Úvod
Tento článok bude venovaný kvantovému previazaniu. Tento článok je úvodom do tejto problematiky, ktorá bola už rozpísaná na blogu robopol.blogspot.com. Závery a detaily budú podrobnejšie opísané v knihe EDQ teória priestoru a času. Kvantové previazanie je fenomenálna vlastnosť mikrosveta kvantovej fyziky. V dnešnej dobe na základe toho staviame prvé kvantové počítače, ktoré v určitých ohľadoch klasické PC predbehnú svetelnou rýchlosťou. Kvantové previazanie je dnes dobre potvrdené a používa sa aj na teleportáciu častíc. Nedávno urobili kvantové previazanie a teleportáciu až na obežnú dráhu Zeme. Tento článok bude špecifický v zmysle výskumu tejto problematiky (úvodný článok).
Kvantové previazanie /Quantum entanglement
Pokiaľ čitateľ nevie, čo je kvantové previazanie je potrebné si tento pojem vyhľadať, pozrieť.
Bez základných znalosti nebude tento článok celkom zrozumiteľný.
Kvantové previazanie je fyzikálny jav, ktorý nastáva, keď skupina častíc vznikne alebo spolu interaguje spôsobom, ktorý vylučuje, aby ich kvantové stavy boli popísané nezávisle. Potom existuje iba kvantový stav celého systému.
zdroj: wikipedia
Schematický je v EDQ teórii znázornený kvantový pár takto:
Obr. 1. Schematické, kvantové previazanie v EDQ teórii, zdroj: vlastný obrázok.
Na obrázku je schematický označený previazaný pár častíc so spinom ½. To znamená, že samotná častica môže nadobudnúť iba dva stavy (čierny, biely). To, čo pod samotným spinom rozumieme nie je nateraz dôležité (ide o vnútorný moment hybnosti častice). Einstein sa pokúšal prísť na túto záhadu (EPR paradox), no neuspel. Nazval toto pôsobenie ako strašidelné pôsobenie na diaľku, ktoré sa šíri rýchlejšie ako svetlo ( v podstate nekonečnou rýchlosťou, okamžité spojenie).
Myšlienkový experiment na prenos informácii pomocou previazaných párov - od autora robopol
Obr. 2 Pokus s kvantovým previazaním na prenos informácii, kvantové šifrovanie, zdroj: vlastný obrázok.
Popis pokusu
Na obr. č.2 je zhruba v strede zdroj entanglovaných fotónov, ktorý vysiela dvojicu fotónov (jeden k Alici, druhý k Bobovi). Bob je bližšie k zdroju fotónov 0,9L, Alica je 1,1L. Bob chce poslať zmysluplnú šifrovanú informáciu k Alici, ktorú by mohla rozlúštiť iba Alica. Má na to sadu polarizátorov, v rade za sebou. Alica ma taktiež obdobnú sadu. Technické detaily nie je nutné popisovať, pretože ide o myšlienkový pokus a nič z toho, čo by sa nedalo technicky realizovať súčasnou technológiou.
Dohodnú sa predtým na pravidlách:
- Polarizátor môže byt nastavený vertikálne, alebo horizontálne, aby zvislo a rovnobežne bolo to iste na oboch stranách u Alice a Boba, kalibrujú si najskôr smery merania.
- Zvislý polarizovaný fotón bude znamenať "1", vodorovne bude znamenať "0". V tomto myšlienkovom experimente budú odosielať binárny kód, od Boba k Alici.
- Pretože je Bob bližšie on urobí meranie ako prvý, čim donúti fotóny ku konkrétnej polarizácii, alebo zvislo, alebo vodorovne, nedokáže ale vnútiť polarizáciu, takže štatisticky dostane ½ z celého súboru fotónov do požadovanej polarizácie.
- Požadovanú polarizáciu si určuje Bob nastavením zvislo alebo vodorovne.
- Alica si na svojej strane nastavuje smery taktiež, podľa svojho uváženia – teda náhodne. Nemá žiadnu informáciu o tom, ako bude prilietavajúci fotón polarizovaný. Na obrázku je celá sada polarizátorov, každý jeden polarizátor bude symbolizovať podľa nastavenia "1" alebo "0".
Bob nastaví každý jeden polarizátor v rade tak, aby vytvoril želaný binárny kód. Alica na druhej strane bude chcieť rozlúštiť tento kód.
