dwóch końcach galaktyki (jeśli tylko potrafimy utrzymać splątanie odpowiednio długo), albo na końcach wszechświata (aczkolwiek to trudniejsze, bo kosmos nie ma końca, krawędzi ani granicy) i jeśli zajrzymy do jednego pudełka i będzie tam reszka, to wiemy, że w drugim wypadł orzełek. Tylko tyle, bo nie sposób przekazać tak żadnej informacji. A tu więcej o No-communication theorem.

Mimo to „upiorne oddziaływanie na odległość”, jak nazwał to Einstein, jest zdumiewające. Zbadano je eksperymentalnie i potwierdzono – splątane fotony o nieokreślonym stanie poddawano jednoczesnym pomiarom po oddaleniu ich na odległości przekraczające 100km. Otrzymywano przeciwne polaryzacje. Przyjmuje się, że splątanie działa natychmiastowo. Biorąc pod uwagę niedokładność eksperymentów obliczono, że jest co najmniej 10 000 razy szybsze od światła.

Szaleństwo idzie dalej – skoro czas i przestrzeń są powiązane (stanowią czasoprzestrzeń), skoro splątane mogą być cząsteczki oddzielone dowolną odległością, to czy mogą być też rozdzielone w czasie? W 2013 udowodniono, że tak. Splątano dwa fotony, które nie istniały jednocześnie. Tak, mnie też boli przy tym mózg.

Na czym więc polega kwantowa teleportacja? Polega ona na przekazaniu stanu kwantowego z jednego miejsca na drugie (można to potocznie nazwać przesłaniem kubitu), za pomocą klasycznego kanału bitowego oraz stanu splątanego. Jeśli Alicja chce przesłać swój kubit do Boba, będą potrzebowali splątanej pary i normalnego łącza. Kiedy oboje mają już swoje pudełka z wirującymi, splątanymi monetkami, Alicja dokonuje jednoczesnego pomiaru swojego kubitu, tego który chce przesłać (innej wirującej monety), oraz swojego splątanego kubitu. Pomiar daje jeden z czterech możliwych wyników, więc można go zakodować jako parę bitów (00, 01, 10, 11). Tu do gry wkracza klasyczny kanał, którym przesyłamy parę bitów, a który ograniczony jest prędkością światła.

Gdy Bob odbierze parę bitów i spojrzy do swojego pudełka z monetą (tą z początkowej splątanej pary), będzie w stanie obliczyć/poznać stan kubitu, który chciała przesłać mu Alicja. Warto zwrócić tu uwagę, że kwantowa teleportacja to metoda uniemożliwiająca podsłuch. Nawet jeśli ktoś przechwyciłby parę bitów (tych przesyłanych “tradycyjnie”), to stanowią one jedynie “instrukcję”, jak przekształcić kubit Boba, by otrzymać kubit, który przesyła Alicja.

Dlatego kiedy następnym razem przeczytacie o kwantowej teleportacji, pamiętajcie – nikt żadnych informacji nie przesyła z nadświetlnymi prędkościami. To imponujący wyczyn, warto o nim czytać i zachwycać się dokonaniami naukowców i inżynierów, którzy przyłożyli do tego ręce. Nie warto natomiast podchwytywać bzdur, które znajdują się między wierszami lub wprost w przekazach prasowych.

Na koniec ciekawostka bądź dowód nie wprost. Co by było, gdyby istniała możliwość natychmiastowej komunikacji? Wtedy otwarłaby się puszka paradoksów. Można by odpowiadać na pytania których jeszcze nie zadano i temu podobne bzdury, których nie obserwujemy i które nie mają racji bytu. Fantastycznie przedstawił to Dave Goldberg. Linka znajdziecie na samiuśkim dole.


Linki:
Kwantowo.pl o splątaniu
ExtremeTech o splątaniu w czasie
Wiki o teleportacji kwantowej
Wiki o no-communication theorem
Dave Goldberg wyjaśnia czemu nadświetlna komunikacja to bzdura


33 komentarze:

  1. Również mnie wiele razy korciło aby korygować to nieporozumienie, cieszę się, że zwracasz na to uwagę.

    Co do Goldberga, to popularyzator nauki, którego odkryłem zaledwie kilka miesięcy temu. Polecam - zwłaszcza laikom - "Jak przetrwać wśród czarnych dziur", której Goldberg jest współautorem.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dzięki :)
      Ja go poznałem przez io9 właśnie. Świetnie pisał też o Higgsie.

