VI. KORELACJE KWANTOWE Janusz Adamowski

Podobne dokumenty
II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

VIII. TELEPORTACJA KWANTOWA Janusz Adamowski

Kwantowa kooperacja. Robert Nowotniak. Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej Politechnika Łódzka

Wstęp do komputerów kwantowych

Seminarium: Efekty kwantowe w informatyce

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

V. KWANTOWE BRAMKI LOGICZNE Janusz Adamowski

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

1 Grupa SU(3) i klasyfikacja cząstek

Miary splątania kwantowego

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Wstęp do Modelu Standardowego

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Rozkłady wielu zmiennych

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Równanie Schrödingera

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Postulaty mechaniki kwantowej

Mechanika kwantowa Schrödingera

5 Reprezentacje połozeniowa i pedowa

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Kryptografia. z elementami kryptografii kwantowej. Ryszard Tanaś Wykład 13

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

interpretacje mechaniki kwantowej fotony i splątanie

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

Efekt Comptona. Efektem Comptona nazywamy zmianę długości fali elektromagnetycznej w wyniku rozpraszania jej na swobodnych elektronach

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

Układy współrzędnych

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

WYBRANE DZIAŁY ANALIZY MATEMATYCZNEJ. Wykład II

Informatyka kwantowa. Zaproszenie do fizyki. Zakład Optyki Nieliniowej. wykład z cyklu. Ryszard Tanaś. mailto:tanas@kielich.amu.edu.

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Wykład Budowa atomu 3

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Strategie kwantowe w teorii gier

Przestrzenie wektorowe

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Wykład 16. P 2 (x 2, y 2 ) P 1 (x 1, y 1 ) OX. Odległość tych punktów wyraża się wzorem: P 1 P 2 = (x 1 x 2 ) 2 + (y 1 y 2 ) 2

Protokół teleportacji kwantowej

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

Informacja o przestrzeniach Hilberta

TENSOMETRIA ZARYS TEORETYCZNY

1. Matematyka Fizyki Kwantowej: Cześć Druga

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE A

Modelowanie Preferencji a Ryzyko. Dlaczego w dylemat więźnia warto grać kwantowo?

OPISY PRZESTRZENNE I PRZEKSZTAŁCENIA

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Podstawy informatyki kwantowej

Rozkłady dwóch zmiennych losowych

Komputery Kwantowe. Sprawy organizacyjne Literatura Plan. Komputery Kwantowe. Ravindra W. Chhajlany. 27 listopada 2006

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 41: Busola stycznych

Zadania egzaminacyjne

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Kwantowe stany splątane w układach wielocząstkowych. Karol Życzkowski (UJ / CFT PAN) 44 Zjazd PTF Wrocław, 12 września 2017

Rysunek 1: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha. Rysunek 2: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha w różnych rzutach przestrzennych.

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Przestrzenie liniowe

Drgania i fale II rok Fizyk BC

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

O informatyce kwantowej

W. Guzicki Próbna matura, grudzień 2014 r. poziom rozszerzony 1

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Stosowana Analiza Regresji

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

PODSTAWY RACHUNKU WEKTOROWEGO

Wykorzystanie stanów splątanych w informatyce kwantowej

Wykład z równań różnicowych

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 24, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

Weryfikacja hipotez statystycznych

Informatyka kwantowa i jej fizyczne podstawy Rezonans spinowy, bramki dwu-kubitowe

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Programowanie liniowe

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES. y = ax + b. a i b to współczynniki funkcji, które mają wartości liczbowe

Atomowa budowa materii

1 Rozwiązywanie układów równań. Wyznaczniki. 2 Wektory kilka faktów użytkowych

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

Teoria. a, jeśli a < 0.