Pre pochopenie:
Pokiaľ by sa podarilo čistou náhodou u Boba nastaviť polarizátor v rade tak, že prilietavajúci fotón by si zvolil smer polarizácie zhodný s Bobovým želaním, potom prilietavajúce fotóny k Alici už MAJÚ URČENÚ POLARIZÁCIU (INVERZNÚ k Bobovi). To Alica vie, že jej správne nastavenia musia byť inverzné k polarizácii u Boba. Keby čírou náhodou mala aj ona nastavené správne svoje zariadenia v rade, potom by mala informáciu od Boba cca 2 krát rýchlejšie ako klasickou cestou.
Z hľadiska štatistiky to, ale takto ideálne nebude. Preto je nutné zaviesť toto pravidlo:
- Pokiaľ Bob nedosiahne požadovanú polarizáciu a to sa dozvie tak, že fotón neprejde polarizátorom, Bob posiala informáciu k Alici klasickou cestou, napr. cez vysielačku, označí "FALSE". Urobí to na každom jednom polarizátore v rade za sebou, kde nedošlo k želanej polarizácii Boba.
- Zo štatistického hľadiska by to malo byť okolo ½ polarizátorov správne.
Rekonštrukcia informácie u Alici:
Alica ma nejak nastavené svoje zariadenie postupne. Na každom zariadení zistí, či fotón prešiel alebo neprešiel. Ak prešiel a nemá od boba informáciu "FALSE", potom je nastavenie správne. Pokiaľ jej fotón prešiel, ale ma k tomu správu od Boba FALSE, tak urobí inverziu polarizácie. Tretia možnosť je ta, že jej neprejde žiaden fotón a nemá od Boba FALSE, potom urobí inverziu k nastaveniu polarizatora. Posledná možnosť je neprešiel fotón a má informáciu od Boba FALSE, potom mala správne natočený polarizátor k Bobovi. Takto zrekonštruuje celu informáciu. Je to šifrovaná informácia, nie je ju možne nijak prelomiť, zrekonštruovať to dokáže iba Alica.
Záver kvantového šifrovania
Okrem toho, že sme poslali šifrovanú informáciu poslali sme štatisticky iba polovicu oprav. Je však, ale jasne aj to, že pokiaľ by sa neposielalo nič (nulové opravy) šťastnou náhodou, tak prostredníctvom previazania to vieme urobiť nad svetelnou rýchlosťou. Je zrejme, že niečo bolo len zaslané nad svetelnou rýchlosťou. Nad svetelnou rýchlosťou bol zaslaný šifrovaný podklad a zasielané opravy sú kľúč k dešifrovaniu (zaslané klasickou cestou rýchlosťou svetla). Zaujímavé bude sledovať tento experiment z nejakej letiacej sústavy voči sústave BOB-ALICA, objaví sa zaujímavý fenomén. Nelokálnosť dokáže urobiť značné problémy s pojmom relativita súčasnosti.
Ako poslať informáciu rýchlejšie ako svetlo aj naprieč času?
Mame Alicu na planéte Zem, Bob odlieta vyspelou kozmickou raketou na cestu do vesmíru. Alica a Bob majú zariadenie, kde majú entanglované častice, dnes je možné previazať aj atómy, aj sadu atómov. Pred odletom Boba si previažu svoje častice. Dohodnú sa na rovnakých pravidlách ako predtým. Budú merať na svojich previazaných časticiach - spiny. Máme častice s ½ spinom, ktoré môžu nadobudnúť smer hore alebo dole. Ostatné pravidla ostávajú, až na jedno. NEZÁLEŽÍ NA TOM KTO PREVEDIE MERANIE AKO PRVÝ, je ale veľmi dôležité, aby to bolo s minimálnou časovou odchýlkou(oneskorením). Dôležité pravidlo je to, že ak je nameraný spin hore symbolizuje to "1", ak je nameraný spin dole symbolizuje to "0". Teda binárny kód.
Obr.3 Abstraktný obrázok, zdroj : internet.
Dohodnú si aj presný plán letu s Bobom, majú presné atómové hodiny, aj Alica aj Bob. Bob pôjde presne v stanovených rýchlostiach, v presných dohodnutých časoch, po fáze zrýchlenia Bobovej rakety v presne zadefinovanom čase pôjde ďalej zotrvačnosťou.