      Usuń
    2. Panie KubuS, niech Pan sprawdzi informację na temat eksperymentu ze światłem, gdzie światło przechodzi przez szczeliny i mamy wzór interferencyjny, dowodzący natury falowej światła. Ale, tak samo dzieje się dla elektronów... i innych podobnych cząstek, zachowują się jak fale. No to strzelano pojedynczymi fotonami i elektronami... i też zachowywały się jak fale i dawały wzór interferencyjny, z czym pojedynczy elektron albo foton interferuje, jeśli w danym momencie jest tylko on na trasie i może przelecieć przez jedną albo drugą szczelinę? Nie powinno być w takim wypadku interferencji, a jest. Natomiast, kiedy się umieści detektor na jednym z wlotów i wykrywa się którędy ten elektron przeleciał, to już interferencji nie ma, tylko zachowuje się jak cząstka. Dowodzi to, że przed pomiarem elektron podążał obiema ścieżkami w postaci fali prawdopodobieństwa i to ona sama ze sobą interferowała, czyli nie miał żadnych ukrytych parametrów, miał superpozycję, zupełnie nie określoną do chwili pomiaru. Taką też naturę mają cząsteczki splątane. Dowodzi to, że cząstki istnieję dopiero, kiedy są obserwowane, kiedy istnieje łańcuszek splątań cząstek, które dotrą do świadomego obserwatora, jeśli takiego łańcuszka nie ma cząstki zachowują się jak prawdopodobieństwo.

      Usuń
    3. Tak, znam ten eksperyment. Obserwacja to właśnie splątanie - w tym wypadku splątanie stanu obserwowanej cząstki ze stanem (cząstek) obserwatora.

      Usuń
  2. Czy można jednoznacznie wykluczyć hipotezę, że:

    1. nie istnieje żadne "upiorne działanie na odległość", nie ma żadnego oddziaływania
    2. wytwarzanie stanów splątanych tylko **synchronizuje** dwa fotony, tzn. pozostają w stanie anty-synchronizacji niezależnie od miejsca
    3. mierzone właściwości *oscylują* z jednakową częstotliwością dlatego będąc anty-zscynchronizowane dają zawsze przeciwne wyniki podczas pomiaru

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. To co mówisz to teoria zmiennych ukrytych (fotony w czasie splątania dostają zmienne ukryte które dają na końcu dany wynik). Było takich teorii wiele.
      https://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria_zmiennych_ukrytych
      Wszystkie te teorie zostały obalone przez nierówności Bella (a raczej wyniki pomiarów wynikłych z eksperymentów na nich opartych).

      Usuń
    2. Uściślając tylko wypowiedź Piotra:
      Nierówność Bella wyklucza jedynie pewną klasę teorii ukrytych zmiennych - tzn. lokalnych ukrytych zmiennych. Jeśli założy się nielokalność natury (np. istnienie funkcji falowej wrzechświata jako całości) to mamy kolejne teorie, czy też interpretacje mechaniki kwantowej, których Bell nie obala. Np. interpretacja de Broglie'a-Bohma.

      Pozdrawiam ;)

      Usuń
    3. Jest dokładnie tak jak piszesz, a Jacek K. się myli twierdząc, że są tu jakieś zmienne ukryte. Dla określenia stanu cząstek potrzebna jest wyłącznie informacja o ich częstotliwości, prędkości oraz masie, a te wartości są znane.

      Usuń
  3. A teraz pytanie laika:

    Dlaczego nie można użyć splątanych cząsek do przekazania informacji?

    Skoro według autora może przyjmowac dwa stany 0 i 1 (reszka orzełek) to sterując stanem z jednej strony wysyłam informację do drugiej splątanej czasteczki.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pewne niezrozumiałe "oddziaływanie" między kubitami zachodzi. Ale pomimo iż zmierzysz swój kubit i poznasz konfigurację drugiego kubitu, choćby na drugim końcu wrzechświata, to nie przesyłasz żadnej "wiadomości", którą można odczytać.
      Wyobraź sobie tak: mam dwie kulki, jedną czarną drugą białą. Wkładam je do pudełek, jedną wysyłam do Ciebie, drugą do Alicji. Zaglądasz do pudełka, patrzysz - oho! mam czarną kulkę, Ala ma białą. Pytanie - czy w ten sposób dowiedziałeś się czegoś od Alicji, albo ona od Ciebie?

