במכניקת הקוונטים, הסתבכות היא תופעה שבה שני חלקיקים או יותר מתחברים באופן שלא ניתן לתאר את מצבו של חלקיק אחד ללא תלות במצבם של האחרים, גם כאשר הם מופרדים במרחקים גדולים. תופעה זו זכתה לעניין רב בשל אופייה הלא קלאסי ויישומיה בעיבוד מידע קוונטי.
כאשר אנו מדברים על מצבים קוונטיים המופרדים בסופרפוזיציות שלהם ביחס לתוצר הטנזור, אנו דנים בעצם האם ניתן להפריד את החלקיקים ולתאר את מצביהם בנפרד, ללא תלות זה בזה. כדי להבין את המושג הזה, עלינו להתעמק במסגרת המתמטית של מכניקת הקוונטים והפורמליזם של תוצר הטנזור.
במכניקת הקוונטים, מצבה של מערכת מתואר על ידי וקטור מורכב במרחב הילברט. כאשר שתי מערכות מסובכות, המצב המשותף שלהן מתואר על ידי וקטור יחיד במרחב הילברט מורכב המתקבל על ידי לקיחת מכפלת הטנזור של מרחבי הילברט הבודדים של המערכות. מבחינה מתמטית, אם יש לנו שתי מערכות A ו-B עם מצבים |ψ⟩ ו-|φ⟩ בהתאמה, המצב המשותף לא הסתבך של המערכת המרוכבת ניתן על ידי |Ψ⟩ = |ψ⟩ ⊗ |φ⟩.
נקודת המפתח שיש לציין כאן היא שלא ניתן לחלק את המצב המסובך |Ψ⟩ למצבים בודדים עבור מערכות A ו-B. המשמעות היא שהמאפיינים של המערכות הבודדות אינן מוגדרות היטב ללא תלות זו בזו. המצב הסבוך מציג מתאמים שהם חזקים יותר מכל מתאמים קלאסיים ואינם ניתנים להסבר על ידי תיאוריות של משתנים נסתרים מקומיים.
כעת, אם נחזור לשאלת הפרדת מצבים מסובכים בסופרפוזיציות שלהם באמצעות מכפלת הטנזור, חשוב להבין שהמצב המסובך עצמו הוא סופרפוזיציה של מצבים שונים של המערכות הבודדות. כאשר אנו מבצעים מדידות על אחד מהחלקיקים המסובכים, מצבו של החלקיק השני קורס באופן מיידי למצב מוגדר, גם אם שני החלקיקים רחוקים זה מזה. קריסה מיידית זו ידועה בשם אי-לוקאליות קוונטית והיא סימן היכר של הסתבכות.
לכן, בהקשר של הפורמליזם של תוצר הטנזור, לא ניתן להפריד מצבים סבוכים לסופרפוזיציות אינדיבידואליות עבור המערכות המרכיבות. ההסתבכות נמשכת גם כאשר החלקיקים הסבוכים מופרדים, ומדידת חלקיק אחד משפיעה על מצב החלקיק השני באופן מיידי. מתאם לא מקומי זה הוא היבט בסיסי של הסתבכות ומבדיל אותו מהמתאמים הקלאסיים.
כדי להמחיש מושג זה, שקול את הדוגמה המפורסמת של פרדוקס ה-EPR (איינשטיין-פודולסקי-רוזן), שבו שני חלקיקים סבוכים מוכנים במצב כזה שהספינים שלהם מתואמים. כאשר ספין של חלקיק אחד נמדד לאורך כיוון מסוים, הספין של החלקיק השני נקבע באופן מיידי, ללא קשר למרחק ביניהם. מתאם מיידי זה נוגד את האינטואיציה הקלאסית ומדגיש את הטבע הלא מקומי של ההסתבכות.
לא ניתן להפריד מצבים סבוכים קוונטיים בסופרפוזיציות שלהם ביחס לתוצר הטנזור. המצב הסבוך של מערכת מורכבת הוא מצב שאינו ניתן לגורם המציג מתאמים לא מקומיים בין החלקיקים המסובכים. מתאם לא מקומי זה הוא מאפיין בסיסי של הסתבכות וממלא תפקיד מכריע במשימות שונות של עיבוד מידע קוונטי.
שאלות ותשובות אחרונות אחרות בנושא יסודות המידע הקוונטי של EITC/QI/QIF:
- כיצד פועל שער השלילה הקוונטי (קוונטי NOT או שער פאולי-X)?
- מדוע שער המרד ניתן להפיכה עצמית?
- אם למדוד את הקיוביט הראשון של מצב הפעמון בבסיס מסוים ואז למדוד את הקיוביט השני בבסיס המסובב על ידי תטא זווית מסוימת, ההסתברות שתקבלי השלכה לוקטור המתאים שווה לריבוע הסינוס של תטא?
- כמה פיסות מידע קלאסי יידרשו כדי לתאר את המצב של סופרפוזיציה שרירותית של קיוביט?
- לכמה ממדים יש רווח של 3 קיוביטים?
- האם המדידה של קיוביט תהרוס את הסופרפוזיציה הקוונטית שלו?
- האם לשערים קוונטיים יכולים להיות יותר כניסות מאשר פלטים בדומה לשערים קלאסיים?
- האם המשפחה האוניברסלית של שערים קוונטיים כוללת את שער ה-CNOT ושער הדמרד?
- מהו ניסוי חריץ כפול?
- האם סיבוב מסנן מקטב שווה ערך לשינוי בסיס מדידת קיטוב הפוטונים?
הצג שאלות ותשובות נוספות ב-EITC/QI/QIF Information Quantum Fundamentals
עוד שאלות ותשובות:
- שדה: מידע קוונטי
- תכנית: יסודות המידע הקוונטי של EITC/QI/QIF (ללכת לתוכנית ההסמכה)
- שיעור: הסתבכות קוונטית (עבור לשיעור בנושא)
- נושא: הסתבכות (עבור לנושא קשור)