Kwantumcomputers, kwantumcryptografie en kwantum (vul hier de naam in) zijn tegenwoordig vaak in het nieuws. Artikelen over hen verwijzen onvermijdelijk naar: verstrikking , een eigenschap van de kwantumfysica die al deze magische apparaten mogelijk maakt.

Einstein noemde verstrengeling "spookachtige actie op afstand, " een naam die is blijven hangen en steeds populairder wordt. Naast het bouwen van betere kwantumcomputers, verstrikking begrijpen en benutten is ook op andere manieren nuttig.

Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om nauwkeuriger metingen van zwaartekrachtsgolven te maken, en om de eigenschappen van exotische materialen beter te begrijpen. Ook op andere plekken duikt het subtiel op:ik heb onderzocht hoe atomen die tegen elkaar botsen verstrengeld raken, om te begrijpen hoe dit de nauwkeurigheid van atoomklokken beïnvloedt.

Maar wat is verstrikking? Is er een manier om dit "spookachtige" fenomeen te begrijpen? Ik zal het proberen uit te leggen door twee noties uit de natuurkunde samen te brengen:behoudswetten en kwantumsuperposities.

instandhoudingswetten

Behoudswetten zijn enkele van de diepste en meest doordringende concepten in de hele natuurkunde. De wet van behoud van energie stelt dat de totale hoeveelheid energie in een geïsoleerd systeem vast blijft (hoewel het kan worden omgezet van elektrische energie in mechanische energie in warmte, enzovoort). Deze wet ligt ten grondslag aan de werking van al onze machines, of het nu stoommachines of elektrische auto's zijn. Behoudswetten zijn een soort boekhoudkundige verklaring:je kunt stukjes energie uitwisselen rond, maar het totale bedrag moet hetzelfde blijven.

Behoud van momentum (momentum is massa maal snelheid) is de reden waarom, wanneer twee schaatsers met verschillende massa's van elkaar afzetten, de lichtere beweegt sneller weg dan de zwaardere. Deze wet ligt ook ten grondslag aan de beroemde uitspraak dat 'elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft'. Behoud van hoekig momentum is de reden waarom - om weer terug te gaan naar schaatsers - een wervelende kunstschaatsster sneller kan draaien door haar armen dichter bij haar lichaam te trekken.

Deze behoudswetten zijn experimenteel geverifieerd om te werken over een buitengewone reeks schalen in het universum, van zwarte gaten in verre sterrenstelsels tot aan de kleinste ronddraaiende elektronen.

Kwantumoptelling

Stel je voor op een mooie wandeling door het bos. Je komt bij een splitsing in het pad, maar je merkt dat je moeite hebt om te beslissen of je naar links of naar rechts gaat. Het pad naar links ziet er donker en somber uit, maar zou naar een aantal mooie uitzichten leiden, terwijl de rechterkant er zonnig maar steil uitziet. Je besluit uiteindelijk naar rechts te gaan, weemoedig afvragend over de niet genomen weg. In een kwantumwereld je had beide kunnen kiezen.

Voor systemen beschreven door de kwantummechanica (dat wil zeggen, dingen die voldoende geïsoleerd zijn van hitte en externe storingen), de regels zijn interessanter. Als een tol, een elektron kan bijvoorbeeld in een toestand zijn waarin het met de klok mee draait, of in een andere staat waar het tegen de klok in draait. In tegenstelling tot een tol, het kan ook in een staat zijn die is [draaien met de klok mee] + [draaien tegen de klok in] .

De toestanden van kwantumsystemen kunnen bij elkaar worden opgeteld en van elkaar worden afgetrokken . wiskundig, de regels voor het combineren van kwantumtoestanden kunnen op dezelfde manier worden beschreven als de regels voor het optellen en aftrekken van vectoren. Het woord voor zo'n combinatie van kwantumtoestanden is a superpositie . Dit is echt wat er achter vreemde kwantumeffecten zit waar je misschien van hebt gehoord, zoals het dubbelspletenexperiment, of deeltjesgolf dualiteit.

Stel dat u besluit een elektron in de te forceren [draaien met de klok mee] + [draaien tegen de klok in] superpositietoestand om een ​​definitief antwoord op te leveren. Dan komt het elektron willekeurig ofwel in de [met de klok mee draaiend] staat of in de [tegen de klok in draaien] staat. De kansen van de ene uitkomst versus de andere zijn eenvoudig te berekenen (met een goed natuurkundeboek bij de hand). De intrinsieke willekeur van dit proces kan je storen als je wereldbeeld vereist dat het universum zich op een volledig voorspelbare manier gedraagt, maar … c'est la (experimenteel getest) vie .

Behoudswetten en kwantummechanica

Laten we deze twee ideeën nu samenvoegen, en pas de wet van behoud van energie toe op een paar kwantumdeeltjes.

Stel je een paar kwantumdeeltjes (zeg atomen) voor die beginnen met in totaal 100 eenheden energie. Jij en je vriend scheiden het paar, elk een nemen. Je vindt dat de jouwe 40 eenheden energie heeft. Met behulp van de wet van behoud van energie, je leidt hieruit af dat degene die je vriend heeft 60 eenheden energie moet hebben. Zodra je de energie van je atoom kent, je kent meteen ook de energie van het atoom van je vriend. Je zou dit weten, zelfs als je vriend je nooit informatie heeft onthuld. En je zou dit weten, zelfs als je vriend aan de andere kant van de melkweg was op het moment dat je de energie van je atoom meet. Er is niets spookachtigs aan (als je je eenmaal realiseert dat dit slechts correlatie is, geen oorzakelijk verband).

Maar de kwantumtoestanden van een paar atomen kunnen interessanter zijn. De energie van het paar kan op veel mogelijke manieren worden verdeeld (in overeenstemming met energiebesparing, natuurlijk). De gecombineerde toestand van het paar atomen kan in een superpositie zijn, bijvoorbeeld:

[uw atoom:60 eenheden; atoom van vriend:40 eenheden] + [uw atoom:70 eenheden; atoom van een vriend:30 eenheden].

Dit is een verstrengelde staat van de twee atomen. Noch je atoom, noch die van je vriend, heeft een bepaalde energie in deze superpositie. Hoe dan ook, de eigenschappen van de twee atomen zijn gecorreleerd vanwege het behoud van energie:hun energieën tellen altijd op tot 100 eenheden.

Bijvoorbeeld, als je je atoom meet en het in een toestand vindt met 70 eenheden energie, je kunt er zeker van zijn dat het atoom van je vriend 30 eenheden energie heeft. Je zou dit weten, zelfs als je vriend je nooit informatie heeft onthuld. En dankzij energiebesparing, je zou dit weten, zelfs als je vriend aan de andere kant van de melkweg was.

Niets spookachtigs aan.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.