computer quantistici, crittografia quantistica e quantistica (inserire il nome qui) sono spesso nelle notizie in questi giorni. Gli articoli su di loro fanno inevitabilmente riferimento a intreccio , una proprietà della fisica quantistica che rende possibili tutti questi dispositivi magici.

Einstein chiamò l'entanglement "azione spettrale a distanza, " un nome che è rimasto ed è diventato sempre più popolare. Oltre a costruire computer quantistici migliori, comprendere e sfruttare l'entanglement è utile anche in altri modi.

Per esempio, può essere utilizzato per effettuare misurazioni più accurate delle onde gravitazionali, e per comprendere meglio le proprietà dei materiali esotici. Si presenta sottilmente anche in altri posti:ho studiato come gli atomi che si scontrano l'uno con l'altro si impigliano, per capire come questo influisca sulla precisione degli orologi atomici.

Ma cosa è intreccio? C'è un modo per capire questo fenomeno "spettrale"? Cercherò di spiegarlo unendo due nozioni della fisica:leggi di conservazione e sovrapposizioni quantistiche.

Leggi di conservazione

Le leggi di conservazione sono alcuni dei concetti più profondi e pervasivi di tutta la fisica. La legge di conservazione dell'energia afferma che la quantità totale di energia in un sistema isolato rimane fissa (sebbene possa essere convertita da energia elettrica a energia meccanica in calore, e così via). Questa legge è alla base del funzionamento di tutte le nostre macchine, siano essi motori a vapore o auto elettriche. Le leggi di conservazione sono una sorta di dichiarazione contabile:puoi scambiare pezzi di energia intorno, ma l'importo totale deve rimanere lo stesso.

La conservazione della quantità di moto (la quantità di moto è la massa per la velocità) è la ragione per cui, quando due pattinatori di massa diversa si spingono l'uno contro l'altro, il più leggero si allontana più velocemente del più pesante. Questa legge è anche alla base del famoso detto che "ogni azione ha una reazione uguale e contraria". Conservazione di angolare lo slancio è il motivo per cui, tornando di nuovo ai pattinatori sul ghiaccio, una pattinatrice su ghiaccio può girare più velocemente avvicinando le braccia al corpo.

Queste leggi di conservazione sono state verificate sperimentalmente per funzionare su una straordinaria gamma di scale nell'universo, dai buchi neri nelle galassie lontane fino ai più piccoli elettroni rotanti.

Addizione quantistica

Immaginati in una bella escursione attraverso i boschi. Vieni a un bivio nel sentiero, ma ti ritrovi a lottare per decidere se andare a sinistra oa destra. Il sentiero a sinistra sembra oscuro e tetro, ma si ritiene che conduca ad alcune belle vedute, mentre quello a destra appare soleggiato ma ripido. Alla fine decidi di andare a destra, chiedendosi malinconicamente la strada non intrapresa. In un mondo quantistico, potevi scegliere entrambi.

Per i sistemi descritti dalla meccanica quantistica (cioè, cose sufficientemente isolate dal calore e dai disturbi esterni), le regole sono più interessanti. Come una trottola, un elettrone per esempio può essere in uno stato in cui gira in senso orario, o in un altro stato in cui gira in senso antiorario. A differenza di una trottola però, può anche essere in uno stato che è [rotazione in senso orario] + [rotazione in senso antiorario] .

Gli stati dei sistemi quantistici possono essere sommati e sottratti l'uno dall'altro . Matematicamente, le regole per combinare gli stati quantistici possono essere descritte allo stesso modo delle regole per aggiungere e sottrarre vettori. La parola per una tale combinazione di stati quantistici è a sovrapposizione . Questo è davvero ciò che sta dietro a strani effetti quantistici di cui potresti aver sentito parlare, come l'esperimento della doppia fenditura, o dualità particella-onda.

Diciamo che decidi di forzare un elettrone nel [rotazione in senso orario] + [rotazione in senso antiorario] stato di sovrapposizione per dare una risposta definita. Quindi l'elettrone finisce casualmente o nel [rotazione in senso orario] stato o in [rotazione in senso antiorario] stato. Le probabilità di un risultato rispetto all'altro sono facili da calcolare (con un buon libro di fisica a portata di mano). L'intrinseca casualità di questo processo potrebbe darti fastidio se la tua visione del mondo richiede che l'universo si comporti in un modo completamente prevedibile, ma … c'est la (testata sperimentalmente) vieni .

Leggi di conservazione e meccanica quantistica

Mettiamo insieme queste due idee ora, e applicare la legge di conservazione dell'energia a una coppia di particelle quantistiche.

Immagina una coppia di particelle quantistiche (diciamo atomi) che iniziano con un totale di 100 unità di energia. Tu e il tuo amico separate la coppia, prendendone uno ciascuno. Scopri che il tuo ha 40 unità di energia. Usando la legge di conservazione dell'energia, deduci che quello che ha il tuo amico deve avere 60 unità di energia. Non appena conosci l'energia del tuo atomo, conosci immediatamente anche l'energia dell'atomo del tuo amico. Lo sapresti anche se il tuo amico non ti avesse mai rivelato alcuna informazione. E lo sapresti anche se il tuo amico fosse dall'altra parte della galassia quando hai misurato l'energia del tuo atomo. Niente di spaventoso (una volta che ti rendi conto che questa è solo una correlazione, non causalità).

Ma gli stati quantistici di una coppia di atomi possono essere più interessanti. L'energia della coppia può essere partizionata in molti modi possibili (coerentemente con la conservazione dell'energia, Certo). Lo stato combinato della coppia di atomi può essere in una sovrapposizione, per esempio:

[il tuo atomo:60 unità; atomo dell'amico:40 unità] + [il tuo atomo:70 unità; atomo di amico:30 unità].

Questo è un stato entangled dei due atomi. Né il tuo atomo, né del tuo amico, ha un'energia definita in questa sovrapposizione. Tuttavia, le proprietà dei due atomi sono correlate a causa della conservazione dell'energia:le loro energie si sommano sempre fino a 100 unità.

Per esempio, se misuri il tuo atomo e lo trovi in ​​uno stato con 70 unità di energia, puoi essere certo che l'atomo del tuo amico ha 30 unità di energia. Lo sapresti anche se il tuo amico non ti avesse mai rivelato alcuna informazione. E grazie al risparmio energetico, lo sapresti anche se il tuo amico fosse dall'altra parte della galassia.

Niente di spaventoso.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.