Transkrypt:

VI. KORELACJE KWANTOWE Janusz Adamowski 1

1 Korelacje klasyczne i kwantowe Zgodnie z teorią statystyki matematycznej współczynnik korelacji definiujemy jako cov(x, y) corr(x, y) =, (1) σ x σ y gdzie x i y są zmiennymi losowymi o macierzy kowariancji i odchyleniach standardowych cov(x, y) = xy x y () σ x = x x, σ y = y y, (3) przy czym symbolem ξ oznaczamy wartość oczekiwaną (średnią) zmiennej losowej ξ. Jeżeli wartości oczekiwane zmiennych x i y są równe zero, to corr(x, y) = xy σ x σ y. (4) Na potrzeby tego tym wykładu definiuję klasyczną korelację wielkości losowych a i b jako r klas = ab = 1 a j b j, (5) N gdzie N oznacza liczbę par losowań (pomiarów) dających wyniki a j i b j. Kwantowa korelacja zdefiniowana jest jako j r kwant = ψ âˆb ψ, (6) gdzie â i ˆb są operatorami odpowiadającymi wielkościom a i b, a ψ jest wektorem stanu kwantowego. Przykład korelacji klasycznej i kwantowej Rozważymy dwa równoważne sobie problemy klasyczny i kwantowy, dla których obliczymy korelację wg. wzorów (5) i (6). Najpierw zajmiemy się problemem klasycznym. Rozważmy kulę (może to być np. kula armatnia) o początkowym momencie pędu J = 0, która eksploduje na dwa asymetryczne fragmenty o momentach pędu J 1 i J = J 1, które są rejestrowane przez dwóch obserwatorów. Pierwszy obserwator rejestruje pierwszy fragment kuli i mierzy wielkość dynamiczną a = sign(α J 1 ), (7) gdzie α jest wersorem w dowolnym kierunku wybranym przez pierwszego obserwatora. Wynik pomiaru wielkości (7) może przyjąć tylko dwie wartości a = ±1.

Rysunek 1: Eksplozja kuli. Podobnie drugi obserwator rejestruje drugi fragment kuli i mierzy wielkość b = sign(β J ), (8) gdzie β jest innym wersorem w kierunku wybranym przez drugiego obserwatora. Podobnie jak poprzednio możliwymi wynikami pomiaru są liczby b = ±1. Eksperyment powtarzany jest N razy (z użyciem N kul). Powiedzmy, że a j i b j są wynikami pomiarów otrzymanymi przez obu obserwatorów dla j-tej kuli. Kierunki wektorów J 1 i J posiadają rozkład przypadkowy, a więc wartości oczekiwane a = 1 a j 0 (9) N i j b = 1 b j 0 (10) N są bliskie zera (dla N stają się one dokładnie równe zero). Natomiast korelacja klasyczna, czyli j r klas = ab = 1 a j b j (11) N na ogół nie znika. Jeżeli, np. α = β, to obserwatorzy zawsze będą otrzymywać wyniki a j = b j i wtedy r klas = 1. Obliczamy korelację klasyczną dla dowolnych wersorów α i β. W tym celu rozważamy powierzchnię sferyczną o jednostkowym promieniu o środku wyznaczonym przez początki wersorów α i β. Oznaczmy symbolem θ kąt pomiędzy wersorami α i β. Dwie płaszczyzny przechodzące przez środek sfery, pierwsza prostopadła do wersora α, a druga do wersora β, dzielą powierzchnię sfery na dwie części o stosunku pól powierzchni η = θ π θ. (1) Dla jednej z półsfer wyznaczonych przez płaszczyzny prostopadłe do wersora α wektor J 1 tworzy z wersorem α kąt θ 1 przyjmujący wartości z przedziału j

Rysunek : Obliczanie korelacji klasycznej. [0, π/), a zatem a = +1. Natomiast dla drugiej półsfery θ 1 [π/, π), czyli a = 1. Podobnie płaszczyzny prostopadłe do wersora β wyznaczają dwie półsfery, dla których b = ±1. Ponieważ J = J 1, to wektory J 1 i J tworzą kąt π. Natomiast wektory J i β tworzą kąt θ = π (θ + θ 1 ). Dwie płaszczyzny prostopadłe do wersorów α i β dzielą sferę na 4 części (por rysunek). (1) W pierwszej części (górnej) θ 1 [0, π/) i θ [0, π/), czyli a = +1 i b = +1. () W drugiej części (dolnej) θ 1 [π/, π) i θ [π/, π), czyli a = 1 i b = 1. (3) W trzeciej części (prawej) θ 1 [0, π/) i θ [π/, π), czyli a = +1 i b = 1. (4) W czwartej części (lewej) θ 1 [π/, π]) i θ [0, π/), czyli a = 1 i b = +1. Jeżeli rozkład orientacji wektora J 1 jest jednorodny, to przy obliczaniu wartości oczekiwanej wg. wzoru (5) części (1) i () wnoszą wkłady ab = +1 z wagą θ/π, natomiast części (3) i (4) wnoszą wkłady ab = 1 z wagą (π θ)/π. Wagi te wynikają ze stosunku pól (1). Otrzymujemy więc r klas = ab = θ (π θ) π = 1 + θ π. (13) Ze wzoru (13) wynika, że korelacja klasyczna przyjmuje wartości z przedziału [ 1, +1]. 3

