Astronomi

Kan kvanttrassel orsaka nukleosyntes i stjärnor?

Kan kvanttrassel orsaka nukleosyntes i stjärnor?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Även om det inte finns tillräckligt med värme och energi i stjärnan för att orsaka nukleosyntes, kan atomer kvant förvirra sig för att skapa en ny atomkärna? Eller skulle det vara kvanttunnel - om detta är möjligt?


Du hänvisar till pykonukleära reaktioner - det här är reaktioner som initieras även när temperaturen faktiskt är noll. De orsakas av nollpunktsoscillationer av partiklar som fångas i en djup potentialbrunn och därmed är rent en kvantmekanisk effekt.

Detta är långt ifrån bara av teoretiskt intresse. Det kan vara så att pykonukleära reaktioner inträffar i de kondenserade ämnena hos vita dvärgar; eventuellt till och med initiera kolförbränning som kan förstöra stjärnan i en typ Ia-supernova.


Jag tror att du hänvisar till kvanttunnel. Tja, kvanttunnel är faktiskt viktigt i nukleosyntes i stjärnor. Vanligtvis är kvanttunnel en mycket sällsynt händelse - men i en kropp som är lika stor som solen (vars diameter är 4 ljus sekunder lång) kommer det säkert att ske ganska ofta. Detta är vad som främst tillåter atomkärnor att kollidera.


Galileo & # 039s Pendel

Inget ämne inom kvantfysik har inspirerat så mycket förvirring, frustration och experimentell kreativitet än intrassling. Visst mer nonsens har skrivits och talats om intrassling än något annat koncept, även fysiker som förstår det kämpar för att förklara det för andra och ofta skruvar. Och även om du förstår det ganska bra (som jag tycker att jag gör) kan det verka djupt störande. Jag skulle säga att om det inte stör dig på någon nivå, har du inte tänkt noga på det.

I allmänna ordalag innefattar intrassling följande steg:

  1. Ett enda kvantsystem bereds noggrant och delas sedan i två. Det praktiska exemplet (som jag kommer att utarbeta nedan) är att skapa två fotoner från en enda källa med motsatta men obestämda polarisationer. (Se de tidigare inläggen i denna serie för mer information om polarisering.)
  2. Eftersom de två nya systemen är korrelerade är deras egenskaper inte oberoende: om en fotonpolarisering är vertikal måste den andra vara vertikalt polariserad. Det finns emellertid inget sätt att veta vilken som har vilken polarisation utan att mäta: den är obestämd, och som vanligt i kvantfysik är det bästa vi kan göra att tilldela sannolikheter till varje möjligt resultat av en mätning.
  3. Om du mäter polarisationen av ett av dessa fotoner (med hjälp av ett polarisationsfilter och se om det går igenom) kan alla polarisationsmätningar på den andra foton förutsägas, oavsett hur långt fotonerna har rest. Således, om du använder ett horisontellt filter på den första foton och det kommer igenom, kommer den andra foton inte att komma igenom ett horisontellt filter, eftersom det måste vara vertikalt polariserat.

Så här är problemet: den första mätningen gör det inte orsak allt som händer med det andra systemet: de kan inte kommunicera på något sätt, eftersom avståndet mellan dem är godtyckligt. Med andra ord kan de separeras av flera parsec utan att ändra resultatet, så om de faktiskt skickade information skulle det strida mot relativiteten. (Även om avstånden i parsec-skala är opraktiska, har verkliga experiment bekräftat intrassling över en sjö och mellan öar.) Du kan inte skicka signaler snabbare än ljus med hjälp av intrassling som ett resultat: det enda sättet du kunde slags sorta kommunicera är om du hade två grupper av forskare som i förväg enades om vad inställningarna för deras instrument skulle vara innan de delade företaget skulle ingen ny information finnas tillgänglig, eftersom verklig kommunikation sker med ljushastighet eller långsammare innan mätningarna ens utförs. Det finns till och med ett teoretiskt resultat som visar att snabbare informationsöverföring än ljuset inte kan hända utan att andra saker bryter mot relativiteten, vilket vi inte vet.

Något annat måste pågå, då: antingen saker är verkligen obestämda och icke-lokala (vilket betyder att kvantsystemet inte beror på var mätningarna utförs), eller så finns det en & # 8220dold variabel & # 8221 (som kan innebära en slumpmässig fluktuation) som ansluter de två långtgående systemen som avgör vad resultatet av varje mätning måste vara, eller ännu en idé som jag kanske inte vet om. Den första allmänna förklaringen är från standard- & # 8220Copenhagen & # 8221-tolkningen av kvantteorin: den säger att du inte ska oroa dig för att saker och ting inte är lokala så länge ingen information överförs. Köpenhamns tolkning förklarar: det finns ingen oberoende verklighet utöver våra mätningar, så allt vi behöver är sannolikheten för ett visst resultat. Andra förklaringar plågas av svårigheter: de involverar endast tolkning och är därför inte föremål för experimentella tester, eller de är svåra att skilja från Köpenhamntolkningen, eller de förutsäger saker som bara inte är det.

Historisk avvikelse

Det första papperet som försökte ta itu med kvantförtrassling kom från Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen, så det är känt som EPR-papper. (Även om & # 8220Schrödinger: s katt & # 8221 trodde experimentet är bättre känt, handlar det främst om ett separat problem med tolkningen av kvantmekanik - interaktionen mellan ett mikroskopiskt system dikterat av kvantprocesser och en makroskopisk katt - så jag tror det & # 8217 är inte särskilt användbart för att förstå själva intrassling.) EPR-papperet, som publicerades 1935, har titeln & # 8220Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Ansed Complete? & # 8221 när en rubrik frågar ett & # 8220yes eller nej & # 8221 fråga, författarna förväntar sig att svaret är & # 8220no & # 8221, och det här papperet är inte annorlunda. Einstein och hans medförfattare drar slutsatsen att standardtolkningen av kvantmekanik måste vara fel.

Även om jag har läst det flera gånger och ändå tycker att det är fascinerande, kommer jag inte att förklara det ursprungliga EPR-papperet i detalj: experimentet de föreslår är mycket opraktiskt, för att inte tala om något rörigt att diskutera. Jag tror inte att någon någonsin har föreslagit att det ska genomföras, så i stort sett alla diskussioner om intrassling efter EPR bygger på senare artiklar av David Bohm och Yakir Aharonov (samma dudes som Aharanov-Bohm-effekten) och särskilt John S. Bell . De flesta moderna experiment antar antingen att intrassling är korrekt och använder förutsägelser av kvantteorin för att tolka deras resultat, eller testar en av Bell-ojämlikheter, som är en uppsättning matematiska relationer som förutsäger hur kvantfysik skulle skilja sig från en klass av alternativa modeller som involverar dolda variabler . För mer information om Bell & # 8217 s forskning, se Aatish Batia & # 8217 s utmärkta förklaring i Trådbundet.

