🔗 Splątanie kwantowe

Splątanie to kwantowa korelacja, w której dwie lub więcej cząstek dzieli jeden wspólny stan, którego nie da się opisać jako oddzielnych stanów indywidualnych. Pomiar jednej cząstki natychmiast określa właściwości drugiej, niezależnie od odległości między nimi. Ta symulacja pokazuje dwa splątane kubity, których wyniki pomiaru są doskonale skorelowane.

Stany Bella to cztery maksymalnie splątane stany dwukubitowe: Φ⁺ = (|00⟩+|11⟩)/√2, Φ⁻ = (|00⟩−|11⟩)/√2, Ψ⁺ = (|01⟩+|10⟩)/√2 oraz Ψ⁻ = (|01⟩−|10⟩)/√2. Stany Φ dają wyniki skorelowane (oba w górę lub oba w dół), a stany Ψ dają wyniki antyskorelowane.

Test CHSH łączy cztery pomiary korelacji przy wybranych kątach w jedną liczbę S. Każda teoria oparta na lokalnych zmiennych ukrytych musi dawać S ≤ 2, ale splątanie kwantowe podnosi S aż do 2√2 ≈ 2,828. Zaobserwowanie S powyżej 2 jest bezpośrednim dowodem, że natura nie jest lokalnie realistyczna.

Measure wykonuje pojedynczy pomiar, zapadający oba kubity i rejestrujący jeden skorelowany wynik (↑↑, ↑↓, ↓↑ lub ↓↓). CHSH Test (×100) wykonuje od razu 100 pomiarów, buduje histogram wyników i oblicza parametr CHSH S, dzięki czemu można porównać go z klasyczną granicą równą 2.

Gdyby każda cząstka niosła z góry ustalone wartości wyznaczone przez lokalne zmienne ukryte, matematyczne ograniczenia wymuszałyby, by kombinacja CHSH nigdy nie przekraczała 2. To jest nierówność Bella. Ponieważ splątane kubity regularnie ją przekraczają, żaden lokalny, z góry ustalony plan nie może odtworzyć ich statystyk.

Granica Tsirelsona ogranicza mechanikę kwantową do S = 2√2 ≈ 2,828. Osiąga się ją przy kątach pomiaru użytych w tej symulacji: a=0 i a′=π/4 dla Alicji oraz b=π/8 i b′=−π/8 dla Boba, gdzie korelacja E(θ)=cos(2θ) jest optymalnie łączona.

Prawdopodobieństwa wyników są zgodne z regułą Borna (prawdopodobieństwo równe kwadratowi amplitudy), więc mierzone częstości długoterminowo odpowiadają rzeczywistym przewidywaniom kwantowym. Wartość CHSH jest obliczana z idealnej korelacji cos(2θ), dającej dokładnie 2√2 dla optymalnych kątów, zgodnie z eksperymentem.

Nie. Chociaż wynik partnera jest natychmiast skorelowany, każdy pojedynczy wynik jest losowy, więc żadna użyteczna informacja nie podróżuje między Alicją a Bobem. Porównanie wyników wymaga klasycznej wiadomości ograniczonej prędkością światła, dlatego splątanie nie narusza teorii względności.

W 1935 roku Einstein, Podolsky i Rosen argumentowali, że mechanika kwantowa jest niekompletna, ponieważ splątanie wydawało się wymagać „upiornego działania na odległość”. Bell wykazał później, że ten spór można sprawdzić eksperymentalnie, a eksperymenty potwierdzają, że korelacje kwantowe są realne, a nie wynikiem zmiennych ukrytych.

Splątanie zasila kwantową dystrybucję klucza (QKD) dla bezpiecznej komunikacji, umożliwia kwantową teleportację stanów, zwiększa precyzję w metrologii kwantowej i jest niezbędne dla komputerów kwantowych. Łamanie nierówności Bella pozwala też certyfikować prawdziwą losowość dla kryptografii w sposób niezależny od urządzenia.