¿Por qué mecanismo las partículas que están enredadas cuánticamente “conocen” el estado de la otra partícula?

En virtud del hecho de que fueron creados juntos (en el caso extremo, ya sea como gemelos u opuestos, o en virtud de que uno se creó como un registro (parcial) del estado del otro como en la respuesta de Quiaochu Yuan). Ese aspecto es, como ha señalado Quiaochu, no especialmente un fenómeno cuántico.

Pero lo que parece más paradójico acerca de la situación cuántica es que cada partícula parece “saber” algo sobre lo que se le ha hecho a la otra * después * de que se separaron. Por ejemplo, si Oscar crea dos giros con orientación opuesta y se envían en direcciones opuestas hacia Alice y Bob, con Bob estando un poco más alejado que Alice, entonces si Alice mide el componente z de su giro, entonces será hacia arriba o hacia arriba. cada uno tiene una probabilidad de 1/2 y si verifican más tarde, resultará que si Bob mide su componente z del giro, siempre será lo contrario de lo que Alice registró. Hasta ahora no hay más misterio que en el caso clásico, pero ese no es el final de la historia.

Si Bob mide su componente x , ¡sucede algo notable! No es que lo notemos todavía; él solo obtiene + y – responde con igual probabilidad – que es lo mismo que hubiera obtenido si Alice no hubiera medido nada. Pero ahora, si la amiga de Alice, Aline (que está un poco más lejos de Oscar en la misma dirección que Alice) también mide el componente z para su partícula, parece haber un problema. En ausencia de Bob, Aline debería obtener el mismo resultado que Alice (ya que después de la medición de Alice, la partícula está en cualquier estado propio que ella observó), pero si Bob hizo su medición, entonces la partícula se cambia a un estado propio del componente x, por lo que debería tener las mismas posibilidades de dar + o – para su componente z. Entonces, si Aline y Alice obtienen resultados diferentes, saben que Bob debe haber estado mirando (suponiendo, por supuesto, que todo esto se haga en un espacio donde no exista nadie y nada más que pueda haber interferido con la situación).

Ahora aquí es donde olvido la solución a la “paradoja” de la comunicación FTL (es decir, aparente violación de la Relatividad Especial). Si Alice, Bob y Aline están (digamos) 0.9, 1.0 y 1.1 años luz de Oscar, con Bob en la dirección opuesta a A&A y adyacente a una estrella en riesgo de ir a Nova, y si Oscar envía una sucesión de giros emparejados en las direcciones A y B, y si Bob siempre mide el componente x mientras que A y A miden el componente z, entonces cuando Bob dice “poof!” Aline y Alice deberían “repentinamente” comenzar a ver que sus giros siempre coinciden y, por lo tanto, parecen haber recibido un “mensaje” sobre la Nova de Bob antes de que cualquier señal luminosa pudiera haberlos alcanzado.

Nota (agregada el 25 de noviembre): El escenario en los últimos dos párrafos tenía la intención de referirse * solo * si fuera posible que el enredo persistiera después de la medición de Alice. Pensé que había visto informes de experimentos que pretendían mostrar un enredo continuo después de una medición en una de las partículas, pero no puedo jurarlo, por lo que tal vez esté mal.

La gente piensa que el enredo es un fenómeno cuántico, pero no lo es. Es un fenómeno probabilístico , y tiene instancias tanto clásicas como cuánticas. El enredo clásico es completamente posible siempre que no estés seguro de algo en el universo (¿y quién no lo es?), Y la gente generalmente lo llama correlación .

Aquí hay un ejemplo simple. Voy a robar una carta de un mazo, pero no voy a decirte qué es. Voy a escribir el nombre de la tarjeta en una hoja de papel. Luego enviaré la tarjeta a Marte y el papel a Júpiter. Si estás en Marte y miras la carta, ahora sabes, instantáneamente , lo que dice el pedazo de papel sobre Júpiter. Acción espeluznante a distancia de hecho!