Rysunek 3: Porównanie korelacji klasycznej (linia przerywana) i kwantowej (linia ciągła). Rozważmy teraz problem kwantowy, równoważny rozpatrywanemu powyżej problemowi klasycznemu. Powiedzmy, że cząstka kwantowa o spinie S = 0 rozpada się na dwie cząstki o spinach ± /. Dwaj obserwatorzy wykonują odpowiednie pomiary kwantowe, czyli mierzą wartości oczekiwane operatorów â = α σ 1 i ˆb = β σ, gdzie σ 1 i σ są wektorami utworzonymi ze spinowych macierzy Pauliego dla cząstek 1 i, a wersory α i β zostały wybrane przez obserwatorów w sposób dowolny. Przypominam, że operator spinu cząstki i-tej zdefiniowany jest jako s i = ( /)σ i. Wartościami własnymi operatorów â i ˆb są liczby a = ±1 i b = ±1. Ze względu na przypadkowy rozkład wektorów spinu cząstek 1 i wartości oczekiwane tych operatorów zerują się, czyli a = b = 0. Obliczmy korelację kwantową wielkości a i b, czyli wielkość r kwant = ab = ψ (α σ 1 )(β σ ) ψ (14) w stanie singletowym, dla którego zachodzi σ ψ = σ 1 ψ. Korzystamy z tożsamości (α σ)(β σ) = α β + i(α β) σ, (15) która jest spełniona dla wektora σ utworzonego z trzech macierzy Pauliego. W wyniku prostych obliczeń otrzymujemy r kwant = ab = α β = cos θ. (16) Otrzymane wyniki obliczeń korelacji (13) i (16) dla równoważnych problemów klasycznego i kwantowego pokazane są na rysunku. 4

Otrzymane wyniki (13) i (16) pokazują, że korelacja kwantowa jest silniejsza od korelacji klasycznej, za wyjątkiem przypadków r klas = r kwant = +1, r klas = r kwant = 1 oraz r klas = r kwant = 0. Te przypadki oznaczają odpowiednio pełną korelację, pełną antykorelację oraz brak korelacji. Silniejsza korelacja kwantowa oznacza, że cząstki kwantowe silniej wpływają wzajemnie na siebie niż cząstki klasyczne, co prowadzi do silniejszych kwantowych efektów uporządkowania (słabszej tendencji do chaosu). Wbrew pozorom cząstki kwantowe łatwiej niż cząstki klasyczne mogą wytwarzać stany uporządkowane. Przykłady: nadprzewodnictwo, nadciekłość. Nierówności Bella Nierówności Bella opisują fundamentalną różnicę pomiędzy korelacjami klasycznymi i kwantowymi. Nierówności te stosują się do dowolnego układu fizycznego, na którym możemy wykonać pomiar prowadzący do dwóch różnych wyników, którym możemy arbitralnie przypisać wartości ±1. Przykłady pomiarów takich wielości fizycznych zostały przedstawione w poprzednim podrozdziale. Nierówności Bella opisują pomiary zarówno klasyczne jak i kwantowe. Podają one w sposób ilościowy różnicę pomiędzy nimi. Rozpatrujemy eksperyment wykonywany przez Alicję (A) i Boba (Bartka, B) o schemacie pokazanym na rysunku. Dwie cząstki zostają spreparowane w sposób powtarzalny przez Cezarego (C). Następnie jedna cząstka zostaje wysłana do Alicji, a druga do Bartka. Alicja ma do dyspozycji dwa przyrządy pomiarowe, które mierzą wielkości Q i R, z których każda może przyjmować dwie różne wartości ±1. Alicja wybiera przyrząd mierzący Q lub R w sposób przypadkowy. Podobnie Bartek może zmierzyć wielkości S i T i otrzymać w wyniku pomiaru +1 lub 1. Również Bartek wybiera przyrząd mierzący S lub T w sposób przypadkowy. Alicja i Bartek wykonują swoje pomiary równocześnie. Obserwatorzy ci są tak daleko oddaleni od siebie, że wykonywane przez nich pomiary nie wpływają na ich wyniki. Obliczamy wielkość QS + RS + RT QT = (Q + R)S + (R Q)T. (17) 5

