Kat in ’t bakkie?

[physicalattraction]

 
Laten we dan eerst maar eens het eenvoudiger geval van een baksteen in plaats van een kat bekijken. We leggen een baksteen in een kastje en vragen ons dan af of er kwantummechanisch gesproken even later een kans ongelijk nul is dat die baksteen buiten het kastje wordt aangetroffen.

 
In theorie is die kans er wel. Ik heb alleen het gevoel dat als je de kans uitrekent dat je de baksteen inderdaad buiten het kastje aantreft zo klein is, dat dit in praktijk nooit voorkomt. Met nooit bedoel ik hier: de kans dat in de levensduur van het universum en met de hoeveelheid materie in het universum de kans dat dit ooit is opgetreden met een stuk massa van die afmetingen klein is. Ik heb echter geen specifieke berekening hiervoor klaarliggen.

[megabon]

Heeft het met tijd te maken? De baksteen was wel eens buiten het bakkie en dan er in.

Maar het is gewoon tijds afhankelijk

[megabon]

Ik denk nu ook aan kracht door wie of door wat geraakt de steen in het bakje?

[Boormeester]

De mens legt de steen in het bakje en de steen komt er nooit uit zichzelf uit, dat weet iedereen met gezond verstand. De huidige kwantum mechanica is niet voor niets onverenigbaar met de AR van Einstein. Het experiment met verstrengeling toont juist aan dat de huidige kwantum mechanica een verkeerde interpretatie heeft.
Men komt met 'vreemde verklaringen' dat als bijv. de spin van een verstrengeld deeltje gemeten wordt het andere verstrengelde deeltje dan info krijgt van het 'gemeten' deeltje om dan maar de tegengestelde spin als waarde aan te nemen en dat gebeurt dan zogenaamd met een oneindige snelheid.
Behoudswetten geven een verstrengeld deeltje bijv. aan de spin een bepaalde waarde en deze veranderd niet zolang het verstrengelde deeltje geen wisselwerking met een ander deeltje aangaat. Het complementaire verstrengelde deeltje heeft dan een tegengestelde spin. Behoudswetten heten niet voor niets behoudswetten. Het experiment van verstrengeling geeft aan dat spin helemaal geen superpositie is van 2 verschillende kwantumtoestanden maar bewijst dat een deeltje gewoon een vaste bepaalde waarde heeft voor de spin die het gekregen heeft in het proces van verstrengeling.
Hetzelfde geldt voor de kat: zodra iemand de kat in het bakje stopt blijft hij er altijd inzitten totdat iemand (of de kat zelf) het deurtje opent en hij eruit kan lopen.

[Professor Puntje]

Niet erg sterk Boormeester. Je verhaal berust op de drogreden dat je het onvoorstelbaar vindt dat het zo is, en dat het dus ook niet kan.
 
Hier nog iets "onvoorstelbaars" dat wel degelijk gebeurt: https://nl.wikipedia.org/wiki/Tunneleffect

[Boormeester]

Het tunneleffect is helemaal niet onvoorstelbaar. Bij de microscoop en tunneldiode is er gewoon een potentiaal verschil. En het verval van alfa deeltjes kan ook verklaard worden door een botsing met donkere materie deeltjes zoals neutrino's. 

[Professor Puntje]

Het tunneleffect is helemaal niet onvoorstelbaar. Bij de microscoop en tunneldiode is er gewoon een potentiaal verschil.

 
Dan heb je het niet begrepen: de betreffende deeltjes hebben klassiek gesproken niet genoeg energie om die potentiaal barrière te nemen, en toch zijn er deeltjes die dat lukt.

[Boormeester]

Er is energie spreiding en, potentiaal verschil anders kan je geen stroom meten.

[Boormeester]

Trouwens wat zijn de theoretische gronden dat een golffunctie de potentiaal barriere wel zou kunnen passeren? of is dat een postulaat?

[Michel Uphoff]

Even terug naar de oorspronkelijke vraag (discussies over de juistheid van de kwantummechanica zijn hier al genoeg gevoerd):

 

Toen ik vorig jaar bij Qutech, het lab van Leo Kouwenhoven, was werd mij gewezen op decoherentie. Ze hadden daar de grootste moeite hun microscopische preparaten voldoende lang vrij te houden van interacties met de omgeving (waardoor de golffunctie in zou storten). Voor een enkele Qubit is een complexe machine van een half miljoen nodig. Bij macroscopische objecten is het gewoonweg ondoenlijk om die vrij te houden van invloeden en derhalve vertonen ze geen kwantumgedrag.