Förvirring i aktion

Inverse Thunderdome: en foton går in, två kommer ut. De två översta bilderna är en schematisk bild av en laser som lyser på en kristall, som sedan avger två. De två nedre bilderna är en schematisk bild av den inre kvantövergången för en elektron i kristallen. De två nya fotonerna har korrelerade polarisationer: de är intrasslade.

Exemplet som jag beskriver här är en förenklad version av en vanlig typ. (Se en av mina tidigare artiklar för en mer detaljerad diskussion om ett åtta-foton intrasslingsexperiment.) I dessa experiment skickar forskare enstaka fotoner från en laser till en speciell typ av kristall. Den enda foton exciterar kristallen till ett högre energiläge, men när den förfaller avges den två fotoner.

Polarisering är (bland annat) ett mått på fotonens snurr: dess rotationstillstånd oberoende av dess rörelse. Spinn bevaras, så den totala rotationsmängden som den ursprungliga foton som bärs till kristallen måste vara lika med rotationen för de två fotonerna som emitteras efteråt. Det betyder att de emitterade fotonerna har korrelerad polarisering: om den ena är horisontellt polariserad måste den andra vara vertikal. Den specifika polarisationen av någon av dessa fotoner är dock obestämd! Vi vet bara att de är korrelerade.

Schematisk bild av intrasslingsexperimentet.

De nya fotonerna skickas längs olika vägar, vilket kan vara väldigt långa, bara så att de inte manipuleras på väg. I slutet av varje bana möter fotonerna upp med någon form av filter som mäter deras polarisering med avseende på filterorienteringen. Polarisering kan vara vilken vinkel som helst så länge den är vinkelrät mot vägen som fotonen följer, så experimenterande har mycket frihet i filtervalet. John Bell föreslog att man skulle ändra filterorienteringen medan fotonerna faktiskt är i transit för att utesluta dynamiska förändringar i fotonegenskaperna (samt utesluta fåniga idéer om fotonkommunikation eller telepati). För att vara ännu säkrare föreslog en trio fysiker att använda ljus från kvasarer för att ställa in filterens orientering, vilket eliminerar ännu mer subtila effekter.

En mängd olika experiment som började i början av 1980-talet visade att fotonerna & # 8217 -polarisationerna är korrelerade trots att de inte kan interagera direkt vid mätningstidpunkten. Dessa experiment använder en mängd olika filterorienteringar, inklusive slumpmässiga inställningar, byte av filter när experimentet pågår för att utesluta dold kommunikation och andra komplicerade metoder - allt för att visa intrassling är verkligt. Senare experiment har sammanfiltrat mer än två fotoner, men principen är fortfarande densamma: att fotonerna ursprungligen var en del av ett enda system betyder att resultaten av mätningar på en inte är oberoende av mätningar på de andra.

Som med fallet med vanliga polarisationsexperiment, låter mätningar på enstaka fotoner (eller snarare enskilda par) oss inte rekonstruera allt vi behöver veta. Vi måste upprepa experimentet för många par intrasslade fotoner för att rekonstruera alla sannolikheter och för att visa att de två fotonerna inte är oberoende av varandra. Resultaten är dock tydliga: oavsett hur långt isär polariseringsfiltret är, de två fotonerna beter sig som två delar av ett enda system.

Nu finns det många detaljer som jag inte har inkluderat. Förtrasslingsexperiment är knepigt, eftersom ett antal saker kan förstöra dem. Enstaka fotoner går mycket lätt förlorade eller påverkas på annat sätt av slumpmässiga miljöpåverkan, som bär det tekniska namnet & # 8220decoherence & # 8221. (Kanske nästa post i denna serie borde handla om dekoherens?) Förträngning av materiepartiklar har visat sig ännu svårare. Ändå stöder varje experiment verkligheten av intrassling och lämnar oss med den ibland obekväma uppgiften att försöka förstå vad som verkligen händer.

[När jag fortsätter att kämpa för deadlines - och på väg till ScienceOnline 2014 den här veckan - är hans inlägg en kraftigt modifierad och uppdaterad version av ett tidigare inlägg.]


Kan kvanttrassel orsaka nukleosyntes i stjärnor? - Astronomi

Sånglinjen går till "Twinkle twinkle little star". Vad är orsaken till "blinkande" stjärnor? Blinkar ljus från planeter som ljus från stjärnor?

En ung person av min bekanta ställde mig den här frågan och jag hade inget bra svar.

Stjärnor blinkar på grund av turbulens i jordens atmosfär. När atmosfären krossas bryts ljuset från stjärnan i olika riktningar. Detta får stjärnans bild att förändras något i ljusstyrka och position, därav "blinka". Detta är en av anledningarna till att Hubble-teleskopet är så framgångsrikt: i rymden finns det ingen atmosfär som får stjärnorna att blinka, vilket möjliggör en mycket bättre bild.

Planeterna blinkar inte som stjärnorna gör. I själva verket är detta ett bra sätt att ta reda på om ett visst objekt du ser på himlen är en planet eller en stjärna. Anledningen är att stjärnor är så långt borta att de i huvudsak är ljuspunkter på himlen, medan planeter faktiskt har en ändlig storlek. Storleken på en planet på himlen på ett sätt "medelvärderar" de turbulenta effekterna av atmosfären, vilket ger en relativt stabil bild för ögat.

Denna sida uppdaterades 27 juni 2015

Om författaren

Dave Kornreich

Dave var grundaren av Ask an Astronomer. Han fick sin doktorsexamen från Cornell 2001 och är nu biträdande professor vid institutionen för fysik och fysik vid Humboldt State University i Kalifornien. Där driver han sin egen version av Ask the Astronomer. Han hjälper oss också med den udda kosmologifrågan.


Kan kvanttrassel orsaka nukleosyntes i stjärnor? - Astronomi

För en självständig studiekurs på min gymnasium forskar jag på bildandet av elementen, både lätta och tunga. Jag har en viss grundläggande förståelse för hur detta görs, och jag har också hittat lite teknisk information som jag för närvarande inte förstår. Kan du peka på några bra artiklar om ämnet, eller kanske täcka några mer avancerade material själv?

