А если так.
(ЛИКБЕЗ)
1) Квантовые частицы вообще можно выражать как вектора в некотором
векторном пространстве (далее реальное физическое пространство нашей Вселенной я буду называть
пространством-временем - чтобы не было путаницы).
2) Это векторное пространство - оно логическое: т.е., грубо говоря, оно было придумано (и наделено
правилами работы с ним) специально для того, чтобы (см. п. 1).
3) Правила работы с этим векторным пространством - они
логические, сродни преобразованиям в
тригонометрии: один элемент можно вывести из другого, вернуться к первому, и т.д.
4) Применяя к такому пространству его правила - одни вектора могут изменяться до неузнаваемости, а другие (при одинаковых преобразованиях) - только отчасти (или вообще нет).
5) В окружающем нас мире существуют реальные физические величины (спин, поляризация, координаты, импульс, масса, заряд и многие другие), значения которых можно
предсказать -
если выразить их как вектора в таком пространстве.
6) Оказалось, что некоторые из этих величин - "нельзя узнать одновременно": эта особенность (т.н.
Принцип неопределённости) заложена в правилах ориентирования (см. п. 2) в этом пространстве.
7) Принцип неопределённости в частности, как и все другие "правила квантмеха" вообще - они вроде теоремы Пифагора: их с одинаковым успехом можно применять к
любым "треугольникам" (физическим величинам) - чтобы обнаружить,
можно ли (полезно ли?) их "квантовать".
The point is, и вот если можно - закономерности
везде окажутся одни и те же.
Примерно как свести всё многообразие химии к таблице Менделеева.
8) Вернёмся к п. 4: набор векторов, которые НЕ меняют свой вид (как ты векторное пространство ни крути) - формирует
базис.
Такие вектора называются "собственными" - или "базисными": они являются решением особой матрицы (матрица - это такое подмножество векторов в совокупном векторном пространстве), называемой "Эрмитов оператор".
9) Величины, которые нельзя измерить одновременно (см. п. 6) - находятся в
разных базисах.
SPOILER ALERT: базисный вектор в одном базисе - можно представить как суперпозицию базисных векторов в любом другом базисе (к слову о физическом смысле).
10) Находясь в любом базисе, а также при переходе от одного базиса к другому (это примерно как выразить синус через косинус) - можно оценить вероятность получения того, или иного результата (
совпадает с тем, что мы получаем в реальных экспериментах).
11) Т.е., Эрмитов оператор (см. п. 8) - это как бы проекция нашего трёхмерного мира на геометрическую репрезентацию состояний квантовых частиц (т.е. - опять: что-то вроде физического смысла всей этой математики).
12) Экспериментатор вообще волен выбирать базис свободно (т.е. ориентировать измерительный прибор вертикально, горизонтально, под углом, или как-нибудь иначе), а любой возможный результат какого-либо эксперимента (см. п. 5) -
всегда связан с одним из
собственных значений базисного вектора (в один из которых система "сколлапсирует" после измерения).
13) Это всё было к тому, что количество возможных результатов
любого эксперимента -
точно равно количеству
собственных значений базисных векторов (внутри выбранного базиса; см. п. 12).
Обычно таких значений 2, но вообще может быть сколько угодно, и большинство легко подсчитать на любом калькуляторе.
...Итак.
Спином вообще называют некую особенность частицы реагировать на магнитное поле.
Матрица Эрмитова оператора спина электрона
(по вертикальной оси)
имеет ровно два
собственных вектора:
и
.
Тогда электрон,
проходящий через вертикально-ориентированную
установку Штерна-Герлаха(почти аналогично - протон, проходящий через ту же установку; или фотон, проходящий через поляризатор, и т.п.)
- можно описать обыкновенным
кубитом (в т.ч. в матричном виде):
В результате измерения такого состояния (как при измерении вообще любой суперпозиции) - произойдёт т.н. "
коллапс"; т.е. вектор
примет любое
одно из собственных значений с вероятностью, равной квадрату связанного с ним коэффициента (в данном случае
, т.е. 50% ровно):
(ПРИМЕЧАНИЕ)
Данная процедура, кстати:
подбор точной матрицы Эрмитового оператора,
поиск её точного решения (собственных векторов),
поиск их точного решения (собственных значений),
а также описание всего этого в виде вектора
- именуется "квантованием".
:) Эдакая "категоризация по-Менделеевски" от мира КМ (или "применение тригонометрических преобразований") на спин электрона, чтобы найти такое множество векторов, свойства которых точно описывали бы поведение электрона в реальном эксперименте.