 

(KLIK)

The modern view of quantum mechanics states that Schrodinger's cat, or any macroscopic object, does not exist as superpositions of existence due to decoherence. A pristine wave function is coherent, i.e. undisturbed by observation. But Schrodinger's cat is not a pristine wave function, its is constantly interacting with other objects, such as air molecules in the box, or the box itself. Thus a macroscopic object becomes decoherent by many atomic interactions with its surrounding environment.

Decoherence explains why we do not routinely see quantum superpositions in the world around us. It is not because quantum mechanics intrinsically stops working for objects larger than some magic size. Instead, macroscopic objects such as cats and cards are almost impossible to keep isolated to the extent needed to prevent decoherence. Microscopic objects, in contrast, are more easily isolated from their surroundings so that they retain their quantum secrets and quantum behavior.

[Boormeester]

Was voor 14 dagen  op een rally door noord spanje en noord portugal. Vandaar even geen reactie.
Klein vraagje voor Michel: als aan bijv. een verstrengeld elektron een meting van de spin wordt gedaan en er komt bijv. +1/2 uit. Is dan na die meting het weer mogelijk om bij een volgende meting dan bijv. een spin - 1/2 te meten? Het elektron heeft na de eerste meting geen wisselwerking gehad met enig ander deeltje.

[Michel Uphoff]

Ik ben geen echte kenner op dit vlak, maar zonder enige interactie met de omgeving lijkt mij dat niet mogelijk.
 
Ook de zogenoemde 'Spontaneous spin flip' die de beroemde 21 cm waterstoflijn (klik) veroorzaakt is m.i. niet echt spontaan, maar het gevolg van interacties. Een waterstofatoom bestaande uit een elektron en een proton kan door interacties met de omgeving een elektron met 'opgelijnde' spin krijgen waardoor het atoom een hoger energieniveau krijgt dan hetzelfde atoom met tegengestelde spin van het elektron. Na zeer lange tijd kan het elektron spontaan weer terugkeren naar de grondtoestand, waarbij het energieverschil in de vorm van het bekende 21 cm foton wordt uitgezonden. Hier hebben we het echter over een atoom, niet over een enkel en geïsoleerd elektron.
 
Maar als er sprake is van een volledig geïsoleerd elektron, zie ik niet hoe die van spin zou kunnen veranderen. Overigens is na het vaststellen van de spin van het elektron de golffunctie ingestort, en de verstrengeling verdwenen.

[Boormeester]

Je hebt gelijk dat de 21 cm straling geldt voor het waterstofatoom. Een vrij elektron heeft volgens de huidige kwantummechanica een gelijke kans op spin omhoog of spin omlaag. Pas als je meet weet je wat voor waarde de spin heeft (dit is normaal). Voor een verstrengeld elektron heeft zijn tegenpool dan de tegengestelde spin. Dit volgt uit het proces van verstrengeling (behoudswetten). Alleen weet je niet welk elektron van de 2 bijv. een spin omhoog heeft.
Dat weet je pas als je een van de 2 meet.
Echter de huidige kwantummechanica beweert dat beide elektronen in een staat van superpositie verkeren en eigenlijk beide elektronen dus een spin up kunnen hebben op hetzelfde moment. Pas als je meet weet je welk elektron in een spin up verkeert. Als het andere verstrengelde elektron dan toevallig ook in een spin up verkeert dan moet het razendsnel veranderen naar een spin omlaag toestand om verstrengeld te blijven. Deze informatie overdracht zou dan met een oneindige snelheid geschieden. Naar mijn overtuiging grote nonsens, maar het is de huidige opvatting. Als de trein eenmaal rolt is hij moeilijk te stoppen.
Vreemd genoeg beweert men dat na de meting de golffunctie is ingestort en de spin een vaste waarde heeft. Iets wat jij bevestigt. Dus na de meting is het vrije elektron nog steeds vrij maar verkeert in een vaste spin toestand. Het proces van verstrengeling is in feite ook een meting (wisselwerking) maar na de  verstrengeling beweert men dan opeens dat het elektron in een superpositie verkeert en in feite niet weet wat voor spin toestand hij moet kiezen. Pas na de meting weet hij het. Erg vreemd allemaal.