Así que eso fue un enredo clásico. Como puede ver, el “mecanismo” que causa que el trozo de papel y la tarjeta se “enreden” es que hice algo que hizo que su incertidumbre sobre el trozo de papel y su incertidumbre sobre la tarjeta se correlacionaran. No es que haya algún tipo de proceso físico misterioso que transmite información de Júpiter a Marte. Hubo un proceso físico no misterioso que transmitió información de la tarjeta al papel en la Tierra, y fui yo mirando la tarjeta y luego escribiendo en el papel.

Lo que es realmente misterioso aquí es una característica misteriosa más general de la mecánica cuántica, que es que en un entorno clásico podemos convencernos de que trabajar probabilísticamente solo refleja nuestra ignorancia de un universo determinista y, en principio, totalmente conocible, pero en un entorno cuántico nosotros no puede: la mecánica cuántica parece forzar un tipo inherente de incertidumbre sobre nosotros.

En particular, mientras que una actualización bayesiana clásica (lo que estás haciendo cuando miras la carta en Marte) parece algo que sucede en nuestros cerebros, una actualización bayesiana cuántica (lo que estás haciendo cuando “colapsas una ola” función “) se parece a algo que sucede en el universo. Admito que estoy confundido acerca de esto también. Tal vez todos lo son?

Esta es una buena pregunta. Aquí está la respuesta QFT, que es diferente de la respuesta QM. Verá, QFT describe las intensidades de campo, no las probabilidades, y en QFT hablamos de cuantos de campo, no de partículas. Entonces la respuesta es:
Lo saben porque nacieron juntos, como gemelos, y están unidos por el resto de sus vidas. Considere cómo un campo cuántico único puede colapsar en un átomo absorbente y desaparecer instantáneamente de todo el espacio. Uno bien podría preguntarse, ¿cómo sabe el campo en el punto A que se produjo un colapso en el punto B. La respuesta de QFT es que, extendido como puede ser, el cuanto es una unidad indivisible, y si colapsa en un punto debe desaparecer de todos los otros puntos. Si esa declaración no es lo suficientemente buena, es lo mejor que QFT puede hacer. El hecho es que el colapso del campo no está cubierto por las ecuaciones de QFT, pero eso no significa que no suceda. De hecho, debe suceder si los campos de QFT están realmente cuantificados.
La situación de dos cuantos de campo “enredados” es similar. Si un cuanto se ve obligado a colapsar, ya sea espacialmente o internamente, el otro debe hacer lo mismo.
Algunos físicos piensan que el colapso del campo es contraintuitivo. Yo no. No tengo ningún problema en aceptarlo, a pesar de que no tenemos una teoría para ello. Como escribí en el Resumen del Capítulo 8 (lea el resto de este resumen en Comprenda la física a través de la teoría cuántica de campos):
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A pesar de los muchos éxitos de QFT, hay cinco misterios o “vacíos” inexplicables que algún día pueden llenarse:
La renormalización es necesaria porque QFT no describe cómo un electrón (u otro cuanto cargado) se ve afectado por su campo EM autogenerado.
El colapso de campo es de dos tipos: colapso espacial, cuando un cuántico extendido de repente se absorbe o se localiza, y colapso interno, cuando el espín u otra propiedad interna de un cuántico cambia repentinamente. El colapso también puede ocurrir con dos o más cuantos enredados. QFT no describe cómo y cuándo ocurre esto, aunque puede predecir probabilidades.
Por qué y por qué. QFT no proporciona una explicación de por qué las masas y las fuerzas de interacción de los diversos campos son lo que son.
Se cree que la materia oscura y la energía oscura existen en el espacio exterior debido a la evidencia astronómica. Tampoco se explican por los campos conocidos de QFT.
La conciencia es algo que sucede detrás de nuestras propias narices, pero QFT no lo explica.
Si bien estas brechas son serias, uno debe recordar que ninguna otra teoría las llena.

Los físicos cuánticos exponen las matemáticas de las partículas enredadas. Las palabras que usan describen esta matemática. Pero la mayoría de los físicos no intentan explicar la causalidad de cómo una partícula conoce instantáneamente el estado de su partícula asociada enredada a mayor velocidad que la velocidad de la luz. Everett, como se señala en la respuesta de Bruce Thomson a continuación, ha presentado una de las pocas explicaciones causales, la teoría de muchos mundos. Puede leer explicaciones de esto en Internet.

