"Spöklik handling på avstånd, "Einsteins summering av kvantfysik, har varit en kritik av kvantmekaniken sedan området uppstod. Än så länge, beskrivningar av intrasslade partiklar för att förklara deras tydligen snabbare svar än ljus, och till och med förklaringar till fasskiften som orsakas av ett elektromagnetiskt fält i områden där det är noll-"Aharonov-Bohm" -effekten-har mestadels behandlat dessa bekymmer. Dock, senaste teoretiska och experimentella demonstrationer av ett "kontrafaktiskt" kvantkommunikationsprotokoll har visat sig vara svåra att förklara i termer av fysisk orsak och verkan. I denna typ av kvantkommunikation, observatörer på vardera sidan av en "överföringskanal" utbyter information utan att någon partikel passerar mellan dem - riktigt läskigt.

Nu, Yakir Aharonov, Professor vid Tel Aviv University i Israel och Chapman University i USA, och Daniel Rohrlich, Professor vid Ben-Gurion University of the Negev i Israel, har tittat närmare på detta så kallade kontrafaktiska kvantkommunikationsprotokoll när det gäller bevarade partikelegenskaper. Deras analys ger en förklaring av kontrafaktuell kvantkommunikation som inte kräver "spöklik handling på avstånd, "men i stället innebär det att partikeln och en av dess bevarade egenskaper - modulärt vinkelmoment - skiljer sig åt.

Det läskiga kvantprotokollet

Det kontrafaktiska kvantkommunikationsprotokoll som rapporterades 2013 uppstod genom teoretiska studier av två observatörer - goda gamla Alice och Bob - som samarbetar via partiklar längs en överföringskanal, enligt Hatim Salih, Zheng Hong Li, Mohammad Al-Amri och Muhammad Suhail Zubairy (då vid National Center for Mathematics and Physics i Saudi Arabia och Texas A&M University i USA).

"De blev mycket intresserade av det faktum att dessa massiva partiklar, vilket skulle vara signaler, kan stoppas och blockeras, "förklarar Rohrlich. I sin analys, Salih och medförfattare visade att när det fanns två delvis blockerande hinder i kanalen, Alice kunde identifiera om Bob hade stängt slutet av kanalen med en reflekterande spegel eller lämnat den öppen, även om vågfunktionen som den utvecklades under de uppsatta förhållandena inte kunde komma in i Bobs ände av kanalen.

"Vi tyckte att det var extremt intressant - möjligheten att kommunicera utan att något passerar mellan de två personerna som kommunicerar med varandra, "säger Aharonov." Och vi ville se om vi kan förstå det bättre. "

Ett konservativt förhållningssätt

Faktiskt, Aharonov har redan ett arv i tolkningar av tydligen konstiga kvantfenomen, går tillbaka till hans arbete 1959 för att förklara Aharonov-Bohm-effekten, ibland kallad Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm-effekten i erkännande av en teoretisk förutsägelse av effekten 1949. Experimentella forskare hade observerat ett fasskifte i laddade partiklar nära ett elektromagnetiskt fält trots att fältet var noll i hela regionen som upptas av partikelns vågfunktion.

"Vanligtvis, människor tänker bara på vågfunktionen, säger Aharonov, med hänvisning till vanliga beskrivningar av superposition. "De tänker på det matematiskt men de ansluter det inte till en bevarad mängd som är den modulära momentum." Genom att analysera kvanteffekter när det gäller utbytet av en bevarad variabel-den modulära momentum-kunde Aharonov och David Bohm förklara Aharonov-Bohm-effekten. Nu, tillsammans med Rohrlich, han började använda samma typ av analys på det kontrafaktiska kvantkommunikationsprotokollet.

Rohrlich och Aharonov betraktade två parallella överföringskanaler - en med Bobs ände stängd med en spegel och en med den öppen. (Detta motsvarar också en enda överföringskanal där Bobs spegel befinner sig i en superposition av öppna och stängda tillstånd.) De överväger sedan en initial vågfunktion i en superposition av staten i den öppna kanalen plus tillståndet i den slutna kanalen.

Problemet uppstår eftersom, som Salih och medförfattare hade visat, vågfunktionen utvecklas olika beroende på om Bobs ände är stängd eller inte. Som ett resultat, efter att en viss tid har gått, superpositionen blir tillståndet för en kanal minus tillståndet för den andra kanalen, men det motsvarar en annan fas än den ursprungliga vågfunktionen. Eftersom den modulära vinkelmomentet beror på fasen tyder detta på att partikelns modulära vinkelmoment har förändrats även om partikelns vågfunktion inte kunde uppta den del av kanalen där Bob har sin spegel öppen eller stängd.

"Det enda sättet att förklara hur vinkelmomentet förändrades är att en del av partikelns vinkelmoment lämnade den och gick till andra sidan, "säger Aharonov. När han och Rohrlich förklarar det, en del av vinkelmomentet lämnar partikeln, går in i sändningskanalens område som partikelns vågfunktion inte kan, och där, den absorberas av spegeln så att värdet av den modulära vinkelmomentet på partikeln ändras. De föreslår också att liknande resultat kan uppstå genom att överväga vridmomentet och andra bevarade egenskaper.

Temperamentella egenskaper

Aharonov och Rohrlich liknar partikelns beteende och dess modulära vinkelmoment med den flinande Cheshire -katten i "Alice's Adventures in Wonderland, "som verkar gå vidare, lämnar sitt flin bakom sig. "Även om det är mycket förvånande att egenskaper kan lämna sina partiklar, det är inte så förvånande att säga att ingenting hände och det fanns en effekt, säger Aharonov, jämför deras förklaring med idén om partikeln med dess egenskaper som inte möter något som kan förändra den modulära vinkelmomentet, men den egendomen ändras ändå.

Som alla nya koncept, Aharonov och Rohrlichs förklaring är inte utan kritik, antingen. Rohrlich lyfter fram poängen från en av de (anonyma) kamratgranskarna av tidningen, som ändå gav en övergripande positiv bedömning av tidningen. "De sa, humoristiskt, ja vi undvek ett problem, men vi kom in i ett annat problem, "säger Rohrlich. Ändå tillägger han, "Om du pratar om en katt och dess flin, det är väldigt konstigt, men självklart, allt detta måste översättas tillbaka till elementära partiklar, och om en elementär partikel förlorar sin snurrning för att dess snurr går någon annanstans - kanske är det något vi kan vänja oss vid. "

© 2020 Science X Network