Z faktu, że R i Q przyjmują wartości ±1 wynika, że albo (Q + R)S = 0, (18) albo (R Q)T = 0. (19) Dla każdego z tych przypadków zgodnie z równaniem (17) zachodzi QS + RS + RT QT = ±. (0) Załóżmy, że p(q, r, s, t) jest prawdopodobieństwem tego, że przed wykonaniem pomiarów układ obu cząstek znajduje się w takim stanie, że Q = q, R = r, S = s, T = t. Obliczmy wartość oczekiwaną wielkości (17) przy użyciu prawdopodobieństw p(q, r, s, t). Otrzymujemy QS + RS + RT QT = qrst p(q, r, s, t)(qs + rs + rt qt) qrst p(q, r, s, t) =, (1) czyli otrzymaliśmy nierówność QS + RS + RT QT. () Wartość oczekiwaną wielkości (17) możemy też obliczyć w inny sposób jako QS + RS + RT QT = p(q, r, s, t)qs + p(q, r, s, t)rs qrst qrst + p(q, r, s, t)rt p(q, r, s, t)qt qrst qrst = QS + RS + RT QT. (3) Porównując () i (3) otrzymujemy nierówność Bella QS + RS + RT QT. (4) Nierówność (4) jest jedną spośród większego zbioru nierówności, zwanych nierównościami Bella. Postać nierówności (4) zwana jest też nierównością CHSH. Nierówność (4) podaje oszacowanie od góry kombinacji liniowej korelacji czterech wielkości mierzonych parami przez dwóch niezależnych, odległych od siebie obserwatorów. Wielkości mierzone mogą być wielkościami klasycznymi lub kwantowymi. Clauser, J.F., Horne, M.A., Shimony, A., Holt, R.A., Phys. Rev. Lett. 3 (1969) 880. 6

Wyniki pomiarów korelacji pomiędzy parami fotonów pokazały, że nierówność CHSH nie jest spełniona. A. Aspect, J. Dalibard, G. Roger, Phys. Rev. Lett. 49 (198) 1804. Rozważymy dwa przykłady eksperymentów pokazujących, że nierówność Bella nie jest spełniona. Będą to: (1) pomiar polaryzacji liniowej fotonów (eksperyment wykonany), () pomiar spinu układu dwóch elektronów (eksperyment myślowy). (1) Polaryzacja liniowa fotonów Rozważmy parę fotonów emitowanych w przeciwnych kierunkach. Dwóch odległych od siebie obserwatorów mierzy liniową polaryzację tych fotonów. Pierwszy obserwator (A) mierzy polaryzację fotonu wyemitowanego w jednym z kierunków. Obserwator A może wybrać dwie różne orientacje swojego analizatora polaryzacji. Tworzą one kąty α i γ z dowolną wybraną osią. Dla każdej orientacji eksperyment, wykonany przez obserwatora A, daje dwa (nieprzewidywalne) wyniki, którym możemy przypisać liczby ±1. Jeżeli obserwator A wybierze ustawienie analizatora pod kątem α, to wynik pomiaru, oznaczony symbolem a może przyjmować wartości a = ±1. Jeżeli natomiast wybierze ustawienie analizatora pod kątem γ, to otrzyma wynik c = ±1. Drugi obserwator (B) mierzy polaryzację fotonu wyemitowanego w przeciwnym kierunku do fotonu rejestrowanego przez A. Podobnie jak A obserwator B może wybrać dwie inne orientacje swojego analizatora pod kątami β i δ z wybraną osią. Wynikami pomiarów, otrzymanymi przez obserwatora B dla analizatora ustawionego pod kątami β i γ, są odpowiednio wielkości b = ±1 i d = ±1. Jeżeli obserwatorzy A i B wykonają wystarczająco długie serie pomiarów, to na podstawie ich wyników będą mogli oszacować korelacje pomiędzy wielkościami a, b c i d. Korelacje te spełniają nierówność (4), która może być zapisana jako ab + bc + cd da. (5) W przypadku liniowo spolaryzowanych fotonów odpowiednie korelacje można wyrazić za pomocą kątów pomiędzy płaszczyzną polaryzacji analizatora a wybraną osią, np. dla kątów α i β ab = cos (α β). (6) Zadanie: wyprowadzić ten związek. Dla rozważanego eksperymentu nierówność (5) przyjmuje postać cos (α β) + cos (β γ) + cos (γ δ) cos (δ α). (7) 7