      Usuń
    2. Do odpowiedzi outslidera dodam to: nie możesz sterować tymi stanami. Masz stan nieokreślony i możesz dokonać pomiaru. Wypadnie 0 albo 1. Jeśli otrzymasz 0 wiesz, że po drugiej stronie jest 1. Jeśli otrzymasz 1 wiesz, że po drugiej stronie jest 0. Tylko tyle. Nie możesz tu "sterować". Ponadto jak tylko dokonasz pomiaru kończysz splątanie.

      Usuń
    3. Więc kwestia jest tylko nauczenia się sterowania, a nie że to niemożliwe.

      Usuń
    4. No to możliwe jest przesłanie danych. Robimy 128 sparowanych cząstek (stan splątany) albo i 1024 ile tam chcemy.. i otrzymujemy za jednym zamachem ciąg 128bitowych danych lub 1024.. ile tam chcemy. I patrzymy po kolei jeśli pierwszy bit w ciągu to 0, to wiadomo, że wysyłający nadał 1 i na odwrót itd... Gdzie t nie można przesłać tej informacji szybciej od światła. Można...Ograniczeniem jest tu człowiek i jego technologia jak szybko będzie podawał dane i odbierał je po drugiej stronie

      Usuń
  4. Ten komentarz został usunięty przez administratora bloga.

    OdpowiedzUsuń
  5. Ten komentarz został usunięty przez administratora bloga.

    OdpowiedzUsuń
  6. Ten komentarz został usunięty przez administratora bloga.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Odnoszę wrażenie, że nie sterujemy tym, jaki spin będzie miał elektron zmierzony. Dopiero, kiedy ustali się, że ma taki, jaki ma, to wiemy, że splątany z nim elektron będzie miał spin przeciwny.
      Nie widzę tu na razie więc możliwości intencjonalnego przekazywania informacji w ten sposób.

      Usuń
  7. I pytanie drugiego laika, na takim praktycznym modelu:
    Wysyłanie ludzi na Marsa - oprócz setek tysięcy innych, sprawia też problem z komunikacją. Przesłanie informacji nawet z prędkością światła powoduje "lagi" na takiej odległości. Marek, który leci na Marsa, umówił się z Zenkiem (który czeka na Ziemi), że jak tylko wyląduje, wyśle Zenkowi informację o bezproblemowym lądowaniu, przez ustawienie swojej splątanej cząsteczki w pozycji "1" (Zenek zobaczy "0"), a jeśli były problemy, to "0" (Zenek zobaczy "1"). Gdzie tkwi problem? Czy Marek może ustawić dowolnie swoją cząsteczkę, którą zabrał z Ziemi (splątaną z cząsteczką Zenka)?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. No właśnie w tym, że nie może ustawić swojej splątanej cząsteczki. Można tylko dokonać pomiaru i wiedzieć wtedy, że po drugiej stronie jest wynik odwrotny do naszego. Koniec.

      Usuń
  8. Dzięki za wyjaśnienie - kiedy pierwszy raz o tym usłyszałam w jakiejś serii programów naukowych, też mi się wydawało, że to prosta droga do przesyłania informacji na odległość z wyłączeniem czasu, ale jeśli nie można wpływać na stan, to taka opcja odpada. Chyba że... po prostu nie znamy jeszcze sposobu wpływania na stan - czy jest na to jakakolwiek szansa?