[Michel Uphoff]

Erg vreemd allemaal.

 
Ja, vreemd is het.
 
Maar... Waarom zou de natuur zich moeten houden aan de beperkingen van een stel omhoog gevallen apenhersenen? Het komt over als onlogisch, onbegrijpelijk, maar de metingen bevestigen de juistheid keer op keer. De bruikbaarheid van de kwantummechanica staat als een huis overeind.
 
Overigens is het bij superpositie niet zo dat bijvoorbeeld een verstrengeld elektron razendsnel van spin moet veranderen zoals jij stelt. Superpositie houdt in dat het elektron, zolang niet gemeten, beide toestanden heeft. Zo is ook een qubit (kwantumbit) 0 en 1 tegelijk. In de kwantummechanica kan een deeltje op hetzelfde moment eigenschappen verenigen die elkaar in de ons vertrouwde macrowereld uitsluiten. Erg onlogisch, maar in de kwantumwereld niet. 
 
John Archibald Wheeler: If you are not completely confused by quantum mechanics, you do not understand it.
 
Off topic, maar om wat inzicht te krijgen in een reële toepassing van kwantummechanica het volgende: Praktisch is er nog een behoorlijke weg te gaan tot we daadwerkelijk gebruik kunnen maken van bijvoorbeeld iets als een kwantumcomputer.
Is en blijft een groep qubits lang genoeg verstrengeld, bijvoorbeeld 5 stuks dan kan een kwantumcomputer die hieruit opgebouwd is 2⁵ bewerkingen simultaan doen, en zou je een computer kunnen bouwen die 'slechts' 300 qubits met elkaar verstrengeld heeft, dan kan je er simultaan 2³⁰⁰ bewerkingen mee uitvoeren, dat zijn meer simultane bewerkingen dan er atomen zijn in het waarneembare heelal.
 
Zo'n computer zal m.i. nog een tijd science fiction blijven, vooral vanwege de bij zoveel qubits vrijwel onbeheersbare decoherentie. Kortgeleden kwam Qutech in het nieuws omdat ze een mijlpaal bereikt hadden; het sneller verstrengelen van twee deeltjes dan het verlies van verstrengeling. (Al eerder hebben ze daar bewezen dat ze verstrengeling tot op meer dan een kilometer afstand hadden gerealiseerd). Tot voor kort duurde het ongeveer een uur voordat men daar twee verstrengelde deeltjes kon creëren, terwijl die verstrengeling in een fractie van een seconde weer verdween. Nu is men daar in staat om tot 40 keer per seconde zo'n verstrengeling tot stand te brengen (on demand noemen ze dat) en dat opent de mogelijkheid om routineus een ander verstrengeld paar aan de eerste verstrengeling deel te laten nemen (een soort van super- superpositie) en dat is zoals ik hierboven aangaf nodig voor de succesvolle werking van een kwantumcomputer. Maar de decoherentie blijft een enorme pain in the ass. Feit is dat er meer controle qubits nodig zijn (ik dacht een factor 8) dan qubits die feitelijk rekenen om het systeem voldoende fouttolerant te krijgen, want altijd gaat er wel ergens een verstrengeling verloren. De handvol qubits die men nu simultaan kan verstrengelen is echt nog te weinig.
 
Zoals je in een vorig bericht kon lezen is er voor het zeer kort in stand houden van één qubit nu nog een machine nodig (een complex meertraps koelsysteem) dat een half miljoen kost, en een paar meter groot is. Hier een foto die ik maakte van het onderste deel van zo'n toestel toen het openstond bij Qutech:
 

qubit 1744 keer bekeken

Een 'houder' voor 1 qubit
 
Qutech en Intel zijn bezig de mogelijkheden te onderzoeken om qubits op een chip te realiseren in de vorm van zo volkomen mogelijk geïsoleerde (nogal logisch..) elektronen in een cel. Helaas ben ik de details ervan inmiddels vergeten. Enkele optimisten bij Qutech stellen dat het binnen 3 jaar zo ver is dat de eerste werkende, waarschijnlijk nog zeer bescheiden, kwantumcomputer het levenslicht ziet, anderen houden het op 10 jaar of wellicht wat langer.
 
Bij Qutech kan je er meer over lezen.

[mathfreak]

John Archibald Wheeler: If you are not completely confused by quantum mechanics, you do not understand it.

Ik meen dat Niels Bohr eens dezelfde uitspraak gedaan heeft.