Этот "коллапс", однако - является
нарушением линейных преобразований квантовой механики.
Коллапс ниоткуда не следует: он является
макроскопическим феноменом (мы никогда не наблюдаем спин "вверх" и "вниз" одновременно - см. т.н. "
проблема измерения").
Существует множество ведущих интерпретаций
физического смысла "коллапса":
- Копенгагенская интерпретация (КПГИ):
никакие квантовые состояния НЕ имеют физического смысла,
а значит коллапс - просто нестыковка абстрактной математики. - Многомировая интерпретация (ММИ):
все квантовые состояния наделены собственным
физическим смыслом, а их коллапс - вообще не происходит. - Теория Декогеренции (ДКГ):
все квантовые состояния наделены физическим смыслом,
однако большинство из них - становятся ненаблюдаемы
(создавая впечатление коллапса). - Пр. и др., не вызывающие моего восторга.
(ЛИКБЕЗ)
- КПГИ утверждает, что ни коллапс, ни даже измеряемые физические величины НЕ являются физическим процессом: они возникают "в момент измерения" (т.е., только измерение является физическим процессом), тогда как до измерения - уравнения описывали лишь абстрактные вероятности внутри мат. аппарата КМ.
Т.о., ничего физически и не "коллапсирует"; однако каким образом то, что мы ощущаем и наблюдаем переходит из "абстрактного" в действительное (как загадка про яйцо и курицу)
- остаётся загадкой. - ММИ выступает антагонистом: она считает, что волновая функция описывает реальные (не абстрактные) физические феномены, которые НЕ коллапсируют после измерения, а реализуются каждый внутри собственной Вселенной, вроде нашей (предполагается, что эти Вселенные - "параллельны", т.е. существуют буквально у нас под носом; как радиостанции, только на другой - НЕ читаемой нами "волне").
Т.о., "коллапсируют" не состояния, а сам наблюдатель: одна версия "Вас" (и всех нас вместе с Вами) читает эти строки; а другая - перезагружает свой роутер, потому что из-за спина "вниз" (а не "вверх") произошёл скачок напряжения в транзисторе. При этом, ДА: большинство взаимодействий между частицами вообще - в любой интерпретации КМ - тоже выполняют роль "наблюдателя". Однако почему мы обнаруживаем себя всего в одном "теле", и каким образом происходит "выбор" именно этого тела (при том, что этот "выбор" происходит с частотой, стремящейся к бесконечности в секунду)
- остаётся загадкой. - ДКГ сочетает предыдущие подходы. Как и в ММИ, волновая функция здесь описывает реальные (не абстрактные) физические феномены, которые НЕ коллапсируют после измерения.
Однако ДКГ НЕ считает, что каждое состояние реализуется в собственной Вселенной.
Так по версии В. Зурека (любая интерпретация КМ имеет множество авторских версий, более-менее отличающихся друг от друга) - на квантовом (не абстрактном) уровне нашей реальности формируются особые состояния (т.н., "pointer states"), которые делают реализацию одних результатов измерения (например - спина "вверх") более предпочтительной, чем других (например - спина "вниз").
Это примерно как рельеф местности влияет на её климат: аналогом квантовых процессов, формирующих штиль (спин "вверх") или цунами (спин "вниз") могут выступать влажность и температура. Тогда понятно, что при прочих равных условиях - в Нью-Йорке дожди случаются чаще, чем в Лос-Анджелесе.
Если я верно понял слова Зурека, ключевая (не считая отсутствия в повседневной жизни аналогов таких явлений, как суперпозиция) разница между климатом и переходом от "квантового" уровня реальности к "макроскопическому" в том, что рельеф Земли гораздо менее "подвижен": местность Нью-Йорка последний раз напоминала Калифорнию во времена динозавров; а на субквантовом уровне реальности - "эпохи" (см. например броуновское движение) сменяют друг друга куда быстрее, выступая как бы генератором случайных чисел для реализации то "штилей", то "цунами".
Каким же образом более "предпочтительные" состояния "всплывают на поверхность" из квантовых глубин реальности? И что происходит с нереализованными состояниями в ДКГ - ?..
А происходит ни что иное как процесс, вынесенный в заголовок данной темы: квантовая запутанность, связывающая теорию декогеренции с КПГИ.
Однако даже по прошествии нескольких десятилетий - ни одна из этих точек зрения ещё не стала общепризнанной.
...В данной теме я исходил из предположения,
что
определённость частицы в пространстве-времени
- тоже можно использовать в качестве базиса.
Я рассуждал о системе однощелевого эксперимента, стена с щелью в котором играет роль установки Штерна-Герлаха, а совокупность всех возможных "точек" на экране - эквивалентна собственным значениям базисных векторов в искомом базисе.
