Quantum Measurements are Entanglement Physics Videos by Eugene Khutoryansky English Russian

Quantum Measurements are EntanglementYouTube↗ IA↗(long shot)
Science & Technology 52.8K views 1.4K likes 45 dislikes 01 Oct 2016

Physics Videos by Eugene Khutoryansky 1M subscribers United States YouTube↗

One of the most common misconceptions about quantum mechanics is

Одним из наиболее распространенных заблуждений о квантовой механике является то,

that an observation is simply one particle interacting with another particle.

что наблюдение - это просто одна частица, взаимодействующая с другой частицей.

This false impression misses the true essence of

Это ложное впечатление пропускает истинную сущность,

what makes quantum mechanics philosophically intriguing.

что делает квантовую механику философски интригующей.

Suppose we have a quantum randomizer which

Предположим, у нас есть квантовый рандомизатор, который

causes our particle to go in one of two directions.

заставляет нашу частицу двигаться в одном из двух направлений.

Now let’s add a second particle to our system.

Теперь давайте добавим в нашу систему вторую частицу.

The first particle will interact with the second particle.

Первая частица будет взаимодействовать со второй частицей.

The moment these two particles interact,

В тот момент, когда эти две частицы взаимодействуют,

we say that they are entangled with one another.

мы говорим, что они "запутаны" друг с другом.

This is because if the first particle had gone in the other direction,

Это потому, что если первая частица пошла в другом направлении,

then the trajectory of the second particle would be completely different.

тогда траектория второй частицы была бы совершенно иной.

By just observing the second particle alone, this will be enough

Достаточно просто наблюдать за второй частицей,

to know which of the two directions the first particle went in.

чтобы узнать, в каком из двух направлений прошла первая частица.

The second particle therefore acts as a detector for the first particle.

Следовательно, вторая частица действует, как детектор для первой частицы.

But, what if we choose not to observe either particle?

Но что, если мы решим не наблюдать ни одну из частиц?

According to quantum mechanics, each particle will simultaneously be

Согласно квантовой механике, каждая частица будет одновременно

in a combination of both possibilities, which we call superposition.

в комбинации обеих возможностей, которые мы называем "суперпозицией".

Now, suppose we observe one of the two particles.

Теперь предположим, что мы наблюдаем одну из двух частиц.

The superposition disappears, and we always see only one of the possibilities.

Суперпозиция исчезает, и мы всегда видим только одну из возможностей.

The two particles interacting with each other is not what counts as the observation.

Две частицы, взаимодействующие друг с другом, - это не то, что считается наблюдением.

After the two particles interact, both possibilities still exist, and it is

После того, как две частицы взаимодействуют, обе возможности все еще существуют и это,

only after the observation that only one of the two options becomes certain.

только после наблюдения, только один из двух вариантов становится очевидным .

After the two particles interact, we only need to observe one

После того, как две частицы взаимодействуют, нам нужно наблюдать только одну

of the two particles to know about the state of both of the particles.

из двух частиц, чтобы знать о состоянии обеих частиц.

We refer to this by saying that after the two particles interact,

Мы ссылаемся на это, говоря, что после взаимодействия двух частиц,

they are entangled with one another.

они запутаны друг с другом.

This is similar to the spins of two particles being entangled with one another.

Это похоже на то, что спины двух частиц запутаны друг с другом.

The spin of a particle in a particular direction can be

Спин частицы в определенном направлении может

observed to have only one of two possible values.

наблюдаться только одном из двух возможных значений.

These values are “spin up” and “spin down.”

Эти значения «спин вверх» или «спин вниз».

Suppose we also have a second particle.

Предположим, у нас также есть вторая частица.

There are now four different sets of possible observations.

В этом случае существует четыре различных набора возможных наблюдений.

Just as our previous example could simultaneously be in a

Так же, как наш предыдущий пример может быть одновременно

superposition of two different states when we were not observing it…

в суперпозиции двух разных состояний, когда мы не наблюдали его ...

This system can simultaneously be in a

Эта система может одновременно находиться

superposition of four different states when we are not observing it.

в суперпозиции четырех разных состояний, когда мы не наблюдаем.

Suppose we briefly observe only the particle on the right.

Предположим, что мы кратко наблюдаем только частицу справа.

Suppose we see that the particle on the right is “spin up.”

Предположим, мы видим, что частица справа «спин вверх».

This means that two of the four possibilities disappear.

Это означает, что две из четырех возможностей исчезают.

The quantum system is now simultaneously

Квантовая система теперь одновременно

in a superposition of only two possibilities.

в суперпозиции только двух возможностей.