De lättaste elementen (väte, helium, deuterium, litium) producerades i Big Bang-nukleosyntesen. Enligt Big Bang-teorin var temperaturerna i det tidiga universum så höga att fusionsreaktioner kunde äga rum. Detta resulterade i bildandet av ljuselement: väte, deuterium, helium (två isotoper), litium och spårmängder av beryllium.

Kärnfusion i stjärnor omvandlar väte till helium i alla stjärnor. I stjärnor som är mindre massiva än solen är detta den enda reaktionen som äger rum. I stjärnor som är mer massiva än solen (men mindre massiva än cirka 8 solmassor), sker ytterligare reaktioner som omvandlar helium till kol och syre i successiva stadier av stjärnutvecklingen. I de mycket massiva stjärnorna fortsätter reaktionskedjan att producera element som kisel upp till järn.

Element som är högre än järn kan inte bildas genom fusion eftersom man måste leverera energi för att reaktionen ska kunna ske. Men vi ser element som är högre än järn runt oss. Så hur bildades dessa element? Svaret är supernovor. I en supernovaexplosion sker reaktioner med neutronupptagning (detta är ingen fusion), vilket leder till bildandet av tunga element. Detta är anledningen till att det sägs att de flesta saker vi ser runt omkring oss kommer från stjärnor och supernovor (de tunga elementen). Om du går in i tekniska detaljer finns det två processer för neutronupptagning som kallas snabb process (r-process) och den långsamma processen (s-process), och dessa leder till bildning av olika element.

Mer information finns på följande webbplatser:

Denna sida uppdaterades senast 27 juni 2015.

Om författaren

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep byggde en ny mottagare för Arecibo radioteleskop som fungerar mellan 6 och 8 GHz. Han studerar 6,7 GHz metanolmasrar i vår Galaxy. Dessa masers förekommer på platser där massiva stjärnor föds. Han tog sin doktorsexamen från Cornell i januari 2007 och var postdoktor vid Max Planck Insitute for Radio Astronomy i Tyskland. Därefter arbetade han vid Institute for Astronomy vid University of Hawaii som submillimeter postdoktor. Jagadheep är för närvarande vid Indian Institute of Space Scence and Technology.


Tillämpningarna av kvantförstöring

Kvantmekanik (QM även känd som kvantfysik, kvantteori, vågmekanisk modell eller matrismekanik) är en grundläggande teori inom fysik, som beskriver naturen i de minsta skalorna av energinivåer av atomer och subatomära partiklar.

Ett av QM & rsquos mest mystifierande fenomen är kvanttrassel (Qe). Enligt detta fenomen, när två partiklar & # 8202 & mdash & # 8202 så som atomer, fotoner eller elektroner & # 8202 & mdash & # 8202 är intrasslade, upplever de en oförklarlig länk som upprätthålls även om partiklarna är på motsatta sidor av universum, en miljon ljusår bort. Så intrasslat betyder att beteendet hos dessa partiklar är knutet till varandra. Till exempel, om en partikel befinner sig snurra i en riktning, då den andra partikeln omedelbart och omedelbart ändrar sin snurrning på motsvarande sätt som dikteras av intrasslingen. Faktum är att en observatör som mäter en partikel perfekt skulle kunna förutsäga motsvarande mätningar av en andra observatör som tittar på den andra partikeln långt borta. I intrassling kan en beståndsdel (system eller partikel) inte beskrivas fullständigt utan att beakta den andra komponenten. Hittills har Qe demonstrerats experimentellt med fotoner, neutrinoer, elektroner, molekyler så stora som buckyballs och till och med små diamanter. Mätningar av fysikaliska egenskaper såsom position, momentum, centrifugering och polarisering, utförda på intrasslade partiklar har visat sig vara intrasslade.

Quantum Weirdness May Serem to Outrun Light- Here & rsquos Why It Can & rsquot

Men hur snabbt är & ldquoinstantant och omedelbart & rdquo i Qe? Enligt en undersökning gjord av ett team av kinesiska fysiker är den nedre gränsen för hastigheten som är associerad med Qe minst 3 biljoner meter per sekund eller fyra storleksordningar snabbare än ljusets hastighet. Och detta innebär att under Qe överförs & ldquonon-klassisk information & rdquo mellan två partiklar omedelbart, medan avslöjandet av Qe vid de två observatörerna (klassisk information), i de olika universerna, inte sker omedelbart. Helt enkelt för att det beror på ljusets hastighet.

Så i denna magiska kvantvärld är QM ja konstigt att även Albert Einstein och hans kollegor 1935 hävdade att Qe måste vara & ldquoincomplete & rdquo eftersom den var för & ldquospooky & rdquo för att vara verklig. Problemet är det QM verkar trotsa sunt förnuft om kausalitet, lokalitet och realism. Till exempel:

1) Du vet att månen existerar även när du inte tittar på den & # 8202 & mdash & # 8202 att & rsquos realism. Men enligt den teoretiska fysikern är John Wheelers verklighet gjord av information som skapas genom observation, och det betyder att månen bara finns när den observeras.

2) Angående orsakssamband (orsak och verkan), vi vet och tar det för givet att & ldquoom du slår på en ljusströmbrytare tänds glödlampan & rdquo. Men Qe är oberoende av tid och rum. Faktum är att i QM görs skillnaden mellan orsak och verkan inte på den mest grundläggande nivån, så tidssymmetriska system kan ses som kausal eller retro-kausal. Retrocausality är ett begrepp där effekten föregår dess orsak i tiden. Och det betyder att & ldquoif jag tänder en glödlampa, kommer en lampa att slås på & rdquo.

3) Dessutom, tack vare en hård gräns för ljusets hastighet, kan du, om du slår på en strömbrytare nu, inte få den relaterade effekten direkt en miljon ljusår bort beroende på orten. Men i Qe överför information och ldquobreaks & rdquo ljusets hastighet.

Sammanfattningsvis bryts dessa tre principer om kausalitet, lokalitet och realism ner i kvantområdet, med Qe som det mest kända spöklika exemplet. Så småningom visade fysikern John Stewart Bell 1964 att QM i själva verket var en komplett och fungerande teori. Hans resultat, nu kallat Bell & rsquos teorem, bevisade effektivt att Qe är lika verkligt som månen, så idag utnyttjas kvantasystemets bisarra beteenden för användning i en mängd verkliga applikationer.