Un físico teórico del Instituto Perimeter en Canadá, Fotini Markopoulou, está explorando actualmente la posibilidad de que el espacio-tiempo no sea fundamental, sino que sea una propiedad emergente de algo más fundamental. Está explorando esto como una forma de comprender la gravedad cuántica y unificar la física cuántica y la relatividad. Puedes ver una entrevista con ella sobre esto aquí:

Esta es la explicación que algunos filósofos contemplan. La idea es que las partículas fundamentales pueden operar juntas como un todo unificado, tal como cuando todo nuestro universo estaba en un punto unificado en el primer momento del Big Bang. Desde este punto de vista, el espacio-tiempo es una ilusión y las partículas fundamentales en nuestro universo están unificadas y en comunicación entre sí en su nivel más fundamental.

La principal característica cuántica del enredo que no es el caso en el enredo clásico es la incertidumbre. Supongamos que S_x (Giro en la dirección x) de dos partículas A y B están enredadas. Los enviamos lejos el uno del otro. Cualquier medida en S_x de la partícula A le dice cuál es el S_x de la partícula B. Sin embargo (esto es un enredo cuántico) habiendo medido S_x de A no puede medir, digamos S_z de B debido al hecho de que S_x y S_z no conmutan juntos. Esta esencia cuántica del enredo lo diferencia del enredo clásico. También se ha discutido en el documento EPR.

Este es casi el mismo mecanismo que cuando un lado sabe que queda cuando el contrario es el correcto. Ahora que lo pienso, ¿cómo es que cuando digo que queda un lado, otro se vuelve derecho simultáneamente? ¡Más rápido que la velocidad de la luz! Hmmm

Así es como se preparan los estados enredados. Los sistemas cuánticos pueden estar en estado de superposición y aprovechamos esta oportunidad para crear dicho estado de un sistema complejo (por ejemplo, al tratar con dos partículas preparamos el par ) que cuando una parte está en un estado particular, la segunda parte también está en un estado particular. En otras palabras, superponemos estados del par de tal manera que los estados de los subsistemas son inseparables. Una vez hecho, una medición de cualquier subsistema determinará “inmediatamente” el estado de otro subsistema. Entonces, desde esta perspectiva, es similar a la situación descrita en el párrafo anterior: una vez que determinamos que algo queda, lo opuesto se vuelve correcto.

Sin embargo, hay una diferencia sutil pero muy importante. Realizar la medición significa que de alguna manera forzamos al sistema a estar en un estado particular, el resultado de la medición. Es fácil hacerlo en el papel, cuando solo escribimos una carta (un proyector) pero en el mundo real este es un proceso complejo que involucra interacciones físicas con sistemas de muchos cuerpos. Esta dinámica es extremadamente compleja y los detalles aún no se han entendido. En el nivel fenomenológico, sin embargo, podemos decir que el mecanismo, que destila el estado de la segunda partícula una vez que se mide el estado de la primera partícula, es el mecanismo de la medición misma.

Un modelo radicalmente nuevo sugiere que existe un éter / plenum en el que las partículas causan ondas. La naturaleza / composición / estructura de una partícula determina la señal (varias frecuencias de la ecuación de Fourier) que es única. Su partícula asociada es similar. Por lo tanto, las frecuencias coinciden y la información se transmite como programas de transmisión de radio. Estas ondas viajan mucho más rápido que la luz, medida por T. van Flanern.

Aquí hay una manera por la cual puedes percibir qué es el enredo:

Tome una tira larga de papel y dibuje dos puntos en el mismo lado de la tira de papel bastante distantes entre sí. Los puntos ahora representan dos partículas. Dobla la tira para que un punto quede sobre el otro. Piense en la separación vertical de los puntos como el tiempo. Los puntos ahora representarían dos partículas enredadas que están separadas espacialmente pero que están enredadas en el tiempo porque no hay separación vertical entre ellas.

Entonces, si aplicas calor o fuerza en uno de los puntos, el calor o la fuerza también se sentirán en el otro.