The quantum system shown here does not contain any entanglement,

Квантовая система, показанная здесь, не содержит никакой запутанности,

because measuring the spin of one of these two particles

потому что измерение спина одной из этих двух частиц

will not tell us anything about the spin of the other particle.

не расскажет нам ничего о спине другой частицы.

Let us use one of these particles as a detector

Давайте используем одну из этих частиц в качестве детектора,

to determine the spin of the other particle.

чтобы определить спин другой частицы.

As we bring the particles together,

Когда мы объединяем частицы,

if the two particles are spinning in the same direction,

если две частицы спин в одном направлении,

then our experimental set up will cause the particle on the right

тогда наша экспериментальная установка вызовет частицу справа

to change its spin to the opposite direction.

изменить свой спин в противоположном направлении.

But, if the two particles start out spinning in opposite directions,

Но если две частицы начинают спин в противоположных направлениях,

then nothing will change.

тогда ничего не изменится.

When we start out, the particle on the right is known to be pointed up,

В исходном состоянии частица справа, имеет, как известно, спин вверх,

whereas the spin of the particle on the left is unknown.

тогда, как спин частицы слева неизвестен.

The system consists of both of these possibilities existing simultaneously.

Система состоит из обеих этих возможностей, существующих одновременно.

If we run our experiment without observing either particle, the system will

Если мы проведём наш эксперимент, не наблюдая ни одну из частиц, система

continue to be in a superposition of two possibilities existing simultaneously.

продолжать находиться в суперпозиции двух возможностей, существующих одновременно.

But, regardless of which of the two states the system started in,

Но, независимо от того, в каком из двух начальных состояний находится система,

after these particles have interacted with each other,

после того, как эти частицы взаимодействуют друг с другом,

they are guaranteed to be spinning in opposite directions.

они гарантированно спин в противоположных направлениях.

We therefore now only need to observe one of the two particles

Поэтому нам теперь нужно только наблюдать одну из двух частиц,

to know the spins of both particles.

чтобы знать спины обеих частиц.

As a result, after the two particles have interacted,

В результате, после взаимодействия двух частиц,

we say that they are entangled with each other.

мы говорим, что они запутаны друг с другом.

Suppose we allow these two particles to interact and become entangled,

Предположим, мы позволяем этим двум частицам взаимодействовать и запутываться,

but we do not observe either particle.

но мы не наблюдаем ни одну из частиц.

The system consists of both of these possibilities existing simultaneously.

Система состоит из обеих этих возможностей, существующих одновременно.

It is only when we observe at least one of these particles

Только когда мы наблюдаем хотя бы одну из этих частиц,

that the outcome of the entire system becomes certain.

то результат всей системы становится определенным.

According to the mathematics of quantum mechanics,

Согласно математике квантовой механики,

this remains true regardless of how many particles we have.

это остается верным независимо от того, сколько частиц у нас есть.

A detector simply consists of a large number of particles.

Детектор просто состоит из большого количества частиц.

This means that if we have two entangled particles,

Это означает, что если у нас есть две запутанные частицы,

measuring the spin of one of the particles with a detector

измерение вращения одной из частиц с помощью детектора

will not necessarily tell us the spins of the two particles.

не обязательно расскажет нам спины двух частиц.

If we are not observing the detector or the particles, then the two particles

Если мы не наблюдаем детектор или частицы, то две частицы

will simply become entangled with all the particles inside the detector,

просто запутаются со всеми частицами внутри детектора,

in the same way that the two particles are entangled with each other.

так же, как две частицы запутаны друг с другом.

According to the mathematics of quantum mechanics,

Согласно математике квантовой механики,

both sets of possible outcomes will exist simultaneously.

оба набора возможных результатов будут существовать одновременно.

Suppose we observe the detector, which means that we

Предположим, мы наблюдаем детектор, а это значит, что мы

observe at least one of the many particles that the detector is made of.

наблюдаем по крайней мере одну из множества частиц, из которых сделан детектор.

Once we observe the detector, all the particles inside the detector

Как только мы наблюдаем детектор, все частицы внутри детектора

and the two spinning particles that we originally wanted to measure

и две частицы, спин которых мы изначально хотели измерить

will all simultaneously collapse into one of the two possibilities.

все одновременно коллапс в одну из двух возможностей.

According to the mathematics of quantum mechanics,

Согласно математике квантовой механики,

it does not matter how many particles the system is made of.

это не имеет значения, из какого числа частиц состоит система.

We can connect the output signals of our detectors to large complex objects,

Мы можем подключить выходные сигналы наших детекторов к большим сложным объектам,

causing these large objects to behave differently

заставляя эти большие объекты вести себя по-разному

depending on the measurements in the detector.

