Kvantdatorer, kvantkryptografi och kvantum (ange namn här) är ofta i nyheterna nuförtiden. Artiklar om dem hänvisar oundvikligen till förveckling , en egenskap hos kvantfysiken som gör alla dessa magiska enheter möjliga.

Einstein kallade förträngning "spöklik handling på avstånd, "ett namn som har fastnat och blivit allt mer populärt. Utöver att bara bygga bättre kvantdatorer, förståelse och utnyttja intrassling är också användbart på andra sätt.

Till exempel, den kan användas för att göra mer exakta mätningar av gravitationella vågor, och för att bättre förstå egenskaperna hos exotiska material. Det dyker också upp subtilt på andra ställen:Jag har studerat hur atomer som stöter på varandra blir intrasslade, för att förstå hur detta påverkar atomklockornas noggrannhet.

Men vad är förveckling? Finns det något sätt att förstå detta "skrämmande" fenomen? Jag kommer att försöka förklara det genom att sammanföra två föreställningar från fysiken:bevarande lagar och kvant superpositioner.

Bevarande lagar

Bevarande lagar är några av de djupaste och mest genomgripande begreppen inom hela fysiken. Lagen om bevarande av energi säger att den totala energimängden i ett isolerat system förblir fast (även om den kan omvandlas från elektrisk energi till mekanisk energi till värme, och så vidare). Denna lag ligger till grund för alla våra maskiner, oavsett om det är ångmotorer eller elbilar. Bevarande lagar är ett slags bokföringsuttalande:du kan utbyta bitar av energi runt, men det totala beloppet måste vara detsamma.

Bevarande av momentum (momentum är massa gånger hastighet) är anledningen till att, när två skridskoåkare med olika massor skjuter ifrån varandra, den lättare rör sig bort snabbare än den tyngre. Denna lag ligger också till grund för den berömda bestämmelsen att "varje handling har en lika och motsatt reaktion." Bevarande av vinkel- momentum är varför - en återvändande till skridskoåkare igen - en virvlande konståkare kan snurra snabbare genom att dra armarna närmare kroppen.

Dessa bevarande lagar har experimentellt verifierats för att fungera över en extraordinär skala av skalor i universum, från svarta hål i avlägsna galaxer ända ner till de minsta snurrande elektronerna.

Kvanttillägg

Föreställ dig själv på en trevlig vandring genom skogen. Du kommer till en gaffel i spåret, men du tycker att du själv kämpar för att bestämma om du vill gå till vänster eller höger. Stigen till vänster ser mörk och dyster ut men sägs leda till några fina vyer, medan den till höger ser solig men brant ut. Du bestämmer dig slutligen för att gå rätt, undrar undrande över vägen som inte har tagits. I en kvantvärld, du kunde ha valt båda.

För system som beskrivs med kvantmekanik (det vill säga saker som är tillräckligt väl isolerade från värme och yttre störningar), reglerna är mer intressanta. Som en snurr, en elektron kan till exempel vara i ett tillstånd där den snurrar medurs, eller i ett annat tillstånd där det snurrar moturs. Till skillnad från en snurrande topp, dock det kan också vara i ett tillstånd [snurrning medurs] + [moturs rotation] .

Kvantsystemens tillstånd kan läggas ihop och subtraheras från varandra . Matematiskt, reglerna för att kombinera kvanttillstånd kan beskrivas på samma sätt som reglerna för att lägga till och subtrahera vektorer. Ordet för en sådan kombination av kvanttillstånd är a överlagring . Detta är verkligen vad som ligger bakom konstiga kvanteffekter som du kanske har hört talas om, till exempel dubbelspaltsexperimentet, eller partikelvågsdualitet.

Säg att du bestämmer dig för att tvinga en elektron i [snurrning medurs] + [moturs rotation] superpositionstillstånd för att ge ett definitivt svar. Då hamnar elektronen slumpmässigt antingen i [snurrning medurs] staten eller i [snurrning moturs] stat. Oddsen för det ena resultatet kontra det andra är lätta att beräkna (med en bra fysikbok till hands). Den processens inneboende slumpmässighet kan störa dig om din världsbild kräver att universum beter sig på ett helt förutsägbart sätt, men ... c'est la (testat experimentellt) tävla .

Bevarande lagar och kvantmekanik

Låt oss sätta ihop dessa två idéer nu, och tillämpa lagen om bevarande av energi på ett par kvantpartiklar.

Tänk dig ett par kvantpartiklar (säg atomer) som börjar med totalt 100 enheter energi. Du och din vän skiljer paret, tar en var. Du upptäcker att din har 40 enheter energi. Med hjälp av lagen om bevarande av energi, du drar slutsatsen att den som din vän har måste ha 60 enheter energi. Så snart du vet energin i din atom, du känner omedelbart också energin i din väns atom. Du skulle veta detta även om din vän aldrig avslöjade någon information för dig. Och du skulle veta detta även om din vän var avstängd på andra sidan av galaxen när du mätte din atoms energi. Inget skrämmande med det (när du väl inser att detta bara är korrelation, inte orsakssamband).

Men kvanttillstånden för ett par atomer kan vara mer intressanta. Parets energi kan delas upp på många möjliga sätt (i överensstämmelse med energibesparing, självklart). Atomparets kombinerade tillstånd kan vara i en superposition, till exempel:

[din atom:60 enheter; väns atom:40 enheter] + [din atom:70 enheter; väns atom:30 enheter].

Detta är en trassligt tillstånd av de två atomerna. Inte heller din atom, inte heller din väns, har en bestämd energi i denna superposition. Ändå, egenskaperna hos de två atomerna är korrelerade på grund av energibesparing:deras energier lägger alltid upp till 100 enheter.

Till exempel, om du mäter din atom och hittar den i ett tillstånd med 70 enheter energi, du kan vara säker på att din väns atom har 30 enheter energi. Du skulle veta detta även om din vän aldrig avslöjade någon information för dig. Och tack vare energibesparing, du skulle veta detta även om din vän var borta på andra sidan av galaxen.

Inget skrämmande med det.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.