Obliczmy wartość lewej strony nierówności (7) w przypadku, gdy wybrane płaszczyzny polaryzacji analizatorów tworzą z sobą kąty.5 o. Wtedy pierwsze trzy cosinusy są równe 1/, a czwarty jest równy 1/. A zatem lewa strona nierówności (7) wynosi, czyli nierówność nie jest spełniona. Dla kątów.5 o zachodzi maksymalne naruszenie nierówności (7). Można natomiast pokazać, że nierówność (7) jest spełniona dla klasycznej korelacji, np. danej wzorem (13). () Układ dwóch kubitów spinowych Rozważmy następujący eksperyment myślowy. Powiedzmy, że obserwator C spreparował układ dwóch spinów 1/ w stanie dwukubitowym ψ = 0 A 1 B 1 A 0 B. (8) Obserwator C przekazuje pierwszy kubit Alicji (A), a drugi Bartkowi (B). Alicja przeprowadza pomiary następujących wielkości: natomiast Bartek wykonuje pomiary wielkości Q = Z A, R = X A, (9) S = Z B X B, T = Z B X B. (30) Przypominam, że symbole X i Z oznaczają skrócony zapis macierzy Pauliego odpowiednio σ x i σ z. Obliczamy wartości oczekiwane iloczynów operatorów (9) i (30) w stanie (8) i otrzymujemy QS = 1, RS = 1, RT = 1, QT = 1. (31) 8

Zadanie: obliczyć te wartości oczekiwane. Otrzymaliśmy zatem wynik QS + RS + RT QT =, (3) który oznacza naruszenie nierówności (4). 3 Stany splątane Omówimy teraz nieco dokładniej własności stanów dwukubitowych [por. wykład 4, wzory (6) i (7)]. Rozważamy układ kwantowy złożony z dwóch podukładów A i B. Ortonormalny zupełny zbiór wektorów { i 1, i,... i m } stanowi bazę w przestrzeni Hilberta H A stanów kwantowych podukładu A, natomiast zbiór wektorów { j 1, j,... j n } stanowi bazę w przestrzeni Hilberta H B stanów kwantowych podukładu B. Dowolny stan układu złożonego można przedstawić w przestrzeni Hilberta H AB = H A H B w postaci ψ AB = m µ=1 ν=1 n a µν i µ j ν, (33) gdzie i µ j ν = i µ j ν jest iloczynem tensorowym wektorów bazowych. Ponadto spełniony jest warunek unormowania stanu (33), czyli czyli m µ=1 ν=1 Jeżeli stan (33) można wyrazić w postaci n a µν = 1. (34) ψ AB = ψ A ψ B, (35) ( m ) ( n ) ψ AB = α µ i µ β ν j ν, (36) µ=1 to stan ψ AB nazywamy stanem separowalnym. Jeżeli natomiast ψ AB ψ A ψ B, (37) ν=1 to stan ψ AB nazywamy stanem splątanym. Stan splątany = entangled state (ang.), inaczej e-bit. 9