в зависимости от измерений в детекторе.

According to the mathematics of quantum mechanics,

Согласно математике квантовой механики,

if we do not observe the system, both possibilities will exist simultaneously.

если мы не будем наблюдать за системой, обе возможности будут существовать одновременно.

At least until we observe one of the

По крайней мере, пока мы не наблюдаем

many entangled particles that make up the system.

одну из многих запутанных частиц, которые составляют систему.

Here, once the particles become entangled, the two different

Здесь, как только частицы запутываются, два разных

possible quantum states are represented by the colors yellow and green.

возможных квантовых состояния представлены желтым и зеленым цветами.

The yellow particles pass right through the green particles without any interaction.

Желтые частицы проходят сквозь зеленые частицы без какого-либо взаимодействия.

The yellow particles pass right through the green particles without any interaction.

Желтые частицы проходят сквозь зеленые частицы без какого-либо взаимодействия.

After the entanglement occurs,

После того, как запутывание происходит,

the system is represented by a wave function in a superposition

система представлена волновой функцией в суперпозиции

of two different quantum states,

двух разных квантовых состояний,

represented here by yellow and green.

представленных здесь желтым и зеленым цветами.

One wave is not really above the other, but this visualization illustrates how

Одна волна на самом деле не выше другой, но эта визуализация показывает, как

the yellow quantum state is unable to interact with the green quantum state.

желтое квантовое состояние не может взаимодействовать с зеленым квантовым состоянием.

Since the yellow wave can’t interact with the green wave,

Поскольку желтая волна не может взаимодействовать с зеленой волной,

no interference pattern is created with the detectors present.

интерференционная картина не создается при наличии детекторов.

On the other hand, with the detectors removed,

С другой стороны, при отсутствии детекторов,

the entanglement with the detectors never happens,

запутывание (как с детекторами) никогда не происходит,

and the system does not split into the yellow and green as before.

и система не разделяется на желтый и зеленый, как раньше.

The resulting waves are therefore able to interact and interfere with each other.

Получающиеся волны поэтому могут взаимодействовать и интерферировать друг с другом.

Two waves interacting with each other creates a striped pattern.

Две волны, взаимодействующие друг с другом, создают полосатый рисунок.

This is why a striped probability pattern is created when

Вот почему полосатый рисунок вероятности создается, когда

particles pass through two holes without any detectors present.

частицы проходят через две щели без каких-либо детекторов.

And it is why a striped probability pattern is not created

И именно поэтому полосатый рисунок вероятности не создаётся

when particles pass through two holes with detectors present.

когда частицы проходят через две щели с присутствующими детекторами.

Having just one detector present has the same effect as having two detectors.

Наличие только одного детектора имеет тот же эффект, что и наличие двух детекторов.

This is because it only requires interaction with a single particle

Это потому, что требуется только взаимодействия с одной частицей

in order for entanglement to occur.

для того, чтобы запутанность произошла.

But, even after a particle interacts with a detector

Но даже после того, как частица взаимодействует с детектором

consisting of many different particles, the system is

состоящего из множества различных частиц, система

still in both states simultaneously until we observe one of the detectors.

все еще в обоих состояниях одновременно, пока мы не наблюдаем один из детекторов.

There is considerable debate as to what is really happening,

Есть много споров о том, что на самом деле происходит,

and there are many different philosophical interpretations of the mathematics.

и есть много разных философских интерпретаций математики.

In order to fully appreciate the essence of this philosophical debate,

Чтобы полностью оценить суть этой философской дискуссии,

it is helpful to have some understanding of the mathematics of why

полезно иметь некоторое представление о математике,

entanglement prevents the wave functions from interacting with each other.

почему запутывание препятствует взаимодействию волновых функций друг с другом.

The probability of a particle being observed in a particular location is given by

Вероятность наблюдения частицы в определенном месте определяется как

the square of the amplitude of the wave function at that location.

квадрат амплитуды волновой функции в этом месте.

In this situation, the wave function at each location is

В этой ситуации волновая функция в каждом месте

the sum of the wave functions from each of the two holes.

сумма волновых функций от каждой из двух щелей.

Although there are many different places that the particle can be observed,

Хотя есть много разных мест, где можно наблюдать частицу,

to simplify the analysis, let us consider a scenario where

для упрощения анализа рассмотрим сценарий, в котором

the particle can be in only one of two places.

частица может находиться только в одном из двух мест.

This scenario is similar to the scenario measuring the spin of a single particle,

Этот сценарий похож на сценарий измерения вращения одной частицы,

in that there are only two possible outcomes that can be observed.