Att lämna en stund kvantvärlden bakom oss och resa tillbaka till vår & ldkoordinära värld & rdquo, kunde Qe faktiskt påminna någon om Östasiatisk tro: & ldquoThe Red Thread of Fate & rdquo. Enligt en gammal myt: & ldquoGudarna knyter en osynlig röd sladd runt anklarna eller de små fingrarna hos dem som är avsedda att möta varandra i en viss situation eller hjälpa varandra på ett visst sätt. De två personerna som är förbundna med den röda tråden är avsedda partners, oavsett plats, tid eller omständigheter & rdquo & helliplike i Qe. Dessutom kan denna magiska sladd mellan de två delarna / partnerna sträcka sig eller trassla, men kommer aldrig att bryta & hellipmaintaining & ldquohuman entanglement & rdquo forever.

Denna myt liknar det västerländska begreppet själskompisar eller avsedda partners, ett begrepp som kan användas för att uttrycka det till synes öde eller öde av en händelse, vänskap eller händelse. Ödet och ödet har traditionellt sett som en & ldquopower & rdquo gudomligt inspirerad, att & ldquoorders & rdquo händelseförloppet och definierar händelser som & ldquoinevitable & rdquo. Detta är ett koncept baserat på tron ​​att det finns en fast naturlig ordning i detta universum.

Dessutom, determinism är ett filosofiskt begrepp som ofta förväxlas med ödet och ödet, som indikerar att allt som händer bestäms av saker som redan har hänt (orsakssamband: förhållandet mellan orsak och verkan). Men determinism skiljer sig från ödet och ödet genom att den aldrig uppfattas som en andlig, religiös eller astrologisk uppfattning, i själva verket är determinism helt enkelt & ldquocaused & rdquo. I vilket fall som helst & ldquoorsakade determinism & rdquo eller & ldquogiven öde av gudarna & rdquo, båda antyder att verkligheten är någon form av deterministisk programmerad animation, idén att det berömda dubbelspårsexperimentet (hörnstenen för modern fysik) har uteslutit, som initierar den fria viljans era.

Att gå tillbaka till vår kvantvärld, enligt vissa fysiker, är faktiskt verkligheten gjord av information i form av symbolik, det är ungefär som en geometrisk kod. Och som alla språk har denna geometriska kod vissa regler (determinism) men också en viss syntaktisk frihet (fri vilja), som kräver en uppfattning om att en väljare ska välja de fria stegen i språket. Följaktligen kan det tyda på att om du kittlar en partikel i ett universum så trasslar båda partiklarna i de två olika universerna kommer definitivt och omedelbart att skratta men en partikel kan också nysa av fri vilja & hellip! Vem vet? Striden mellan determinism och fri vilja ska fortsätta bland fysiker medan vi försöker förstå de djupaste hemligheterna i denna underbara kvantitet och den vanliga världen vi kallar livet.

Men här är några av de mest spännande verkliga applikationer av Qe i vår & ldkoordinära värld & rdquo:

Okodningsbara koder (kvantkommunikation)

I traditionell kryptografi använder en avsändare en nyckel för att koda information, och en mottagare använder den delade nyckeln mellan de två parterna för att avkoda meddelandet. I denna process är det dock svårt att ta bort risken för att en tredje part försöker lära sig information om nyckeln som upprättas och komprometterar kryptografin. Men eventuellt kan detta åtgärdas med hjälp av obrytbar kvantnyckeldistribution (QKD). I QKD skickas information om nyckeln via fotoner som har slumpmässigt polariserats. Detta begränsar foton så att det bara vibrerar i ett plan & # 8202 & mdash & # 8202 till exempel, upp och ner eller från vänster till höger. Mottagaren kan använda polariserade filter för att dechiffrera nyckeln och sedan använda en vald algoritm för att säkert kryptera ett meddelande. De hemliga uppgifterna skickas fortfarande över vanliga kommunikationskanaler, men ingen kan avkoda meddelandet om de inte har exakt kvantnyckel. Det är svårt eftersom kvantreglerna dikterar att & ldquoreading & rdquo de polariserade fotonerna alltid kommer att förändra deras tillstånd, och varje försök att avlyssna kommer att varna kommunikatörerna om ett säkerhetsbrott. Det största problemet med nuvarande QKD-teknik är att du bara kan skicka en foton cirka 100 kilometer ner en fiberoptisk kabel innan den är för svag för att tas emot. Efter det måste du & rsquove dekryptera och överföra det igen, vilket kräver en högsäkerhetsinstallation och lite dyrt kit. Den första banköverföringen med intrasslad QKD fortsatte i Österrike 2004.

Idag använder företag som BBN Technologies, Toshiba, ID Quantique och mycket mer QKD för att designa ultrasäkra nätverk. Kvantkryptografimarknad efter segmentering, stora aktörer, storlek, marknadsdynamik och prognos 2024 finns här.

Kvantdatorer (Quantum Computing)

Kvantberäkning är användningen av kvantfenomen som superposition och Qe för att utföra beräkning. Fältet för kvantberäkning är faktiskt ett underfält av kvantinformationsvetenskap, som inkluderar kvantkryptografi och kvantkommunikation. En standarddator kodar information som en sträng med binära siffror eller bitar. Kvantdatorer överladdar processorkraft eftersom de använder kvantbitar eller qubits, som finns i en överläge av stater, och tills de mäts kan dessa qubits vara både & ldquo1 & rdquo och & ldquo0 & rdquo samtidigt. Detta område är fortfarande under utveckling, men det har gått steg i rätt riktning. Från och med april 2019 har ingen stor skalbar kvantmaskinvara demonstrerats. Just nu finns det en ökande mängd investeringar i kvantberäkning av regeringar, etablerade företag och nystartade företag. Demonstration av kvantöverhöghet bedrivs aktivt både inom akademisk och industriell forskning. Kvantdatormarknaden förväntas växa från 93 miljoner dollar 2019 till 283 miljoner dollar år 2024.

Kvantberäkning används också för materialsimulering i olika branscher, såsom sjukvård, bil, underhållning, bank och finans och försvar. Företag som D-Wave Systems Inc. (Kanada), 1QB Information Technologies Inc. (Kanada) och QxBranch, LLC (USA) arbetar för att tillhandahålla en plattform för att förbättra tillgänglighet, användbarhet och tillgänglighet för kvantdatorer i materialet simuleringsapplikationer. QxBranch LLC (USA) har lanserats kvantberäkningssimulator för Commonwealth Bank of Australia en kvantsimulator skiljer sig från en dator. Simulatorer är utformade för att lösa en ekvation, för att lösa en annan ekvation krävs att man bygger ett nytt system, medan en dator kan lösa många olika ekvationer. Sådan utveckling förväntas driva tillväxten på marknaden för kvantdatorer för simuleringsapplikationen. Dessutom lanserade Atos SE (Frankrike) den kvantesimulator med högsta prestanda som heter Atos Quantum Learning Machine & rsquo (Atos QLM).

