1920. gadsimta XNUMX. gados kvantu mehānika, teorija, kas ir pamatā visam, sākot no atomu uzvedības līdz kvantu datoru darbībai, bija ceļā uz plašu atzinību. Bet palika viens noslēpums: dažreiz kvantu objekti, piemēram, elektroni, atomi un molekulas, uzvedas kā daļiņas, citi kā viļņi. Dažreiz viņi pat uzvedas kā daļiņas un viļņi vienlaikus. Tāpēc, pētot šos kvantu objektus, nekad nebija skaidrs, kāda pieeja zinātniekiem būtu jāizmanto savos aprēķinos.
Dažreiz zinātniekiem bija jāpieņem, ka kvantu objekti ir viļņi, lai iegūtu pareizo rezultātu. Citos gadījumos viņiem bija jāpieņem, ka objekti patiesībā bija daļiņas. Dažreiz darbojās jebkura pieeja. Bet citos gadījumos tikai viena pieeja deva pareizo rezultātu, bet otra sniedza viltus rezultātu. Šīs problēmas vēsture sniedzas senā pagātnē, taču nesenie eksperimenti ir radījuši jaunu gaismu šim vecajam jautājumam.
Kvantu vēsture
Tā paša nosaukuma eksperimentā ar dubulto spraugu, ko pirmo reizi veica Tomass Jangs 1801. gadā, gaisma darbojās kā viļņi. Šajā eksperimentā lāzera stars tiek novirzīts uz dubultu spraugu, un pēc tam tiek apskatīts iegūtais modelis. Ja gaisma sastāvētu no daļiņām, varētu sagaidīt divus spraugas formas gaismas blokus. Tā vietā rezultāts ir daudzi mazi gaismas bloki, kas sakārtoti raksturīgā veidā. Divkāršas spraugas ievietošana ūdens straumē radītu tādu pašu zīmējumu tieši zemāk. Tātad šis eksperiments noveda pie secinājuma, ka gaisma ir vilnis.
Tad 1881. gadā Heinrihs Hercs izdarīja smieklīgu atklājumu. Kad viņš paņēma divus elektrodus un pielika starp tiem pietiekami augstu spriegumu, parādījās dzirksteles. Tas ir normāli. Bet, kad Hertz apgaismoja šos elektrodus, dzirksteles spriegums mainījās. Tas tika skaidrots ar to, ka gaisma izsita elektronus no elektroda materiāla. Bet dīvainā kārtā izmesto elektronu maksimālais ātrums nemainījās, mainoties gaismas intensitātei, bet gan mainījās līdz ar gaismas frekvenci. Šis rezultāts būtu neiespējams, ja viļņu teorija būtu patiesa. 1905. gadā Albertam Einšteinam bija risinājums: gaisma patiesībā bija daļiņa. Tas viss bija neapmierinošs. Zinātnieki dod priekšroku vienai teorijai, kas vienmēr ir patiesa, nevis divām teorijām, kuras dažreiz ir patiesas. Un, ja kāda teorija ir patiesa tikai dažkārt, tad mēs vismaz gribētu pateikt, kādos apstākļos tā ir patiesa.
Bet tieši tā bija šī atklājuma problēma. Fiziķi nezināja, kad gaismu vai kādu citu objektu uzskatīt par vilni un kad par daļiņu. Viņi zināja, ka dažas lietas izraisa viļņveidīgu uzvedību, piemēram, spraugu malas. Bet viņiem nebija skaidra skaidrojuma, kāpēc tas tā ir, vai kad izmantot kādu teoriju.
Šo mīklu sauc korpuskulāro viļņu duālisms, joprojām ir saglabāts. Bet jauns pētījums var nedaudz izskaidrot situāciju. Korejas Pamatzinātņu institūta zinātnieki ir pierādījuši, ka gaismas avota īpašības ietekmē to, cik lielā mērā tā ir daļiņa un cik vilnis. Izmantojot jaunu pieeju šīs problēmas izpētei, viņi ir pavēruši ceļu, kas var pat novest pie uzlabojumiem kvantu skaitļošanā. Vai arī tādas cerības.
Interesanti arī: Google kvantu procesori aizņem laika kristālus, kas pārsniedz teoriju
Kā izveidot daļiņas un viļņus
Eksperimentā zinātnieki izmantoja daļēji atstarojošu spoguli, lai sadalītu lāzera staru divās daļās. Katrs no šiem stariem ietriecas kristālā, kas savukārt rada divus fotonus. Kopumā tiek izstaroti četri fotoni, divi no katra kristāla.