    OdpowiedzUsuń
  9. Zasada jest prosta.
    Splątanie zawsze tworzy cząstki o przeciwnym stanie, ale tej samej częstotliwości.
    Charakterystyka każdej cząstki zmienia się zgodnie z tą częstotliwością, a zatem cząstki są ZAWSZE ze sobą zsynchronizowane przeciwnie.
    W tej sytuacji dziwienie się, że zbadanie jednej mówi nam o stanie drugiej jest conajmniej zastanawiające.
    To tak jakby pozamykać w sparowanych pudełkach zegarki przesunięte wobec siebie o 12h. Wylosowanie dowolnej pary pudełek zawsze da zegary o tej samej częstotliwości 24h, ale przeciwnych stanach np. jeden wskaże 4:00 w nocy, a drugi 16:00. Co w tym zadziwiającego?
    To co może zastanawiać, to fakt w jaki sposób splątane cząstki zawsze tworzone są w przeciwfazie, ale sam mechanizm natychmiastowej detekcji stanu jest banalny, a całe zamieszanie jak zwykle wynika z braku zrozumienia podstawowej zasady - każda cząstka to poruszający się zegar.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Zdziwienie jest całkowicie uzasadnione. Chyba, że zegary o których mówisz również znajdują się w stanie superpozycji kwantowej? To co piszesz odzwierciedla mniej więcej stanowisko EPR - stanowisko obalone.

      Usuń
    2. Skoro cząstka jest zegarem, a cząstki są w superpozycji, to zegary także są w superpozycji, to logiczne. Nie widzę najmniejszego powodu, dla którego miałyby nie być w super pozycji. Ty widzisz?

      Usuń
    3. Albo źle Cię zrozumiałem, albo jednak nadal kierujesz się realizmem lokalnym. Uważasz, że obie cząstki mają już na starcie określony stan są po prostu zsynchronizowane - takie też nadzieje mieli Einstein, Rosen i Podolski. Obaliłoby to w zasadzie budzącą wtedy wielkie kontrowersję mechanikę kwantową i o to im chodziło. (Po więcej odsyłam do mojego tekstu zalinkowanego przez autora.) Na ich nieszczęście John Bell udowodnił, że realizm nie ma tu miejsca i cząstki pozostają w superpozycji. Innymi słowy Twój zegar nie wskazuje 4:00, ale 4:00 i 16:00 jednocześnie, aż do chwili pomiaru. Naukowców zaskakuje fakt, iż zredukowanie fali prawdopodobieństwa jednej cząstki, natychmiast i bez względu na odległość wpływa na stan drugiej. Między cząstkami istnieje jakaś zdumiewająca/niesamowita/upiorna korelacja.

      Usuń
    4. Kieruje się logiką. Wyobraź sobie zestaw N par pudełek. W każdej parze pudełek znajduje się para zegarków (po jednym na pudełko) nastawiona wobec siebie w przeciwfazie. Wiesz o tym tylko tyle i aż tyle.
      Losując jedną parę pudełek nie masz pojęcia, którą godzinę wskazują zegarki. Dla Ciebie jako obserwatora para jest w superpozycji wszystkich możliwych godzin. Dopiero po otwarciu jednego z pudełek uzyskujesz informację o a) godzinie sprawdzanego zegarka i b) godzinie zegarka w sparowanym pudełku, gdyż jest on zawsze przesunięty w fazie o 12h.
      Mechanika kwantowa superpozycją nazywa sytuację, o której wiadomo tylko tyle jaki jest możliwy zakres wartości. Jest to probabilistyczny sposób mówienia o tym czego nie wiemy, natomiast brak jest tu jakiejkolwiek sprzeczności z tym co napisałem.
      Jeżeli ktoś udowodnił, że cząstki nie są ze sobą zsynchronizowane z przesunięciem fazowym, to po prostu zrobił błąd w założeniach, z których wyszedł.
      Cząstki w każdym momencie są ze sobą w stałym przesunięciu fazowym, już od momentu inicjalnego splątania, a nie dopiero w momencie ich obserwacji. Obserwacja tylko potwierdza, że tak właśnie jest.

      Usuń
    5. Logika makroskopowa sobie, a podstawy mechaniki kwantowej sobie. Otwierając pudełko nie uzyskujesz INFORMACJI, a redukujesz falę prawdopodobieństwa. Zamiast się produkować zacytuję prof. Gribbina: "Jeżeli nikt nie zagląda do środka, to zgodnie z interpretacją kopenhaską są jednakowe szanse znalezienia elektronu w dowolnym miejscu pudła - fala prawdopodobieństwa związana z elektronem jest równomiernie rozłożona wewnątrz pudła. Wyobraźmy sobie teraz, że do pudła - do którego nadal nikt nie zagląda - zostanie wstawiona przegroda, która dzieli je na dwie jednakowe części. Zdrowy rozsądek podpowiada nam, że elektron musi znajdować się w jednej z dwóch części pudła, lecz interpretacja kopenhaska mówi, że fala prawdopodobieństwa jest nadal jednorodnie rozłożona wewnątrz obu części pudła. Oznacza to, że nadal mamy 50% szans na znalezienie elektronu w jednej albo w drugiej połowie pudła."
      Nie myliłem się. Twoje stanowisko jest zbieżne z EPR - zachęcam do zapoznania się z historią jego obalenia. Bardzo interesująca kwestia.