в котором есть только два возможных результата, которые можно наблюдать.

The state of “spin up” can be represented by a “one” followed by a “zero.”

Состояние «спин вверх» может быть представлено, как «единица», после которой следует «ноль».

The state of “spin down” can be represented by a “zero” followed by a “one.”

Состояние «спин вниз» может быть представлено, как «ноль», за которым следует «один».

Similarly, we can use the same mathematical representation

Точно так же мы можем использовать то же математическое представление

for measuring the location of our particle.

для измерения местоположения нашей частицы.

We will signify observing the particle in the top location

Будем обозначать наблюдение частицы в верхнем положении

with a “one” followed by a “zero.”

как «один», за которым следует «ноль».

And we will signify observing the particle in the bottom location

И мы будем обозначать наблюдение частицы в нижней части

with a “zero” followed by a “one.”

как нуль, за которым следует «один».

Note: The location of this particle is unrelated to its spin. We are just using the same type of mathematical notation.

Примечание: расположение этой частицы не связано с её спином. Мы просто используем тот же тип математической записи.

Let us now add a detector indicating which of the two holes

Давайте теперь добавим детектор, указывающий, через какую из двух щелей

the particle passed through.

частица прошла.

We are going to observe both the final location of the particle,

Мы собираемся наблюдать, как окончательное местоположение частицы,

and the status of the detector.

так и статус детектора.

There are now a total of four different possible sets of observations.

В настоящее время существует четыре возможных набора наблюдений.

This is similar to how we had four different possible sets of observations

Это похоже на то, как у нас было четыре возможных набора наблюдений,

when we had two spinning particles.

когда у нас был спин двух частиц.

Although our detector is illustrated as a large object,

Хотя наш детектор изображен как большой объект,

let us suppose that this detector consists of just a single particle.

давайте предположим, что этот детектор состоит только из одной частицы.

In the case of the two spinning particles, each of the four possible

В случае спина двух частиц каждое из четырех возможных

observations can be represented with a series of numbers, as shown.

наблюдений могут быть представлены с помощью ряда чисел, как показано.

The same mathematical representation can be used in the case of

Такое же математическое представление может быть использовано в случае

observing the position of our particle and the status of our detector.

наблюдения положение нашей частицы и статуса нашего детектора.

Here, we need four numbers because there are four possible

Здесь нам нужно четыре числа, потому что есть четыре возможных

outcomes when the status of the detector is included.

результата, когда включён статус детектора.

But, if we didn’t have the detector, we would only need two numbers

Но если бы у нас не было детектора, нам потребовалось бы только два числа

because there are only two possible outcomes.

потому что есть только два возможных варианта.

This is the same way in which we need two numbers for a single spinning particle.

Это так же, как нам нужны два числа для спина одной частицы.

If the single spinning particle is in a superposition of both states

Если спин одиночной частицы находится в суперпозиции обоих состояний

simultaneously, then this is represented mathematically as shown.

одновременно, тогда это представляется математически, как показано.

The “C” variables are constants.

Переменные «С» являются константами.

Note: These constants can have complex values, with real components and imaginary components.

Примечание. Эти константы могут иметь сложные значения с реальными и мнимыми компонентами.

The probability of observing the spin of the particle in each of the two states

Вероятность наблюдения спина частицы в каждом из двух состояний

is given by the squares of the magnitudes of these constants.

дается квадратами величин этих констант.

If we have two spinning particles, we can have four possible observations,

Если у нас есть спин двух частиц, мы можем иметь четыре возможных наблюдения,

each of which is represented with a sequence of four numbers as shown.

каждое из которых представлено последовательностью из четырех чисел, как показано.

If the system is in a superposition of all four states simultaneously,

Если система находится в суперпозиции всех четырех состояний одновременно,

then this is represented with the following mathematical expression.

тогда это представляется следующим математическим выражением.

As before, the “C” variables are constants.

Как и прежде, переменные «С» являются константами.

As before, the probability of observing the spins of the particles in each of the

Как и раньше, вероятности наблюдения спинов частиц в каждом из

four states is given by the squares of the magnitudes of each of these constants.

четырёх состояний даются квадратами величин каждой из этих констант.

This same mathematical representation can be used to describe

Это же математическое представление может быть использовано для описания

observing the location of the particle and the state of the detector.

наблюдение за расположением частицы и состоянием детектора.

Here, the “C” variables represent the values of each of these

Здесь переменные «С» представляют значения каждой из этих

wave functions at the final location of the particle.

волновой функции в конечном положении частицы.