Zinātnieki interferometrā nosūtīja vienu fotonu no katra kristāla. Šī ierīce apvieno divus gaismas avotus un rada traucējumu modeli. Šo modeli pirmo reizi atklāja Tomass Jangs savā iepriekš minētajā divu spraugu eksperimentā. Tas ir arī tas, ko redzat, iemetot dīķī divus akmeņus: ūdens viļņi, no kuriem daži pastiprina viens otru, bet citi neitralizē. Citiem vārdiem sakot, interferometrs nosaka gaismas viļņu raksturu.
Pārējo divu fotonu ceļi tika izmantoti, lai noteiktu to korpuskulārās īpašības. Lai gan darba autori neprecizēja, kā viņi to izdarīja, parasti tas tiek darīts, izlaižot fotonu caur materiālu, kas parāda, kur fotons aizgāja. Piemēram, jūs varat izšaut fotonu caur gāzi, kas pēc tam aizdegsies vietā, kur fotons ir pagājis. Koncentrējoties uz trajektoriju, nevis galamērķi, fotons var būt vilnis. Tas ir tāpēc, ka, izmērot precīzu fotona atrašanās vietu katrā laika brīdī, tas ir punktveida un nevar trāpīt pats.
Šis ir viens no daudzajiem piemēriem kvantu fizikā, kur mērījums aktīvi ietekmē minētā mērījuma iznākumu. Tāpēc šajā eksperimenta daļā fotonu trajektorijas beigās nebija traucējumu modeļa. Tādējādi pētnieki noskaidroja, kā fotons var būt daļiņa. Tagad izaicinājums bija kvantitatīvi noteikt, cik daudz no šīs bija daļiņas un cik daudz palika no viļņa rakstura.
Tā kā abi viena kristāla fotoni tiek ražoti kopā, tie veido vienu kvantu stāvokli. Tas nozīmē, ka ir iespējams atrast matemātisko formulu, kas apraksta abus šos fotonus vienlaicīgi. Rezultātā, ja pētnieki var kvantitatīvi noteikt, cik spēcīga ir divu fotonu "daļējā daļa" un "viļņa garums", šo kvantitatīvo noteikšanu var attiecināt uz visu staru, kas sasniedz kristālu.
Patiešām, pētniekiem tas izdevās. Viņi mērīja, cik viļņots bija fotons, pārbaudot traucējumu modeļa redzamību. Kad redzamība bija augsta, fotons bija ļoti viļņveidīgs. Kad raksts bija tik tikko pamanāms, viņi secināja, ka fotonam ir jābūt ļoti līdzīgam daļiņai.
Un šī redzamība bija nejauša. Tas bija visaugstākais, kad abi kristāli saņēma vienādu lāzera stara intensitāti. Tomēr, ja stars no viena kristāla bija daudz intensīvāks par otru, modeļa redzamība kļuva ļoti vāja, un fotoni, visticamāk, izskatījās pēc daļiņām.
Šis rezultāts ir pārsteidzošs, jo lielākajā daļā eksperimentu gaismu mēra tikai viļņu vai daļiņu veidā. Šodien vairākos eksperimentos abi parametri tika mērīti vienlaicīgi. Tas nozīmē, ka ir viegli noteikt, cik daudz gaismas avota katras īpašības ir.
Interesanti arī: QuTech palaiž pārlūkprogrammu kvantu internetam
Teorētiskie fiziķi ir sajūsmā
Šis rezultāts atbilst teorētiķu iepriekš izteiktajai prognozei. Saskaņā ar viņu teoriju, cik viļņveidīgs un korpuskulārs ir kvantu objekts, ir atkarīgs no avota tīrības. Tīrība šajā kontekstā ir tikai izdomāts veids, kā izteikt varbūtību, ka kāds konkrēts kristāliskais avots būs tas, kas izstaro gaismu. Formula ir šāda: V2 + P2 = µ2, kur V ir virziena modeļa redzamība, P ir ceļa redzamība un µ ir avota tīrība.
Tas nozīmē, ka kvantu objekts, piemēram, gaisma, zināmā mērā var būt līdzīgs viļņam un zināmā mērā līdzīgs daļiņai, taču to ierobežo avota tīrība. Kvantu objekts ir viļņveidīgs, ja ir redzams traucējumu modelis vai ja V vērtība nav vienāda ar nulli. Tas ir arī daļiņām līdzīgs, ja ceļš ir novērojams vai ja P nav nulle.
Citas šīs prognozes sekas ir tādas, ka tīrība ir tāda, ka, ja kvantu ceļa sapīšanās ir augsta, tīrība ir zema un otrādi. Zinātnieki, kas veica eksperimentu, to matemātiski parādīja savā darbā. Noregulējot kristālu tīrību un izmērot rezultātus, viņi varēja parādīt, ka šīs teorētiskās prognozes patiešām bija pareizas.