Я предположил (на примере фотона), что между щелью и экраном - частица НЕ просто находится в суперпозиции, но
саму суперпозицию можно представить в виде
(бесконечного?..) множества
"ненаблюдаемых" частиц,
запутанных между собой (по "базису определённости").
Т.е., речь (по всей видимости) идёт о бесконечномерной матрице Эрмитова оператора, описывающей такой базис (с бесконечным количеством базисных векторов и их собственных значений).
Оказалось, что такое состояние существует:
The notion of W state has been generalized for
qubits and then refers to the quantum superposition (...) in which
exactly one of the qubits is in an "excited state"
, while all other ones are in the "ground state"
:
Оно является полной версией ранее предложенного состояния
(описанного без скобочек и коэффициента):
(ПРИМЕЧАНИЕ)
По правде говоря - не уверен, можно ли использовать "определённость" именно в качестве базиса; однако идея состояла вот в чём:
1) "ненаблюдаемые" частицы, запутанные между собой - это
одна и та же частица: мы просто не знаем, в каком направлении (к экрану) она движется от щели;
2) в реальном (одно)щелевом эксперименте, каждая из "ненаблюдаемых" частиц имеет собственный коэффициент, а не общий для всех
; впрочем я не вижу проблемы раскрыть скобки и поставить каждому слагаемому правильный коэффициент (или - подобрать такой коэффициент за скобками, который отражал бы
дифракционную, и\или
интерференционную картину, формируемую этими частицами).
Полагаю, что состояние
позволяет
объяснить феномен коллапса волновой функции
поскольку физического коллапса в его рамках НЕ происходит: каждая "ненаблюдаемая" частица - это просто
вакуума, в котором она
может быть обнаружена
если будет измерена.
(ПРИМЕЧАНИЕ)
Интересно, что сам вакуум ДО начала эксперимента - можно было бы задать как множество "ground" состояний
(пренебрегая вкладами других частиц Вселенной, а также вкладом квантовой теории поля - далеко не полностью ещё мною оценённой).
Тогда физическим смыслом состояния
была бы такая волна, распространяющаяся во все стороны от точки эмиссии подопытной частицы, энергия взаимодействия с которой (простите мой ужасный жаргон) возвращала бы "excited" состояние вакуума
-
оставляя во всех остальных местах (как было ДО начала эксперимента).
Вернёмся теперь к состоянию
спина электрона
- а также прочим "однокубитным суперпозициям"
(далее: ОКСП).
Продолжая моё рассуждение - хочется заключить, что ОКСП (а также, очевидно,
любые небесконечномерные состояния, в т.ч. двухкубитные
Bell states, рассмотренные в прошлых сообщениях на примере поляризации запутанных фотонов) являются грубым обобщением: мы
можем использовать их для описания взаимодействий частицы с окружающей средой, однако в
реальности - такое описание будет
бесконечное множество "ненаблюдаемых" частиц, запутанных между собой (по "базису определённости").
Т.е., этот "базис определённости" - он даже не выделенный базис:
это просто неявное требование длинной формы записи для любых других базисов.
Т.о., состояние
, а также его производные - НЕ только уточняют формулу ОКСП (как и прочих небесконечномерных состояний), но и отражают физический смысл явления, называемого "
коллапсом".
Физического коллапса НЕ происходит: путём запутывания с ближайшим окружением - происходит последовательный перенос свободного (т.е. освобождённого из
потенциальной ямы) состояния из одного места пространства-времени (всеми допустимыми направлениями) в другое.
-- 10.04.2020, 22:24 --Название данной темы, таким образом ("Суперпозиция - частный случай запутанности?") - отражает
"нефизичность" небесконечномерных векторов: кубит является математической абстракцией, обобщающей
наибольшее множество реальных физических состояний. Эти состояния характеризуют одни и те же свойства, вроде поляризации, или спина; однако до момента измерения - они локализованы во множестве точек (условно-бесконечно делимого) пространства-времени.
Любые суперпозиции с как минимум одним слагаемым небесконечномерным вектором (однокубитные, двухкубитные и т.д.) - следовательно, также являются математической абстракцией; в
реальности же, все суперпозиции - это
частные случаи запутанных бесконечномерных физических состояний.
...Т.е.,
проще говоря:
(небесконечномерные) описания свойств частицы,
и (бесконечномерные) описания точек пространства-времени,
в каждой из которых частица обладает этими её свойствами
(пока в какой-нибудь одной из них не будет измерена)
- это разные описания.
!!!