Uwaga Wyrażając stany kwantowe za pomocą funkcji falowych można zdefiniować stan separowalny układu złożonego opisanego funkcją falową ψ AB (r A, r B ) jako stan opisany iloczynem funkcji falowych ψ A (r A ) i ψ B (r B ) podukładów A i B, czyli ψ AB (r A, r B ) = ψ A (r A )ψ B (r B ), (38) gdzie r A i r B są zbiorami współrzędnych kartezjańskich opisujących położenia cząstek odpowiednio w podukładach A i B. Natomiast funkcja falowa stanu splątanego układu złożonego AB spełnia nierówność ψ AB (r A, r B ) ψ A (r A )ψ B (r B ), (39) czyli nie może być wyrażona w postaci iloczynu funkcji falowych podukładów. Stany Bella Wśród stanów splątanych szczególnie ważną rolę odgrywają stany Bella, zdefiniowane jako 00 + 11 β 00 =, (40) β 01 = β 10 = β 11 = 01 + 10, (41) 00 11, (4) 01 10. (43) Stany Bella nazywane są czasem stanami EPR od nazwisk Einstein, Podolski, Rosen. Stany (40), (41), (4), (43) mogą być zapisane za pomocą jednego wzoru gdzie y = 1 dla y = 0 i y = 0 dla y = 1. β xy = 0, y + ( 1)x 1, y, (44) Obwód kwantowy do produkcji stanów Bella Rozważmy obwód kwantowy, którego schemat przedstawiony jest na rysunku. Obwód ten składa się z jednokubitowej bramki Hadamarda i dwukubitowej bramki CNOT. Wyniki działania tych bramek na cztery stany dwukubitowej bazy obliczeniowej { 00, 01, 10, 11 } pokazane są w tabeli (44). 10

(1) Stany wejściowe (in) i wyjściowe (out) obwodu kwantowego produkującego stany Bella. in out 00 ( 00 + 11 )/ β 00 01 ( 01 + 10 )/ β 01 10 ( 00 11 )/ β 10 11 ( 01 10 )/ β 11 Obliczmy np. działanie obwodu na stan 00. Przypominam, że bramka Hadamarda działa tylko na pierwszy kubit, a bramka CNOT działa na drugi kubit jak bramka NOT w zależności od stanu pierwszego kubitu. [ ] ( 0 + 1 ) 0 U CNOT H 00 = U CNOT = 00 + 11 = β 00, (45) a więc otrzymujemy pierwszy ze stanów Bella. 4 Problem EPR W klasycznym artykule Einstein, Rosen i Podolsky (EPR) postawili fundamentalne pytanie: Czy kwantowo-mechaniczny opis rzeczywistości fizycznej jest kompletny?. A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, Phys. Rev. 47 (1935) 777. Autorzy (EPR) zaproponowali eksperyment myślowy (obecnie wykonalny), którego istotę można przedstawić w następujący sposób: Rozważmy złożony układ kwantowy zawierający dwie odległe od siebie cząstki. Układ ten znajduje się w stanie splątanym o funkcji falowej ψ = δ(x 1 x L)δ(p 1 + p ), (46) 11

Symbolem δ oznaczona jest delta Diraca, która została tutaj użyta w celu uproszczenia rozważań. Poprawna funkcja falowa powinna mieć postać dowolnie wysokiego i wąskiego piku unormowanego do 1. Dla dalszego uproszczenia rozważań rozpatrujemy problem jednowymiarowy, przy czym x 1 i x są współrzędnymi cząstek, a p 1 i p są pędami cząstek (mierzonymi w kierunku x). L jest odległością pomiędzy cząstkami. Zakładamy, że odległość ta jest znacznie większa niż zasięg oddziaływania wzajemnego cząstek. Funkcja falowa (46) zapisana jest w reprezentacji mieszanej położeniowopędowej. W sensie fizycznym oznacza ona, że wzajemna odległość cząstek 1 i jest bardzo bliska L, a ich pęd całkowity jest dowolnie bliski zera. Zauważmy, że operatory wielkości w (46) komutują z sobą, czyli [ˆx 1 ˆx, ˆp 1 + ˆp ] = 0, (47) co oznacza, że wielkości te są równocześnie mierzalne. Jeżeli układ cząstek znajduje się w stanie (46), to nie znamy ani położeń poszczególnych cząstek (znamy jedynie ich odległość wzajemną) ani pędów tych cząstek (znamy wyłącznie ich pęd całkowity). Jeżeli jednak wykonamy pomiar położenia x 1 pierwszej cząstki, to będziemy mogli przewidzieć z prawdopodobieństwem równym 1 położenie x cząstki drugiej, bez wykonania pomiaru położenia tej cząstki. Podobnie, jeżeli wykonamy pomiar pędu p 1 cząstki 1, to będziemy mogli przewidzieć z pewnością pęd p cząstki, znowu bez wykonania pomiaru pędu tej cząstki. Jednakże mechanika kwantowa wyklucza jednoczesny dokładny pomiar obu wielkości x i p, ponieważ operatory ˆx i ˆp nie komutują z sobą. = EPR starali się pokazać, że opis kwantowo-mechaniczny, zgodnie z którym pełna informacja o układzie kwantowym zawarta jest w funkcji falowej, nie jest kompletny. Na tym polega tzw. paradoks EPR. Rozwiązanie paradoksu EPR opiera się na spostrzeżeniu, że stan EPR (46) jest stanem splątanym. Rozważymy zatem pomiar wykonany nad układem w stanie splątanym. W celu możliwie jasnego przedstawienia rozwiązania problemu nie będziemy rozpatrywali oryginalnego problemu EPR, lecz równoważny mu problem pomiaru spinu układu dwóch elektronów w stanie splątanym. Korelacje w eksperymencie EPR Załóżmy, że spreparowaliśmy stan singletowy ψ S układu dwóch cząstek (elektronów) o spinie 1/. Stan ten ma postać stanu splątanego Bella β 11, czyli 01 10 ψ S =. (48) 1