V určitej vzdialenosti od planéty začnú prevádzať v presne dohodnutých časoch merania spinov na svojich časticiach. Máme obdobnú sadu častíc, aby bolo možné poslať zmysluplnú informáciu. Pre binárny kód ich potrebujeme veľa. No, aby prebehlo meranie skoro súčasne je potrebné zohľadniť všeobecnú relativitu, kde hodiny netikajú rovnako z dôvodu gravitačného poľa a vzájomnej rýchlosti. Je dokonca posunutá súčasnosť. Chce to zložitejšie výpočty a odpočty od týchto efektov.
Takže Alica prevedie všetky merania na svojich časticiach. Ak by to Alica urobila ako prvá, potom Bob ma už určené spiny, ktoré nameria na svojich časticiach. Platí to aj obrátene. Ak posiela Bob informáciu Alici posiela chybové hlásenia on "false", presne v zmysle predošlého článku (vyšle signál rýchlosťou svetla k Alici s opravami). Ak vysiela informácie Alica, posiela ona chybové hlásenia Bobovi. Rýchlosť svetla signálu doženie raketu. Rozkódujú svoje informácie rovnako, ako v predchádzajúcom popise.
Pri šťastnej náhode namerané spiny budú v zhode pre Boba s jeho požadovanou informáciou, ktorú chce zaslať Alici. Alici teda neposiela žiadne opravy rýchlosťou svetla! INFORMÁCIA JE ROZKÓDOVATELNÁ PRE ALICU OKAMŽITE V ZMYSLE PRAVIDIEL. DOŠLO K NAD SVETELNÉMU PRENOSU. Vysvetlenie je to, že kvantová informácia je v zhode s Bobovou informáciou. Alica urobí inverziu kvantovej informácie a ma tu Bobovu. To, čo nie je možné sa stalo možné vďaka náhode a kvantovej previazanosti.
Naprieč času
Obr.4 Schematický obrázok pokus s entanglovaným párom v letiacej rakete, zdroj: vlastný obrázok.
Z zmysle teórie relativity je takýto problém. Bob a Alica majú posunutú súčasnosť. To, čo je pre Boba pojem súčasne – teraz, pre Alicu to tak nie je, ona to môže vnímať ako budúcnosť alebo minulosť. Toto je aj problém, ako sa teda dohodnú kedy budú merať? Na hodinách u Alici je iný čas ako u Boba. Teda nemôže to byť tak, že prevedú meranie vtedy keď bude napr. presne 12 hod. Tak sa dohodnú takto. Ak pôjde posielať Bob informáciu Alici urobí to v dohodnutý čas na svojich hodinách a v zmysle potrebných korekcii vplyvu relativity dopočítame, kedy to má urobiť Alica. Takže si stanovia Harmonogram. V 12:00 Bobového času posiela informácie Bob, napr. o 20:00 Alicinho času posiela informácie Alica.
Teraz, ale nastane niečo zaujímavé. Ak to prevedú takto v korekciách, potom odosielame informácie naprieč času, alebo do minulosti, alebo do budúcnosti. Neuveriteľné? No tak to je, pokiaľ dokážeme zaslať informáciu rýchlejšie ako svetlo, vieme ju zaslať naprieč času, toto nutne plynie z fyzikálnych zákonov.
Záver
S kvantovou previazanosťou a charakterom vlnovej funkcie v kvantovej mechanike dokážeme poslať informácie aj v čase. Ak by to chcel niekto využiť, tak ho sklamem, keďže Bob sa nachádza na inom mieste ako Alica. Tieto pokusy nenarušili koncept teórie relativity. Lebo jedine, čo sme mohli urobiť je alebo to urobiť v Bobovej súčasnosti, alebo Alicinej, ibaže sme tým okamžite preniesli informáciu do iného času. Ak sa podari raz vnútiť časticiam kvantový stav, čo je dnes vylúčené, potom mame 100% nad svetelný prenos . Je celkom možné (troška šialené), že máme spriahnuté svoje atómy so svojou verziou v budúcnosti, či minulosti, kvantová informácia, totiž narušuje kauzalitu. A zmena stavu v budúcnosti našich atómov (kolaps vlnovej funkcie) môže ovplyvniť naše atómy v súčasnosti.
Pokračovanie príbehu o kvantovej previazanosti bude obsahovať kniha EDQ teória o priestore a čase. Aj nové nápady, čo s tou 50% náhodou. Všimnime si možnú súvislosť s článkom o vzniku vesmíru, konkrétne kvantovou, červou dierou.
