През 1920-те години на миналия век квантовата механика, теорията, която стои в основата на всичко - от поведението на атомите до работата на квантовите компютри, беше на път да получи широко приемане. Но остава една мистерия: понякога квантовите обекти, като електрони, атоми и молекули, се държат като частици, други като вълни. Понякога дори се държат като частици и вълни едновременно. Следователно при изучаването на тези квантови обекти никога не е било ясно какъв подход трябва да използват учените в своите изчисления.
Понякога учените трябваше да приемат, че квантовите обекти са вълни, за да получат правилния резултат. В други случаи те трябваше да приемат, че обектите всъщност са частици. Понякога и двата подхода работеха. Но в други случаи само единият подход дава правилния резултат, докато другият връща фалшив резултат. Историята на този проблем датира много назад, но скорошни експерименти хвърлиха нова светлина върху този стар въпрос.
Квантова история
В едноименния експеримент с двоен прорез, проведен за първи път от Томас Йънг през 1801 г., светлината се държи като вълни. В този експеримент лазерен лъч се насочва към двоен процеп и след това се разглежда полученият модел. Ако светлината се състоеше от частици, човек би очаквал два светлинни блока с форма на процеп. Вместо това резултатът е много малки блокове светлина, подредени в характерен модел. Поставянето на двоен процеп във водния поток би довело до същия модел точно отдолу. Така че този експеримент доведе до заключението, че светлината е вълна.
Тогава, през 1881 г., Хайнрих Херц прави забавно откритие. Когато взел два електрода и подал достатъчно високо напрежение между тях, се появили искри. Това е нормално. Но когато Hertz освети тези електроди, напрежението на искра се промени. Това се обяснява с факта, че светлината избива електрони от материала на електрода. Но колкото и да е странно, максималната скорост на изхвърлените електрони не се промени, ако интензитетът на светлината се промени, но се промени с честотата на светлината. Този резултат би бил невъзможен, ако вълновата теория беше вярна. През 1905 г. Алберт Айнщайн има решение: светлината всъщност е частица. Всичко това беше незадоволително. Учените предпочитат една теория, която винаги е вярна, пред две теории, които понякога са верни. И ако една теория е вярна само понякога, тогава бихме искали поне да можем да кажем при какви условия е вярна.
Но точно това беше проблемът с това откритие. Физиците не знаеха кога да разглеждат светлината или друг обект като вълна и кога като частица. Те знаеха, че някои неща причиняват вълнообразно поведение, като ръбовете на прорезите. Но те нямаха ясно обяснение защо това е така или кога да използват някаква теория.
Тази гатанка се нарича корпускулярно-вълнов дуализъм, все още е запазена. Но едно ново проучване може да хвърли малко светлина върху ситуацията. Учени от Корейския институт за основни науки показаха, че свойствата на светлинния източник влияят на това колко е частица и колко е вълна. С нов подход към изучаването на този проблем те са проправили път, който може дори да доведе до подобрения в квантовите изчисления. Или такива надежди.
Също интересно: Квантовите процесори на Google извеждат времевите кристали отвъд теорията
Как да направим частици и вълни
В експеримента учените са използвали полуотражателно огледало, за да разделят лазерния лъч на две части. Всеки от тези лъчи удря кристала, който от своя страна произвежда два фотона. Излъчват се общо четири фотона, по два от всеки кристал.
Учените изпращат по един фотон от всеки кристал в интерферометъра. Това устройство комбинира два източника на светлина и създава интерференчен модел. Този модел е открит за първи път от Томас Йънг в неговия гореспоменат експеримент с два процепа. Това е и това, което виждате, когато хвърлите два камъка в езеро: вълни от вода, някои от които се подсилват взаимно, а други се неутрализират. С други думи, интерферометърът открива вълновата природа на светлината.
Пътищата на другите два фотона бяха използвани за определяне на техните корпускулярни характеристики. Въпреки че авторите на статията не уточняват как са направили това, обикновено се прави чрез преминаване на фотон през материал, който показва къде е отишъл фотонът. Например, можете да изстреляте фотон през газ, който след това ще се запали там, където е преминал фотонът. Като се фокусира върху траекторията, а не върху крайната дестинация, фотонът може да бъде вълна. Това е така, защото ако измерите точното местоположение на фотона във всеки момент от времето, тогава той е точков и не може да се удари сам.
Това е един от многото примери в квантовата физика, където едно измерване активно влияе върху резултата от това измерване. Следователно в тази част от експеримента интерферентният модел в края на траекторията на фотона отсъстваше. Така изследователите откриха как един фотон може да бъде частица. Предизвикателството сега беше да се определи количествено каква част от това е частица и колко е останало от характера на вълната.