Kvantberäkning kan ha en potentiell inverkan på fintech med bearbetning och avveckling av transaktioner, med snabbare databehandling, med risk- och prestationsmodellering och bättre säkerhet. JP Morgan och Barclays har pratat med IBM & rsquos kvantdatorverktyg, enligt Wired, med tanke på framtiden för praktiska tillämpningar. Även om kvantdatorer inte är perfekta ännu, om de visar sig fungera som fintech-jättar hoppas det att det skulle innebära lägre energikostnader och kraftigt förbättrad prestanda i allt.

Kvantdatorer kan också hjälpa världen att hantera klimatförändring, ett av världens mest komplexa och svårförutsägbara fenomen. I själva verket samarbetade Exxon Mobil med IBM för att utforska applikationer inklusive prediktiv miljömodellering och teknik för koldioxidavskiljning. Daimler Mercedes-Benz använder också kvantberäkning för att testa nya typer av batterikemi för att förbättra elfordon. Och Dubai Electricity and Water Authority samarbetar med Microsoft för att optimera sitt energinät.

Farmaceutisk jätte Biogen samarbetade med konsultföretaget Accenture och start 1QBit på ett kvantberäkningsexperiment 2017 som syftar till molekylär modellering, en av de mer komplexa disciplinerna inom medicin. Målet: att hitta kandidatläkemedel för att behandla neurodegenerativa sjukdomar. Microsoft samarbetar med Case Western Reserve University för att förbättra noggrannheten hos MR-maskiner, som hjälper till att upptäcka cancer. Äntligen stor kemiska företag investerar aktivt i kvantberäkning.

Förbättrade mikroskop (Quantum Entanglement Microscopy)

År 2013 utvecklade ett forskargrupp vid Japan & rsquos Hokkaido University världen & rsquos första intrasslingsförstärkta mikroskop med en teknik som kallas differentiell interferenskontrastmikroskopi. Denna typ av mikroskop avfyrar två strålar av fotoner mot ett ämne och mäter störningsmönstret som skapas av de reflekterade strålarna. Att använda intrasslade fotoner ökar avsevärt mängden information som mikroskopet kan samla, eftersom mätning av en intrasslad foton ger information om sin partner. Hokkaido-teamet lyckades avbilda en graverad & ldquoQ & rdquo som stod bara 17 nanometer ovanför bakgrunden med oöverträffad skärpa. Kvantförtrasslingsmikroskop är en form av konfokaltyp differentiellt störande kontrastmikroskop. Information om storleken på den globala mikroskopiindustrin finns här.

Liknande tekniker kan användas för att förbättra upplösningen av astronomiverktyg som kallas interferometrar, som används i jakten på extrasolära planeter, för att undersöka närliggande stjärnor och för att söka efter krusningar i rymden kallas gravitationsvågor.

Biologiska kompasser (kvantbiologi)

Hur kan fåglar kunna uppfatta och följa något så svagt som jordens & rsquos magnetfält när de migrerar? & Hellip. Och den mest troliga förklaringen är: & ldquowmed magnetfältets effekt på intrångade molekyler av en kemikalie i fåglar & rsquo ögon som heter Cry4, eller kryptokrom & rdquo via den intrasslade radikala parmekanismen. Kryptokromer föreslogs faktiskt som & ldquomagnetic molekyler & rdquo som kunde rymma magnetiskt känsliga radikala par.

När en foton, en ljuspartikel, träffar en molekyl av kryptokrom i ett fågel & rsquos öga, slår den lös en elektron som sedan kan associeras med en andra molekyl. De två Cry 4-molekylerna har båda båda ett udda antal elektroner och de blir ett radikalt par. Eftersom båda dessa radikaler skapades samtidigt & mdashby som lossade elektron & # 8202 & mdash & # 8202 blir det radikala paret fastnat. Detta intrasslade tillstånd är extremt tillfälligt, och det kommer att överleva mer än 100 mikrosekunder. Men under den korta tiden kommer det radikala paret att vara i något av två stater. Forskare tror att magnetfältet Earth & rsquos påverkar mängden tid som molekylerna spenderar i något av tillstånden, och alla förändringar av varaktigheten av dessa tillstånd berättar på något sätt för fågeln var han / hon är. Den radikala parteorin är verkligen den bästa förklaringen för fåglar och rsquo-navigationssystem vi hittills har.

Dessutom är människokroppen ett konstant flöde av tusentals kemiska / biologiska interaktioner och processer som förbinder molekyler, celler, organ och vätskor genom hela hjärnan, kroppen och nervsystemet. Fram till nyligen trodde man att alla dessa interaktioner fungerade i en linjär sekvens och vidarebefordrade information ungefär som en löpare som skickade stafettpinnen till nästa löpare. De senaste fynden inom kvantbiologi och biofysik har dock upptäckt att det i själva verket finns en enorm grad av koherens inom alla levande system med Qe som förmodligen spelar en mycket viktig roll i oss alla. I själva verket är det möjligt att proteinkvartärarkitekturen kan ha utvecklats för att möjliggöra långvarig kvantförtrassling och koherens. Kvantbiologi är bara ett växande område och det mesta av den aktuella forskningen är teoretiskt och föremål för frågor som kräver ytterligare experiment.

Kärlek. Kvantfysik. Helt orelaterat och ändå konstigt parallellt.

The red thread of fate, fate, destiny and determinism are umpteenth examples of ancient believes, myths and philosophies that our ancestors have left behind for us, knowing somehow that one day we will be more &ldquotechnologically capable&rdquo of having a better understanding of life while &ldquonavigating&rdquo in the intersection between the quantum and the ordinary world. In the end, the quantum world is more about the &ldquomind&rdquo rather than the &ldquomatter&rdquo, while the ordinary world it should be more about &ldquolove&rdquo rather than the &ldquomatter&rdquo, but in the intersection of these two apparently different worlds is where mind, matter, and love collide. And probably in that intersection, all major technological advancements have somehow started. As William Blake said &mdash &ldquoWhat is now proved was once only imagined&rdquo.


Challenges

Of course, no SETI-related pitch would be complete without mentioning the possible challenges. For starters, there’s the matter of decoherence, where energy (and hence, information) is lost to the background environment. Where transmissions through interstellar space are concerned, the main issues are distance, free electrons (solar wind), interplanetary dust, and the interstellar medium – low-density clouds of dust and gas.