Introduction
This article will be devoted to quantum entanglement. This article is an introduction to this issue, which has already been written about on the blog robopol.blogspot.com. Conclusions and details will be described in more detail in the book EDQ theory of space and time. Quantum entanglement is a phenomenal property of the microworld of quantum physics. Today, based on this, we are building the first quantum computers, which will outpace classical PCs at the speed of light in certain respects. Quantum entanglement is now well-confirmed and is also used for particle teleportation. Recently, they made quantum entanglement and teleportation up to Earth's orbit. This article will be specific in terms of research on this issue (introductory article).
Quantum Entanglement
If the reader does not know what quantum entanglement is, it is necessary to look up this concept, see it.
Without basic knowledge, this article will not be completely understandable.
Quantum entanglement is a physical phenomenon that occurs when a group of particles is created or interacts together in a way that excludes their quantum states from being described independently. Then there is only a quantum state of the entire system.
source: wikipedia
Schematically in EDQ theory, a quantum pair is depicted like this:
Fig. 1. Schematic, quantum entanglement in EDQ theory, source: own image.
The figure schematically shows an entangled pair of particles with spin ½. This means that the particle itself can only take two states (black, white). What we understand by spin itself is not important for now (it is the internal angular momentum of the particle). Einstein tried to figure out this mystery (EPR paradox), but was unsuccessful. He called this action a spooky action at a distance, which spreads faster than light (basically at infinite speed, instant connection).
Thought Experiment on Information Transfer Using Entangled Pairs - by author robopol
Fig. 2 Quantum entanglement experiment for information transfer, quantum encryption, source: own image.
Experiment Description
In Fig. 2, there is roughly in the center a source of entangled photons, which sends a pair of photons (one to Alice, the second to Bob). Bob is closer to the photon source 0.9L, Alice is 1.1L. Bob wants to send meaningful encrypted information to Alice, which only Alice could decode. He has a set of polarizers, in a row behind each other. Alice also has a similar set. Technical details do not need to be described, because it is a thought experiment and nothing that could not be technically realized with current technology.
They agree on rules beforehand:
- The polarizer can be set vertically or horizontally, so that vertical and parallel would be the same on both sides for Alice and Bob, they first calibrate the measurement directions.
- A vertically polarized photon will mean "1", horizontally will mean "0". In this thought experiment they will send binary code, from Bob to Alice.
- Because Bob is closer he will make the measurement first, thus forcing the photons to a specific polarization, either vertical or horizontal, but cannot impose polarization, so statistically he gets ½ of all photons to the desired polarization.
- Bob determines the desired polarization by setting vertical or horizontal.
- Alice on her side also sets directions, according to her discretion – that is, randomly. She has no information about how the incoming photon will be polarized. In the figure is a whole set of polarizers, each polarizer will symbolize according to setting "1" or "0".
Bob sets each polarizer in the row to create the desired binary code. Alice on the other side will want to decode this code.
For understanding:
If by pure chance Bob manages to set the polarizer in the row so that the incoming photon would choose a polarization direction consistent with Bob's wish, then the incoming photons to Alice already HAVE DETERMINED POLARIZATION (INVERSE to Bob). Alice knows that her correct settings must be inverse to the polarization at Bob. If by pure chance she also had her devices set correctly in the row, then she would have information from Bob about 2 times faster than by classical means.
From a statistical point of view, it will not be so ideally. Therefore it is necessary to introduce this rule:
- If Bob does not achieve the desired polarization and learns this because the photon does not pass through the polarizer, Bob sends information to Alice by classical means, e.g., by radio, marked "FALSE". He does this on each polarizer in the row where Bob's desired polarization did not occur.
- From a statistical point of view, it should be around ½ polarizers correctly.
Information Reconstruction at Alice:
Alice has her device set up somehow progressively. On each device she determines whether the photon passed or did not pass. If it passed and she has no "FALSE" information from Bob, then the setting is correct. If her photon passed, but she has a FALSE message from Bob, then she makes polarization inversion. The third possibility is that no photon passes and she has no FALSE from Bob, then she makes inversion to the polarizer setting. The last possibility is the photon did not pass and she has FALSE information from Bob, then she had the polarizer correctly oriented to Bob. This way she reconstructs the entire information. It is encrypted information, it is not possible to break it, only Alice can reconstruct it.
