การพัวพันเชิงควอนตัม

กระบวนการ Spontaneous parametric down-conversion สามารถแยกกลุ่มโฟตอน (photon) เป็นคู่โฟตอนชนิด II ด้วยการทำ mutually perpendicular polarization

การพัวพันเชิงควอนตัม (อังกฤษ: Quantum Entanglement) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคู่หรือกลุ่มของอนุภาค (particles) ได้ถูกสร้างหรือทำปฏิกิริยาในเชิงของสถานะควอนตัม (quantum state) สถานะควอนตัมของแต่ละอนุภาคไม่สามารถอธิบายได้ว่าจะเป็นไปโดยอิสระจากอนุภาคอื่นๆ แม้ว่าอนุภาคเหล่านั้นจะถูกแยกออกในระยะห่างที่มาก ดังนั้นสถานะควอนตัมจำเป็นต้องอธิบายเป็นลักษณะของทั้งระบบ

การวัดคุณสมบัติ เช่น ตำแหน่ง โมเมนตัม การหมุน และขั้ว (polarization) จะถูกทำบนกลุ่มอนุภาคพัวพัน (entangled particles) ซึ่งจะถูกพบโดยคาดคะเนว่ามีความเกี่ยวเนื่องกัน ยกตัวอย่างเช่น ถ้าคู่ของอนุภาคถูกสร้างขึ้นโดยผลรวมการหมุนทั้งหมดเท่ากับศูนย์ และอนุภาคหนึ่งถูบพบว่ามีการหมุนตามเข็นนาฬิกาบนแกนหนึ่งๆ การหมุนของอีกอนุภาคบนแกนนั้นจะถูกพบว่าหมุนไปทางทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งคาดคะเนว่าอนุภาคเหล่านี้มีความพัวพัน (entanglement) อย่างไรก็ตามพฤติกรรมนี้ยังให้ผลที่ขัดแย้งกัน (paradoxical effects) การวัดคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่งๆ สามารถสังเกตได้จากพฤติการของอนุภาคนั้น (เช่น โดยการลดจำนวนของสถานะ superposed state) และจะเปลี่ยนสถานะควอนตัมเริ่มต้นโดยจำนวนที่ไม่ระบุแน่ชัด และในกรณีของอนุภาคพัวพัน การวัดจะวางอยู่บนระบบพัวพัน (entangled system) ทั้งระบบ เป็นผลให้การวัดคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่งของคู่อนุภาคพัวพันจะทำให้รู้ถึงคุณสมบัติของอีกอนุภาคหนึ่งได้ ถึงแม้ว่าจะไม่มีข้อมูลว่าอนุภาคเหล่านี้มีการสื่อสารกันได้อย่างไร โดยที่เวลาในการวัดอาจถูกแยกโดยระยะทางที่มากอย่างไม่มีกฎเกณฑ์

ปรากฏการณ์เหล่านี้ได้มีการถูกบันทึกในงานวิจัยปี 1935 ของกลุ่ม Albert Einstein, Boris Podolsky และ Nathan Rosen และงานวิจัยอีกหลายฉบับของ Erwin Schrödinger ไม่นานหลังจากนั้น อธิบายถึงการเป็นที่รู้จักของกลุ่ม EPR paradox โดย Einstein และคนอื่นๆ ได้ทำการศึกษาพฤติกรรมที่เป็นไปไม่ได้ (impossible) ซึ่งเป็นการหักล้างกับความรู้แบบดั้งเดิม (local realist) โดยสิ้นเชิง (Einstein กำลังอ้างถึงการกระทำเหนือธรรมชาติ (spooky) ที่ระยะทางหนึ่ง) และแย้งว่าสมการของกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ที่เป็นที่ยอมรับอยู่แล้วยังไม่เสร็จสิ้น อย่างไรก็ตามหลังจากนั้นการคาดการณ์โดยสัญชาตญาณ (counter-intuitive prediction) เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการตรวจสอบทางห้องปฏิบัติการไปแล้ว การทดลองเกิดขึ้นโดยอาศัยการวัดเชิงมุม (polarization) หรือการหมุนของอนุภาคพัวพันในทิศทางต่างกันไป โดยสวนทางกับทฤษฎีบทของเบลล์ (Bell's inequality) การทดลองแสดงให้เห็นเป็นเชิงสถิติว่าความรู้แบบเดิมนั้นไม่มีความถูกต้อง แม้ว่าการวัดจะเร็วกว่าแสงที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ที่ทำการวัดก็ตาม ไม่มีอิทธิพลที่ความเร็วแสง (light speed) หรือช้ากว่าใดๆ ที่จะสามารถวิ่งผ่านระหว่างอนุภาคพัวพันนี้ได้ การทดลองไม่นานมานี้ได้ทำการวัดอนุภาคพัวพันที่เวลาน้อยกว่า 10000 เปอร์เซ็นต์ของเวลาที่แสงเคลื่อนที่ระหว่างอนุภาคกลุ่มนั้น เมื่ออ้างถึงทฤษฎีควอนตัมที่เป็นทางการ ผลจากการทดลองเกิดขึ้นอย่างเฉียบพลัน ซึ่งเป็นไม่มีความเป็นไปได้ อย่างไรก็ตามเราสามารถใช้ผลการทดลองนี้ในการส่งข้อมูลที่มีความเร็วเหนือแสง (faster-than-light speeds) ได้ (ดูหัวข้อ Faster-than-light § Quantum mechanics)

ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์ถือเป็นหัวข้อที่เหล่านักฟิสิกส์ทำการศึกษาวิจัยกันอย่างเข้มข้น ผลลัพธ์ถูกแสดงในรูปการทดลองด้วยโฟตอน (photon), นิวทริโน (neutrinos), อิเล็กตรอน (electron), โมเลกุลของบักกี้บอลส์ (buckyballs) หรือแม้กระทั่งเพชรขนาดเล็ก งานวิจัยยังให้ความสนใจในการประยุกต์ใช้ในวงการสื่อสารและคอมพิวเตอร์อีกด้วย

ประวัติ

พาดหัวข่าวหนังสือพิมพ์ New York Times ในวันที่ 4 เมษายน 1935 กล่าวถึงการมาของงานวิจัยของกลุ่ม EPR

สมมติฐานของกลศาสตร์ควอนตัมเกี่ยวกับระบบที่มีความสัมพันธ์อย่างมากถูกนำมาอภิปรายโดย Albert Einstein ในปี 1935 ในงานวิจัยร่วมกับ Boris Podolsky และ Nathan Rosen ในการวิจัยนั้นพวกเขาได้ก่อตั้งแนวคิด EPR paradox (Einstein, Podolsky, Rosen paradox) ที่ว่าการทดลองที่พยายามจะแสดงว่าทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมยังไม่เสร็จสิ้นสมบูรณ์ พวกเขาเขียนไว้ว่า "We are thus forced to conclude that the quantum-mechanical description of physical reality given by wave functions is not complete."