Anul 2025 marchează 100 de ani de la nașterea lui mecanica cuantică. În secolul de la începutul domeniului, oamenii de știință și inginerii au folosit mecanica cuantică pentru a crea tehnologii precum lasere, scanere RMN și cipuri de computer.
Astăzi, cercetătorii caută să construiască computere cuantice și modalități de a transfera informații în siguranță, folosind un domeniu complet nou numit știința informației cuantice.
Dar, în ciuda faptului că au creat toate aceste tehnologii inovatoare, fizicienii și filozofii care studiază mecanica cuantică încă nu au venit cu răspunsurile la unele mari întrebări ridicate de fondatorii domeniului. Având în vedere evoluțiile recente în știința informației cuantice, cercetători ca mine folosesc teoria informației cuantice pentru a explora noi moduri de a gândi la aceste întrebări fundamentale fără răspuns. Și o direcție în care căutăm leagă principiul relativității lui Albert Einstein cu qubit.
Calculatoare cuantice
Știința informației cuantice se concentrează pe construirea de computere cuantice bazate pe „bitul” cuantic de informații, sau qubit. Qubit-ul se bazează istoric pe descoperirile fizicienilor Max Planck și Einstein. Ei au instigat dezvoltarea mecanicii cuantice în 1900 și, respectiv, 1905, când au descoperit că lumina există în mănunchiuri discrete, sau „cuantice”, de energie.
Un computer bazat pe un bit cuantic, mai degrabă decât pe un bit clasic, ar putea avea un avantaj de calcul semnificativ. Și asta pentru că un bit clasic produce un răspuns binar – fie 1, fie 0 – la o singură interogare.
În schimb, qubitul produce un răspuns binar la infinit de interogări folosind proprietatea suprapunerii cuantice. Această proprietate permite cercetătorilor să conecteze mai mulți qubiți în ceea ce se numește o stare cuantică încurcată. Aici, qubiții încâlciți acționează colectiv într-un mod în care matricele de biți clasici nu pot.
Asta înseamnă că un computer cuantic poate face unele calcule mult mai rapid decât un computer obișnuit. De exemplu, un dispozitiv a folosit 76 de qubiți încurcați pentru a rezolva o problemă de eșantionare De 100 de trilioane de ori mai rapid decât un computer clasic.
Dar forța sau principiul exact al naturii responsabil pentru această stare cuantică încurcată care stă la baza calculului cuantic este o mare întrebare fără răspuns. O soluție pe care am propus-o eu și colegii mei din teoria informației cuantice are de-a face Principiul relativității lui Einstein.
Cum funcționează un computer cuantic? – YouTube 
Teoria cuantică a informațiilor
Principiul relativității spune că legile fizicii sunt aceleași pentru toți observatorii, indiferent de locul în care se află în spațiu, cum sunt orientați sau cum se mișcă unul față de celălalt. Echipa mea a arătat cum să folosească principiul relativității împreună cu principiile teoriei informațiilor cuantice pentru a explica particulele încurcate cuantice.
Teoreticienii informației cuantice ca mine cred despre mecanica cuantică ca un teoria principiilor informaţiei mai degrabă decât o teorie a forţelor. Este foarte diferit de abordarea tipică a fizicii cuantice, în care forța și energia sunt concepte importante pentru efectuarea calculelor. În schimb, teoreticienii informațiilor cuantice nu au nevoie să știe ce fel de forță fizică ar putea cauza comportamentul misterios al particulelor cuantice încurcate.
Asta ne oferă un avantaj pentru a explica întanglementul cuantic, deoarece, în calitate de fizician John Bell a dovedit în 1964orice explicație pentru încurcarea cuantică în termeni de forțe necesită ceea ce Einstein a numit „acțiuni înfricoșătoare la distanță”.
Asta pentru că rezultatele măsurătorilor celor două particule cuantice încurcate sunt corelate – chiar dacă acele măsurători sunt făcute în același timp și particulele sunt separate fizic de o distanță mare. Deci, dacă o forță provoacă încurcarea cuantică, ar trebui să acționeze mai repede decât viteza luminii. Și o forță mai rapidă decât lumina încalcă teoria relativității speciale a lui Einstein.
Mulți cercetători încearcă să găsească o explicație pentru întricarea cuantică care nu necesită acțiuni înfricoșătoare la distanță, cum ar fi soluția propusă de echipa mea.
Încheiere clasică și cuantică
În încurcare, puteți ști câte ceva despre două particule în mod colectiv – numiți-le particula 1 și particula 2 – astfel încât atunci când măsurați particula 1, știți imediat ceva despre particula 2.