“As a baseline, the largest distance over which successful optical entanglement experiments have been performed on Earth is 144 km,” notes Hippke. Since the mass density of the Earth’s atmosphere is 1.2 kg m -3 , this means that a signal passing through a column 144 km (

90 mi) in length was dealing with a column density of 1.728×10 5 kg m -2 . In contrast, the column density between Earth and the nearest star (Proxima Centauri) is eight orders of magnitude lower (3×10 -8 kg m -2 ).

Another issue is the delay imposed by a relativistic Universe, which means that messages to even the closest star systems would take years. As a result, quantum computation is something that will be performed locally for the most part, and only condensed qubits will be transmitted between communication nodes. With this in mind, there are a few indications humanity could be on the lookout for in the coming years.


6. Without it the sun wouldn’t shine

The sun makes its energy through a process called nuclear fusion. It involves two protons — the positively charged particles in an atom — sticking together. However, their identical charges make them repel each other, just like two north poles of a magnet. Physicists call this the Coulomb barrier, and it’s like a wall between the two protons.

Think of protons as particles and they just collide with the wall and move apart: No fusion, no sunlight. Yet think of them as waves, and it’s a different story. When the wave’s crest reaches the wall, the leading edge has already made it through. The wave’s height represents where the proton is most likely to be. So although it is unlikely to be where the leading edge is, it is there sometimes. It’s as if the proton has burrowed through the barrier, and fusion occurs. Physicists call this effect "quantum tunneling".


Entanglement

One of the more famous fables in quantum mechanics is about poor Schrödinger's cat, who got stuck in an uncertain state: the feline was neither alive nor dead until someone opened the box to find out. Uncertainty is another one of the truly freaky features of quantum mechanics. In the real world, something can either be alive or dead in the quantum world, there's a third option in which the object's state hasn't yet been determined. To break the uncertainty, someone has to measure it (open the box) and force the object (cat) into one state (alive/dead).

Entangled particles also exist, initially, in an uncertain state. Particles can't be alive or dead, so instead think heads and tails. If you flip a coin 100 times, odds are it will come up heads close to 50 times and tails close to 50 times. If I then flip my own coin 100 times, there's a high probability the split will also be close to 50/50. But if our coins are entangled, then the outcome of your flip determines the outcome of my flip — perhaps our entanglement is such that every time you flip heads I flip tails. If we flip our coins enough times, our entanglement will begin to become obvious, because my outcome of my flip is no longer random, but determined by your flip, and the odds of my flipping tails every time you flip heads get lower and lower the more we flip.

That's sort of how scientists can measure entanglement. Instead of flipping a pair of coins over and over again, researchers measure the properties in many, many of pairs of entangled particles (entanglement can only be measured in a pair of particles once). But the scientists have to be sure that what they're seeing isn't just random chance.

A statement from the Massachusetts Institute of Technology (MIT) poses the question, "What if there were some other factors or hidden variables correlated with the experimental setup, making the results appear to be quantumly entangled, when in fact they were the result of some nonquantum mechanism?"

In other words, how can scientists be sure there's not some unseen factor affecting their experiments, and making it seem as though the examined particles are entangled, when in fact they are not?

A physicist named John Bell showed that if entanglement exists, then there must be a minimum degree of correlation between entangled particles when scientists measure them this is known as Bell's inequality or Bell's theorem.

In some entanglement experiments, the detector measures a property of light particles called polarity the detector must be oriented in one of two directions, and only photons polarized in the same direction (one of two possibilities) can pass through. In order to make sure that the detector is not somehow influenced by one of those mysterious forces that could corrupt the experiment, researchers will use random-number generators to determine the direction of the detector.

That random choice is made "in the split second between when the photon leaves the source and arrives at the detector," according to the MIT statement. "But there is a chance, however slight, that hidden variables, or nonquantum influences, may affect a random number generator before it relays its split-second decision to the photon detector,&rdquo the statement said.

This particular "loophole" in an experiment testing Bell's inequality is known as the "freedom-of-choice loophole." In 2014, a couple of scientists got together and came up with a new idea for how to avoid those possible influences, using starlight as the thing that randomly determines the direction of the detector. Now, those researchers have put their idea to the test. [How Quantum Entanglement Works (Infographic)]

"At the heart of quantum entanglement is the high degree of correlations in the outcomes of measurements on these pairs [of particles]," David Kaiser, professor of physics at MIT and co-author on the study, said in the statement. "But what if a skeptic or critic insisted these correlations weren't due to these particles acting in a fully quantum mechanical way? We want to address whether there is any other way that those correlations could have snuck in without our having noticed."


Light from ancient quasars helps confirm quantum entanglement

Images for download on the MIT News office website are made available to non-commercial entities, press and the general public under a Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives license. You may not alter the images provided, other than to crop them to size. A credit line must be used when reproducing images if one is not provided below, credit the images to "MIT."

Previous image Next image

Last year, physicists at MIT, the University of Vienna, and elsewhere provided strong support for quantum entanglement, the seemingly far-out idea that two particles, no matter how distant from each other in space and time, can be inextricably linked, in a way that defies the rules of classical physics.

Take, for instance, two particles sitting on opposite edges of the universe. If they are truly entangled, then according to the theory of quantum mechanics their physical properties should be related in such a way that any measurement made on one particle should instantly convey information about any future measurement outcome of the other particle — correlations that Einstein skeptically saw as “spooky action at a distance.”

In the 1960s, the physicist John Bell calculated a theoretical limit beyond which such correlations must have a quantum, rather than a classical, explanation.

But what if such correlations were the result not of quantum entanglement, but of some other hidden, classical explanation? Such “what-ifs” are known to physicists as loopholes to tests of Bell’s inequality, the most stubborn of which is the “freedom-of-choice” loophole: the possibility that some hidden, classical variable may influence the measurement that an experimenter chooses to perform on an entangled particle, making the outcome look quantumly correlated when in fact it isn’t.

Last February, the MIT team and their colleagues significantly constrained the freedom-of-choice loophole, by using 600-year-old starlight to decide what properties of two entangled photons to measure. Their experiment proved that, if a classical mechanism caused the correlations they observed, it would have to have been set in motion more than 600 years ago, before the stars’ light was first emitted and long before the actual experiment was even conceived.

Now, in a paper published today in Fysiska granskningsbrev, the same team has vastly extended the case for quantum entanglement and further restricted the options for the freedom-of-choice loophole. The researchers used distant quasars, one of which emitted its light 7.8 billion years ago and the other 12.2 billion years ago, to determine the measurements to be made on pairs of entangled photons. They found correlations among more than 30,000 pairs of photons, to a degree that far exceeded the limit that Bell originally calculated for a classically based mechanism.