When the system is in a superposition of these four possibilities,

Когда система находится в суперпозиции этих четырех возможностей,

it is represented mathematically as shown.

она представлен математически, как показано на рисунке.

But, if we never had the detector, then each quantum state would be

Но если бы у нас никогда не было детектора, то каждое квантовое состояние было бы

represented by only two numbers instead of four,

представлено только двумя числами вместо четырех,

since there are only two possible observations.

поскольку есть только два возможных наблюдения.

As before, the “C” variables represent the values of the wave function

Как и прежде, переменные «С» представляют значения волновой функции

from each of the two holes, at the final locations of the particle.

из каждой из двух щелей, в конечных положениях частицы.

Without the detector, if the system is in a superposition of both quantum

Без детектора, если система находится в суперпозиции обоих квантовых состояний одновременно,

states simultaneously, it is represented mathematically as follows.

это математически представляется следующим образом.

Here, if one of the C variables is positive, and another C variable is negative,

Здесь, если одна из переменных C положительна, а другая переменная C отрицательна,

they can cancel each other out.

они могут компенсировать друг друга.

On the other hand, the C variables would

С другой стороны, переменные C

never be able to cancel each other out with a detector present.

никогда не будут в состоянии компенсировать друг друга с присутствующим детектором.

With a detector present, even if one of the C variables is positive

При наличии детектора, даже если одна из переменных C положительна

and the other C variable is negative, their magnitudes always

а другая переменная C отрицательна, их величины всегда

strengthen each other when calculating the probability

усиливают друг друга при расчете вероятности

of observing the particle at a certain position.

наблюдения частицы в определенной позиции.

But without a detector, if one of the C variables is positive

Но без детектора, если одна из переменных C положительна

and the other C variable is negative, and their magnitudes are equal,

а другая переменная C отрицательна, а их величины равны,

then they will cancel each other completely and provide a probability of zero.

тогда они полностью компенсируют друг друга и обеспечат вероятность нуля.

If the particle is not limited to being at just two possible positions,

Если частица не ограничена только двумя возможными положениями,

then there will be certain locations where the C variables representing

тогда будут определенные позиции, где переменные C, представляющие

the values of the two wave functions will cancel each other completely.

значения двух волновых функций полностью компенсируют друг друга.

This is what allows a striped probability pattern to form

Это то, что позволяет вероятность полосатому рисунку сформироваться,

when there is no detector present.

когда нет присутствия детектора.

And it is also why a striped probability pattern

И это также, почему полосатый рисунок вероятности

does not form if there is a detector present.

не формируется, если присутствует детектор.

Note that nowhere in this mathematical analysis was there ever

Обратите внимание, что нигде в этом математическом анализе

any mention of a conscious observer.

не было упоминания о сознательном наблюдателе.

This means that whether or not the striped pattern appears

Это означает, что появляется ли полосатый рисунок

has nothing to do with whether or not a conscious observer is watching.

не имеет никакого отношения к тому, наблюдает ли сознательный наблюдатель.

The presence or absence of a detector consisting of just a single particle

Наличие или отсутствие детектора, состоящего только из одной частицы

is enough to determine whether or not there is a striped pattern.

достаточно, чтобы определить, есть ли полосатый рисунок.

A conscious observer choosing whether or not to watch the experiment

Сознательный наблюдатель, который выбирает, стоит ли наблюдать за экспериментом,

will not change this outcome.

не изменит этот результат.

But, because the mathematics says nothing about the influence

Но, потому что математика ничего не говорит о влиянии

of a conscious observer, the mathematics also says nothing about

сознательного наблюдателя, математика также ничего не говорит

when the system changes from being in a superposition of multiple possible

о том, когда система меняется от суперпозиции нескольких возможных

outcomes simultaneously, to being in just one of the possibilities.

результатов одновременно, чтобы быть только в одной из возможностей.

When we observe the system, we always see only one of the possible outcomes.

Когда мы наблюдаем за системой, мы всегда видим только один из возможных результатов.

But, if conscious observers don’t play any role,

Но если сознательные наблюдатели не играют никакой роли,

then it is not clear what exactly counts as an observation,

тогда не ясно, что именно считается наблюдением,

since particles interacting with each other does not qualify.

поскольку частицы, взаимодействующие друг с другом, не соответствуют этому требованию.

There is considerable philosophical debate on the question of

Существуют значительные философские дебаты о том,

what counts as an “observation”, and on the question of when,

что считается «наблюдением» и о вопросах:

how, and if the system collapses to just a single possible outcome.

"когда", "как", и "если" система коллапс до единственного возможного результата.