Powiedzmy, że wykonamy pomiar składowej spinu wzdłuż dowolnej osi, wyznaczonej przez wersor e, dla każdego z elektronów. Pomiarowi temu odpowiada operator e σ = e x σ x + e y σ y + e z σ z. (49) Można pokazać, że operator e σ posiada dwie wartości własne ±1 oraz że operatory rzutowe na odpowiednie stany własne tego operatora mają postać P ± = 1 (Î ± e σ). (50) Zadanie: Wykazać ten związek Okazuje się, że dla dowolnego wyboru wersora e pomiary składowej spinu w kierunku e, wykonane dla dwóch elektronów w stanie (48), dadzą następujące wyniki: jeżeli pomiar na pierwszym elektronie da wynik +1, to pomiar wykonany na drugim elektronie da zawsze wynik 1 i odwrotnie. Wydaje się zatem, że drugi elektron zna wynik pomiaru wykonanego na pierwszym elektronie, niezależnie od tego, w jaki sposób wykonaliśmy pomiar na pierwszym elektronie. Odpowiemy teraz na pytanie, dlaczego jest to możliwe. Powiedzmy, że a i b są stanami własnymi operatora e σ, czyli spełnione są równania własne e σ a = + a, (51) oraz e σ b = b. (5) Transformacja z bazy { a, b } do bazy stanów własnych operatora σ z, czyli { 0, 1 } ma postać 0 = α a + β b, (53) 1 = γ a + δ b. (54) Występujące w równaniach (53) i (54) liczby zespolone α, β, γ i δ tworzą macierz unitarną U transformacji ( ) α β U =. (55) γ δ Wyznacznik tej macierzy det(u) = αδ βγ = e iθ, (56) gdzie θ jest liczbą rzeczywistą. Ostatnia równość w (56) wynika z unitarności macierzy U. Znajdujemy rozkład stanu singletowego (48) w bazie { a, b } i otrzymujemy ψ S = 01 10 ab ba = (αδ βγ). (57) 13

W równaniu (57) wyrażenie w nawiasie jest wyznacznikiem macierzy U, czyli jest równe e iθ, który jest globalnym czynnikiem fazowym. Ze względu na dowolność fazy globalnej możemy położyć θ = 0, co daje równość 01 10 = ab ba. (58) Z równości (58) wynika, że jeżeli wykonamy pomiar wartości własnych operatora e σ na obu elektronach, to otrzymanie wyniku +1 ( 1) dla pierwszego elektronu implikuje wynik 1 (+1) dla drugiego elektronu. A zatem paradoks EPR wynika z podstawowych praw mechaniki kwantowej. Jest to zjawisko interesujące, a nawet intrygujące, dające się jednak wyjaśnić bez popadania w sprzeczność z prawami mechaniki kwantowej. Ogólnie można stwierdzić, że fizyczna natura zjawiska EPR polega na silnej korelacji, która występuje dla układu kwantowego w stanie splątanym. 14