“If some conspiracy is happening to simulate quantum mechanics by a mechanism that is actually classical, that mechanism would have had to begin its operations — somehow knowing exactly when, where, and how this experiment was going to be done — at least 7.8 billion years ago. That seems incredibly implausible, so we have very strong evidence that quantum mechanics is the right explanation,” says co-author Alan Guth, the Victor F. Weisskopf Professor of Physics at MIT.

“The Earth is about 4.5 billion years old, so any alternative mechanism — different from quantum mechanics — that might have produced our results by exploiting this loophole would’ve had to be in place long before even there was a planet Earth, let alone an MIT,” adds David Kaiser, the Germeshausen Professor of the History of Science and professor of physics at MIT. “So we’ve pushed any alternative explanations back to very early in cosmic history.”

Guth and Kaiser’s co-authors include Anton Zeilinger and members of his group at the Austrian Academy of Sciences and the University of Vienna, as well as physicists at Harvey Mudd College and the University of California at San Diego.

A decision, made billions of years ago

In 2014, Kaiser and two members of the current team, Jason Gallicchio and Andrew Friedman, proposed an experiment to produce entangled photons on Earth — a process that is fairly standard in studies of quantum mechanics. They planned to shoot each member of the entangled pair in opposite directions, toward light detectors that would also make a measurement of each photon using a polarizer. Researchers would measure the polarization, or orientation, of each incoming photon’s electric field, by setting the polarizer at various angles and observing whether the photons passed through — an outcome for each photon that researchers could compare to determine whether the particles showed the hallmark correlations predicted by quantum mechanics.

The team added a unique step to the proposed experiment, which was to use light from ancient, distant astronomical sources, such as stars and quasars, to determine the angle at which to set each respective polarizer. As each entangled photon was in flight, heading toward its detector at the speed of light, researchers would use a telescope located at each detector site to measure the wavelength of a quasar’s incoming light. If that light was redder than some reference wavelength, the polarizer would tilt at a certain angle to make a specific measurement of the incoming entangled photon — a measurement choice that was determined by the quasar. If the quasar’s light was bluer than the reference wavelength, the polarizer would tilt at a different angle, performing a different measurement of the entangled photon.

In their previous experiment, the team used small backyard telescopes to measure the light from stars as close as 600 light years away. In their new study, the researchers used much larger, more powerful telescopes to catch the incoming light from even more ancient, distant astrophysical sources: quasars whose light has been traveling toward the Earth for at least 7.8 billion years — objects that are incredibly far away and yet are so luminous that their light can be observed from Earth.

Tricky timing

On Jan. 11, 2018, “the clock had just ticked past midnight local time,” as Kaiser recalls, when about a dozen members of the team gathered on a mountaintop in the Canary Islands and began collecting data from two large, 4-meter-wide telescopes: the William Herschel Telescope and the Telescopio Nazionale Galileo, both situated on the same mountain and separated by about a kilometer.

One telescope focused on a particular quasar, while the other telescope looked at another quasar in a different patch of the night sky. Meanwhile, researchers at a station located between the two telescopes created pairs of entangled photons and beamed particles from each pair in opposite directions toward each telescope.

In the fraction of a second before each entangled photon reached its detector, the instrumentation determined whether a single photon arriving from the quasar was more red or blue, a measurement that then automatically adjusted the angle of a polarizer that ultimately received and detected the incoming entangled photon.

“The timing is very tricky,” Kaiser says. “Everything has to happen within very tight windows, updating every microsecond or so.”

Demystifying a mirage

The researchers ran their experiment twice, each for around 15 minutes and with two different pairs of quasars. For each run, they measured 17,663 and 12,420 pairs of entangled photons, respectively. Within hours of closing the telescope domes and looking through preliminary data, the team could tell there were strong correlations among the photon pairs, beyond the limit that Bell calculated, indicating that the photons were correlated in a quantum-mechanical manner.

Guth led a more detailed analysis to calculate the chance, however slight, that a classical mechanism might have produced the correlations the team observed.

He calculated that, for the best of the two runs, the probability that a mechanism based on classical physics could have achieved the observed correlation was about 10 to the minus 20 — that is, about one part in one hundred billion billion, “outrageously small,” Guth says. For comparison, researchers have estimated the probability that the discovery of the Higgs boson was just a chance fluke to be about one in a billion.

“We certainly made it unbelievably implausible that a local realistic theory could be underlying the physics of the universe,” Guth says.

And yet, there is still a small opening for the freedom-of-choice loophole. To limit it even further, the team is entertaining ideas of looking even further back in time, to use sources such as cosmic microwave background photons that were emitted as leftover radiation immediately following the Big Bang, though such experiments would present a host of new technical challenges.

“It is fun to think about new types of experiments we can design in the future, but for now, we are very pleased that we were able to address this particular loophole so dramatically. Our experiment with quasars puts extremely tight constraints on various alternatives to quantum mechanics. As strange as quantum mechanics may seem, it continues to match every experimental test we can devise,” Kaiser says.


The Real Reasons Quantum Entanglement Doesn't Allow Faster-Than-Light Communication

My colleague-in-blogging Ethan Siegel does a regular reader-request feature, and this week's edition drifts into my territory, answering a question about using quantum entanglement for faster-than-light communication. As I jokingly said on Twitter, Ethan's answer is pretty good for an astronomer, but there are bits of it I don't like. Not because he gives a wrong answer-- he correctly notes that it's not possible to use entangled particles to send messages faster than the speed of light-- but because there's a lot of subtle and complex stuff at work here. I've written about this before, but it's useful to poke at this a little more because the phrasing I dislike ties into some fairly deep stuff.

Schematic of the third Aspect experiment testing quantum non-locality. Entangled photons from the . [+] source are sent to two fast switches, that direct them to polarizing detectors. The switches change settings very rapidly, effectively changing the detector settings for the experiment while the photons are in flight. (Figure by Chad Orzel)

The basic scenario for entanglement-based communication looks like this: two people, traditionally named "Alice" and "Bob" share a pair of particles that can each be measured in one of two quantum states, which we'll call "0" and "1." These particles are prepared in an entangled state in which a measurement of the state of Alice's particle is correlated with the measured state of Bob's particle, no matter how far apart they are. That is, if Alice measures her particle in state 1 at precisely noon in Schenectady, she knows that Bob in Portland will also measure his particle to be in state 1, whether he's in Portland, Maine, Portland, Oregon, or Portland Station on one of the moons of Yavin.