Imaginează-ți că trimiți prin poștă doi prieteni, pe care fizicienii îi numesc de obicei Alice și Bob, fiecare mănușă din aceeași pereche de mănuși. Când Alice își deschide cutia și vede o mănușă din stânga, va ști imediat că atunci când Bob deschide cealaltă cutie, va vedea mănușa din dreapta. Fiecare cutie și combinație de mănuși produce unul dintre cele două rezultate, fie o mănușă pentru mâna dreaptă, fie o mănușă pentru mâna stângă. Există o singură măsurătoare posibilă – deschiderea cutiei – așa că Alice și Bob au încurcat fragmente clasice de informații.
Dar în întricarea cuantică situația implică qubiți încurcați, care se comportă foarte diferit față de biții clasici.
Comportamentul Qubit
Luați în considerare o proprietate a electronilor numită spin. Când măsurați spin-ul unui electron folosind magneți care sunt orientați vertical, obțineți întotdeauna un spin care este în sus sau în jos, nimic între ele. Acesta este un rezultat de măsurare binar, deci acesta este un pic de informație.
Dacă rotiți magneții pe părțile lor pentru a măsura rotația unui electron pe orizontală, veți obține întotdeauna o rotație care este la stânga sau la dreapta, nimic între ele. Orientarea verticală și orizontală a magneților constituie două măsurători diferite ale aceluiași bit. Deci, spinul electronilor este un qubit – produce un răspuns binar la măsurători multiple.
Suprapunerea cuantică
Acum să presupunem că mai întâi măsurați spin-ul unui electron pe verticală și găsiți că este sus, apoi măsurați spinul său pe orizontală. Când stai drept în sus, nu te miști deloc în dreapta sau în stânga. Deci, dacă măsor cât de mult te miști una în alta în timp ce stai drept în sus, voi obține zero.
Este exact ceea ce v-ați putea aștepta pentru electronii de spin-up vertical. Deoarece au o rotire orientată vertical în sus, similar cu starea în picioare, nu ar trebui să aibă nicio învârtire la stânga sau la dreapta pe orizontală, similar mișcării laterale.
În mod surprinzător, fizicienii au descoperit că jumătate dintre ele sunt orizontal dreapta și jumătate sunt orizontal stânga. Acum nu pare să aibă sens ca un electron de spin vertical să aibă rezultate de spin stânga (-1) și spin drept (+1) atunci când este măsurat orizontal, așa cum ne așteptăm la nicio mișcare dintr-o parte în alta când stăm drept în sus.
Dar când adunați toate rezultatele spinării la stânga (-1) și la dreapta (+1), obțineți zero, așa cum ne așteptam în direcția orizontală, când starea noastră de rotație este rotirea verticală în sus. Deci, în medie, este ca și cum nu ai avea nicio mișcare laterală sau orizontală atunci când stăm drept.
Acest raport de 50-50 față de rezultatele binare (+1 și -1) este despre care vorbesc fizicienii atunci când spun că un electron de spin vertical în sus se află într-o suprapunere cuantică a spinurilor orizontale la stânga și la dreapta.
Încurcare din principiul relativității
Conform teoriei informațiilor cuantice, toată mecanica cuantică, pentru a include stările sale încurcate cuantice, se bazează pe qubit cu suprapunerea sa cuantică.
Ceea ce am propus eu și colegii mei este că din această suprapunere cuantică rezultă principiul relativitățiicare afirmă (din nou) că legile fizicii sunt aceleași pentru toți observatorii cu orientări diferite în spațiu.
Dacă electronul cu un spin vertical în direcția în sus ar trece drept prin magneții orizontali așa cum v-ați aștepta, nu ar avea spin orizontal. Acest lucru ar încălca principiul relativității, care spune particula ar trebui să aibă o rotație indiferent dacă se măsoară pe orizontală sau pe verticală.
Deoarece un electron cu un spin vertical în direcția sus are un spin atunci când este măsurat orizontal, teoreticienii informațiilor cuantice pot spune că principiul relativității este (în cele din urmă) responsabil pentru încurcarea cuantică.
Și din moment ce nu există nicio forță folosită în această explicație de principiu, nu există niciuna dintre „acțiunile înfricoșătoare la distanță” pe care Einstein le-a luat în derâdere.
Cu implicațiile tehnologice ale încurcăturilor cuantice pentru calculul cuantic bine stabilite, este plăcut să știm că o mare întrebare despre originea sa poate primi răspunsul cu un principiu al fizicii foarte apreciat.
Acest articol editat este republicat din Conversatia sub o licență Creative Commons. Citeste Articol original.