      Usuń
    6. KubuS - kierujesz się zdrowym rozsądkiem a ten wylatuje za okno w przypadku fizyki kwantowej. Superpozycja to nie nieznany stan, tylko jednoczesne istnienie w wielu stanach.

      Usuń
    7. Craven, z matematycznego punktu widzenia superpozycja wielu stanów jest dokładnie tym samym co powiedzenie, że znam zakres wartości i ich statystyczny rozkład, ale nie wiem która wartość zostanie wylosowana. Opisywanie stanów kwantowych za pomocą superpozycji jest po prostu sumowaniem tego czego nie wiemy o badanych stanach.

      Usuń
  10. Adam Adamczyk - z EPR się oczywiście zapoznam, choćby po to, aby poznać, jakie błędne założenia poczyniono przy analizie. Natomiast przywołany przez Ciebie cytat dokładnie dowodzi tego, że ludzie przyjmują jakieś dziwne założenia, a potem się dziwią, że im się wnioski nie zgadzają z rzeczywistością i trzeba je traktować jako "zdumiewające/niesamowite/upiorne". Nie wiem o czyim 'zdrowym rozsądku' pisze profesor Gribbin, ale wg. mnie wstawienie dowolnej ilości przegród nie wpływa w żaden sposób na równomierność rozkładu prawdopodobieństwa.
    Przy podziale pudła na pół, można zakładać tylko tyle, że w chwili pomiaru elektron zostanie wykryty w jednej z połówek z równym prawdopodobieństwem. Tak jak podział w stosunku np. 1:3 da prawdopodobieństwo detekcji na poziomie 25%:75%, ale nadal rozkład prawdopodobieństwa przed pomiarem rozłożony jest jednomiernie. Jedno nie wyklucza drugiego.
    Mylisz się natomiast, że otwierając pudełko nie uzyskujesz informacji, ponieważ redukcja fali prawdopodobieństwa tj. niepewności z definicji zwiększa pewność co do stanu cząstki, czyli właśnie dostarcza informacji o jej stanie. Mówiąc bardziej ogólnie, obserwacja dowolnego obiektu polega na zwiększeniu skali splątania tego obiektu z obserwatorem i wartość tej zmiany tj. delta jest właśnie miarą uzyskanej informacji nt. badanego obiektu.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. No tak, tylko, że... tu chodzi o coś więcej o niż o widzi mi się. Swoją drogą odważnie sobie poczynasz pisząc o "błędnych założeniach" interpretacji kopenhaskiej - problemu, który skupił swojego czasu najtęższe umysły świata. Ale oczywiście życzę szczęścia. I Nobla.

      Usuń
    2. Adamie, Nobel mi niepotrzebny. Po prostu irytuje mnie nadmierne komplikowanie rzeczy, które są proste. Obecna fizyka coraz bardziej przypomina mówienie o rzeczach magicznych, a przyczyną jest czysto inżynierskie podejście do tematu.

      Zamiast zastanowić się nad zrozumieniem i ew. zakwestionowaniem fundamentalnych założeń, to wolimy bezmyślnie zderzać ze sobą tryliony szwajcarskich zegarków żeby poznać zasadę ich funkcjonowania. Można i tak, tylko jest jeszcze pytanie o efektywność takiego działania.
      Dla przykładu: żeby osiągnąć bardzo wysokie energie wystarczy dokładniej zbadać niewyjaśnione dotąd w pełni zjawisko sonoluminescencji - wyjdzie dużo taniej, a warunki badawcze są przecież bardzo zbliżone.

      Usuń
  11. W odcinku niezłej serii popularnonaukowej znalazło się owo błędne przekonanie.

    OdpowiedzUsuń