This seems like a perfect mechanism for sending information over vast distances, as Ethan notes:

So now to Olivier’s question: could we use this property — quantum entanglement — to communicate from a distant star system to our own? The answer to that is yes, if you consider making a measurement at a distant location a form of communication. But when you say communicate, typically you want to know something about your destination. You could, for example, keep an entangled particle in an indeterminate state, send it aboard a spacecraft bound for the nearest star, and tell it to look for signs of a rocky planet in that star’s habitable zone. If you see one, make a measurement that forces the particle you have to be in the +1 state, and if you don’t see one, make a measurement that forces the particle you have to be in the -1 state.

This seems like a really obvious application, and in fact a bunch of people seized on this as a justification for ESP and various other schemes-- I recommend David Kaiser's How the Hippies Saved Physics for the fascinating history of this whole business. And, in fact, if the situation described above were possible-- if you could measure a particle's state in a way that forced a particular outcome-- you could absolutely send information this way. But you can't do that.

And this is the point where I don't quite agree with the way Ethan explains the situation. He writes:

It’s a brilliant plan, but there’s a problem: entanglement only works if you ask a particle, “what state are you in?” If you force an entangled particle into a particular state, you break the entanglement, and the measurement you make on Earth is completely independent of the measurement at the distant star. If you had simply measured the distant particle to be +1 or -1, then your measurement, here on Earth, of either -1 or +1 (respectively) would give you information about the particle located light years away. But by forcing that distant particle to be +1 or -1, that means, no matter the outcome, your particle here on Earth has a 50/50 shot of being +1 or -1, with no bearing on the particle so many light years distant.

There's a subtle shift here from the impossible operation that would allow FTL communication to a different sort of operation, and it deserves to be spelled out. That is, in the original statement, you "make a measurement that forces the particle" to be in a particular state, while in the second you "force an entangled particle into a particular state" which breaks the entanglement. Those are not the same thing, though-- one is a measurement, the other is a change of state followed by a measurement.

Image of a scheme for ion-trap quantum computing. From Monroe group at JQI: http://iontrap.umd.edu/

It helps to think about a concrete implementation of this to make the distinction clear. So, imagine Alice's particle is one of the trapped ions that people regularly use to do quantum information experiments, which can be in one of two internal states. If her particle starts in a superposition of equal parts "0" and "1," how would she go about forcing a definite measurement outcome, let's say "1"?

The answer is to do an operation that we would describe in words as "If you're in state 0, flip the state, otherwise leave it alone." For a trapped-ion system, this is done using lasers to drive a transition from state 0 to state 1 by way of a third state (the jargon term for this is a "Raman transition"). If you choose your states carefully, you can arrange it so that an atom in state 0 will absorb the laser and flip its state, but an atom in state 1 won't interact with the laser at all. This sort of selective absorption is how they distinguish between states 0 and 1 in real trapped-ion experiments (state 0 absorbs a laser photon then re-emits the light, and repeating this a few million times a second gives you a bright spot on a camera pointed at the trap holding the ion), and a two-particle variant of it is how you entangle ions in the first place (the operation is "If Ion A is in state 1, flip the state of Ion B," and you give it an input state where B is definitely in state 0 and A is in a superposition of 0 and 1).

If Alice does this on her particle, it does not, in fact, affect the state of Bob's particle in any way-- it's still in an indeterminate state that's a mix of 0 and 1. It breaks the correlation between the measurement results, though-- Alice's particle is no longer in a superposition, but only in state 1, so when Bob eventually makes a measurement that randomly picks 0 or 1, it doesn't necessarily match Alice's measurement, which is guaranteed to be 1.

It should be noted that the "breaking of entanglement" Ethan describes is actually a slightly tricky thing to do, requiring a fairly specific operation to make it work. You will sometimes hear people assert that entanglement is fragile, and that några disturbance of one of the particles will mess things up, but that's not true. In fact, there are a huge number of things you can do to change the state of one of the two particles without destroying the entangled nature of the system, provided you keep track of what you did to it and adjust your final measurements accordingly. (I have a blog post and an arxiv preprint discussing this in more detail. ) The impossibility of keeping track of all the ways entangled states get shifted is crucial to (the way I think about) the process of "decoherence" that plays a key role in (the way I think about) the "Many-Worlds" interpretation of quantum physics, which is what I was hinting at when I said this gets into some deep stuff, though this post is already running long, so I won't try to explain here.

Crucially, though, this is not the sort of thing that people talk about doing when they talk about using entanglement for faster-than-light communication. What they want is a measurement procedure that forces a particular outcome. That is, they want Alice to use some woo-woo mystical process to ask her particle "What is your state?" and make it come out to be 1, thus instantaneously forcing Bob's particle into state 1 as well. If such a procedure existed, you could, in fact, exploit it to send messages (with disastrous consequences for causality) fortunately, God plays dice with the universe, and the results of a quantum measurement are unavoidably random. Which means that while Alice and Bob end up with measurements that are perfectly correlated, no information passes between them. They can only see the correlation when they get back together and compare lists, and they have to do that at or below the speed of light.

(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)

It should also be noted that the version of entanglement-based communication Ethan describes is a particularly naive sort that even fringe physicists mostly reject. A more plausible scheme for actually doing this would be to use different measurement bases to send information. That is, rather than "force the state to be 1 to send Bob a 1," Alice would ask two different questions of her particle. If she wants to send Bob a 1, she would make a measurement asking "Are you in 0 or 1?," but if she wants to send a 0 she makes a measurement asking "Are you in '0+1' or '0-1'?" The latter operation puts Bob's particle into the corresponding state, which has a 50% chance of returning either 0 or 1 for his measurement. So all Bob has to do is measure that probability distribution for each particle-- if it's either 0 or 1 with 100% probability, he knows Alice is sending a 1, and if it's 50% of each, she's sending a 0.

That scheme doesn't work either, for a more subtle reason. The problem is that you can't determine a probability distribution from a single measurement of "0" or "1," so Bob would need to make a lot of copies of the state of his particle in order to distinguish Alice's message. But there's a very deep result (that Kaiser's book claims was directly inspired by these FTL communication schemes) known as the "no-cloning theorem" showing that this is impossible-- you can't make faithful copies of a quantum state unless you already know what it is. There's no way for Bob to unambiguously determine which measurement Alice made, so you're back in the scenario where Alice and Bob each have random strings of 1's and 0's that only turn out to be perfectly correlated later on, when they get back together and compare. Quantum randomness saves the day.

So, as I said, the whole business is subtle and complicated. The end result is always the same, though: While it's one of the weirdest and coolest phenomena in physics, there is no way to use quantum entanglement to send messages faster than the speed of light.