Interesanti arī: NASA palaidīs kvantu datorus, lai apstrādātu un uzglabātu datu "kalnus".
Ātrāki kvantu datori?
Īpaši interesanta ir saikne starp kvantu objekta sapinšanos un tā korpuskularitāti un viļņainību. Kvantu ierīces, kas varētu darbināt kvantu internetu, ir balstītas uz sapīšanu. Kvantu internets ir kvantu līdzība tam, ko internets ir paredzēts klasiskajiem datoriem. Savienojot kopā daudzus kvantu datorus un ļaujot tiem dalīties ar datiem, zinātnieki cer iegūt vairāk jaudas, nekā varētu sasniegt ar vienu kvantu datoru.
Taču tā vietā, lai sūtītu bitus pa optisko šķiedru, ko mēs darām, lai darbinātu klasisko internetu, mums ir jāsavieno kubiti, lai izveidotu kvantu internetu. Spēja izmērīt daļiņas samezglošanos un fotona viļņošanos nozīmē, ka mēs varam atrast vienkāršākus veidus, kā kontrolēt kvantu interneta kvalitāti.
Turklāt paši kvantu datori var kļūt labāki, izmantojot daļiņu-viļņu duālismu. Saskaņā ar Ķīnas Tsinghua universitātes pētnieku ierosinājumu ir iespējams palaist nelielu kvantu datoru caur vairāku spraugu režģi, lai palielinātu tā jaudu. Neliels kvantu dators sastāvētu no dažiem atomiem, kas paši tiek izmantoti kā kubiti, un šādas ierīces jau pastāv.
Šo atomu izlaišana caur daudzšķautņu režģi ir ļoti līdzīga gaismas izlaišanai caur dubulto spraugu, lai gan, protams, nedaudz sarežģītāka. Tas radīs vairāk iespējamo kvantu stāvokļu, kas, savukārt, palielinās "izdedzinātā" datora jaudu. Matemātika ir pārāk sarežģīta, lai to izskaidrotu šajā rakstā, taču svarīgs rezultāts ir tāds, ka šāds divu kvantu dators var būt labāks paralēlajā skaitļošanā nekā parastie kvantu datori. Paralēlā skaitļošana ir izplatīta arī klasiskajā skaitļošanā un būtībā attiecas uz datora spēju veikt vairākus aprēķinus vienlaikus, padarot to ātrāku kopumā.
Tātad, lai gan šis ir ļoti fundamentāls pētījums, iespējamie pielietojumi jau ir redzami. Šobrīd to nav iespējams pierādīt, taču šie atklājumi varētu paātrināt kvantu datorus un nedaudz paātrināt kvantu interneta rašanos.
Interesanti arī: Ķīna ir radījusi kvantu datoru, kas ir miljons reižu jaudīgāks par Google
Ļoti principiāls, bet ļoti interesants
Tas viss jāuztver ar lielu skepsi. Pētījums ir stabils, taču tas ir arī ļoti vienkāršs. Kā tas parasti notiek zinātnē un tehnoloģijā, no fundamentālajiem pētījumiem līdz reālai lietošanai ir tāls ceļš.
Taču pētnieki no Korejas atklāja vienu ļoti interesantu lietu: daļiņu-viļņu duālisma noslēpums tik drīz nepazudīs. Gluži pretēji, šķiet, ka tas ir tik dziļi iesakņojies visos kvantu objektos, ka labāk to izmantot. Izmantojot jauno kvantitatīvo bāzi, kas saistīta ar avota tīrību, to būs vieglāk izdarīt.
Viens no pirmajiem lietošanas gadījumiem var rasties kvantu skaitļošanā. Kā ir pierādījuši zinātnieki, kvantu sapīšanās un daļiņu-viļņu duālisms ir saistīti. Tādējādi sapīšanās vietā varēja izmērīt viļņainību un korpuskularitāti. Tas varētu palīdzēt zinātniekiem, kas strādā pie kvantu interneta izveides. Vai arī varat izmantot dualitāte lai uzlabotu kvantu datorus un padarītu tos ātrākus. Jebkurā gadījumā šķiet, ka aizraujoši kvantu laiki ir tepat aiz stūra.
Lasi arī:
Paldies par rakstu! "Iespējamās programmas jau ir pie apvāršņa" - laikam nevis programmas, bet aplikācijas?
Paldies, ļoti interesanti. Vairāk šādu rakstu.
Paldies! Mēs mēģināsim ;)