Conclusion of Quantum Encryption
Besides sending encrypted information, we have statistically sent only half corrections. However, it is also clear that if nothing was sent (zero corrections) by lucky chance, then through entanglement we know how to do it above the speed of light. It is obvious that something was only sent above the speed of light. Above the speed of light, an encrypted substrate was sent and the sent corrections are the key to decryption (sent by classical means at the speed of light). It will be interesting to observe this experiment from some flying system relative to the BOB-ALICE system, an interesting phenomenon will appear. Non-locality can cause significant problems with the concept of relativity of simultaneity.
How to Send Information Faster Than Light and Across Time?
We have Alice on planet Earth, Bob flies away with an advanced space rocket on a journey into space. Alice and Bob have a device where they have entangled particles, today it is possible to entangle atoms, even sets of atoms. Before Bob's departure, they entangle their particles. They agree on the same rules as before. They will measure on their entangled particles - spins. We have particles with ½ spin, which can take direction up or down. Other rules remain, except one. IT DOESN'T MATTER WHO PERFORMS THE MEASUREMENT FIRST, but it is very important that it is with minimal time deviation (delay). An important rule is that if spin up is measured it symbolizes "1", if spin down is measured it symbolizes "0". Thus binary code.
Fig. 3 Abstract image, source: internet.
They also agree on a precise flight plan with Bob, they have precise atomic clocks, both Alice and Bob. Bob will go at exactly set speeds, at precise agreed times, after the acceleration phase of Bob's rocket at precisely defined time he will continue by inertia.
At a certain distance from the planet they will start conducting measurements of spins on their particles at precisely agreed times. We have a similar set of particles, so that meaningful information can be sent. For binary code we need many of them. But for measurement to happen almost simultaneously, it is necessary to take into account general relativity, where clocks do not tick equally due to gravitational field and mutual velocity. Even simultaneity is shifted. It requires more complex calculations and subtractions from these effects.
So Alice performs all measurements on her particles. If Alice did it first, then Bob already has determined spins, which he will measure on his particles. This also applies vice versa. If Bob sends information Alice sends error messages he "false", exactly in the sense of the previous article (sends a signal at the speed of light to Alice with corrections). If Alice sends information, she sends error messages to Bob. The speed of light signal will catch up with the rocket. They decode their information the same way as in the previous description.
With lucky chance measured spins will match for Bob with his desired information, which he wants to send to Alice. Alice therefore does not send any corrections at the speed of light! INFORMATION IS DECODABLE FOR ALICE IMMEDIATELY IN TERMS OF RULES. FASTER-THAN-LIGHT TRANSMISSION OCCURRED. The explanation is that quantum information matches Bob's information. Alice makes inversion of quantum information and has Bob's. What was not possible became possible thanks to chance and quantum entanglement.
Across Time
Fig. 4 Schematic image experiment with entangled pair in flying rocket, source: own image.
In the sense of relativity theory there is such a problem. Bob and Alice have shifted simultaneity. What is for Bob the concept of simultaneous – now, for Alice it is not so, she may perceive it as future or past. This is also a problem of how they agree when they will measure? Alice's clocks show different time than Bob's. So it cannot be that they perform measurement when it is, for example, exactly 12 o'clock. So they agree like this. If Bob is going to send information to Alice he does it at agreed time on his clocks and in the sense of necessary corrections of relativity influence we calculate when Alice should do it. So they set a Schedule. At 12:00 Bob's time Bob sends information, e.g., at 20:00 Alice's time Alice sends information.
Now, however, something interesting happens. If they do it like this with corrections, then we send information across time, either to the past, or to the future. Incredible? Well that's how it is, if we can send information faster than light, we can send it across time, this necessarily follows from physical laws.
Conclusion
With quantum entanglement and the character of wave function in quantum mechanics we can send information in time. If someone wanted to use this, I would disappoint them, since Bob is in a different place than Alice. These experiments did not violate the concept of relativity theory. Because the only thing we could do is either do it in Bob's simultaneity, or Alice's, except that we immediately transferred information to another time. If it succeeds once to impose quantum state on particles, which is excluded today, then we have 100% faster-than-light transmission . It is quite possible (a bit crazy), that we have our atoms entangled with our version in the future, or past, quantum information, after all, violates causality. And changing the state in the future of our atoms (wave function collapse) can affect our atoms in the present.
The continuation of the story about quantum entanglement will contain the book EDQ theory of space and time. Also new ideas, what to do with that 50% randomness. Let's notice a possible connection with the article about the origin of the universe, specifically quantum, wormhole.