Тъй като и двата фотона от един и същ кристал се произвеждат заедно, те образуват едно квантово състояние. Това означава, че е възможно да се намери математическа формула, която описва и двата фотона едновременно. В резултат на това, ако изследователите могат да определят количествено колко силни са "частичността" и "дължината на вълната" на два фотона, това количествено определяне може да се приложи към целия лъч, достигащ кристала.
Наистина, изследователите успяха. Те измерват колко вълнообразен е фотонът, като проверяват видимостта на интерферентния модел. Когато видимостта беше висока, фотонът беше много вълнообразен. Когато моделът беше едва видим, те заключиха, че фотонът трябва да прилича много на частица.
И тази видимост беше случайна. Той беше най-висок, когато двата кристала получиха еднакъв интензитет на лазерния лъч. Въпреки това, ако лъчът от единия кристал е много по-интензивен от другия, видимостта на модела става много слаба и фотоните е по-вероятно да изглеждат като частици.
Този резултат е изненадващ, защото в повечето експерименти светлината се измерва само под формата на вълни или частици. Днес в няколко експеримента и двата параметъра бяха измерени едновременно. Това означава, че е лесно да се определи колко от всяко свойство има източник на светлина.
Също интересно: QuTech пуска браузър за квантов интернет
Теоретичните физици са възхитени
Този резултат съответства на прогнозата, направена по-рано от теоретиците. Според тяхната теория колко вълнообразен и корпускуларен е квантовият обект зависи от чистотата на източника. Чистотата в този контекст е просто фантастичен начин за изразяване на вероятността конкретен кристален източник да бъде този, който излъчва светлината. Формулата е следната: V2 + P2 = µ2, където V е видимостта на насочения модел, P е видимостта на пътя и µ е чистотата на източника.
Това означава, че квантов обект като светлината може да бъде подобен на вълна до известна степен и подобен на частица до известна степен, но това е ограничено от чистотата на източника. Квантовият обект е вълнообразен, ако се вижда интерференчен модел или ако стойността на V не е равна на нула. Също така, това е подобно на частица, ако пътят е видим или ако P е различно от нула.
Друго следствие от тази прогноза е, че чистотата е, че ако заплитането на квантовия път е високо, чистотата е ниска и обратно. Учените, провели експеримента, показаха това математически в работата си. Чрез настройка на чистотата на кристалите и измерване на резултатите те успяха да покажат, че тези теоретични прогнози наистина са правилни.
Също интересно: НАСА ще пусне квантови компютри за обработка и съхранение на "планини" от данни
По-бързи квантови компютри?
Връзката между заплитането на квантов обект и неговата корпускулярност и вълнообразност е особено интересна. Квантовите устройства, които биха могли да захранват квантовия интернет, се основават на заплитане. Квантовият Интернет е квантова аналогия на това, което Интернет е за класическите компютри. Като свържат много квантови компютри заедно и им позволят да споделят данни, учените се надяват да получат повече мощност, отколкото биха могли да постигнат с един единствен квантов компютър.
Но вместо да изпращаме битове по оптично влакно, което правим, за да захранваме класическия интернет, трябва да заплитаме кубити, за да формираме квантовия интернет. Възможността да измерваме заплитането на частица и вълнообразността на фотона означава, че можем да намерим по-прости начини за контролиране на качеството на квантовия интернет.
В допълнение, самите квантови компютри могат да станат по-добри чрез използване на дуализъм частица-вълна. Според предложението на изследователи от китайския университет Цинхуа е възможно да се пусне малък квантов компютър през решетка с много процепи, за да се увеличи мощността му. Малък квантов компютър ще се състои от няколко атома, които сами по себе си се използват като кубити, и такива устройства вече съществуват.
Преминаването на тези атоми през многослойна решетка е много подобно на преминаването на светлина през двоен процеп, макар и разбира се малко по-сложно. Това ще създаде повече възможни квантови състояния, което, от своя страна, ще увеличи мощността на "изстреляния" компютър. Математиката зад това е твърде сложна, за да се обясни в тази статия, но важният резултат е, че такъв двуквантов компютър може да бъде по-добър при паралелни изчисления от конвенционалните квантови компютри. Паралелното изчисление също е често срещано в класическото изчисление и основно се отнася до способността на компютъра да извършва множество изчисления едновременно, което го прави по-бърз като цяло.
Така че, докато това е много основно изследване, възможните приложения вече са на хоризонта. В момента е невъзможно да се докаже, но тези открития могат да ускорят квантовите компютри и леко да ускорят появата на квантовия интернет.
Също интересно: Китай създаде квантов компютър, който е милион пъти по-мощен от този на Google
Много фундаментално, но много интересно
Всичко това трябва да се приема с голяма доза скептицизъм. Изследването е солидно, но е и много основно. Както обикновено се случва в науката и технологиите, има дълъг път от фундаменталните изследвания до приложенията в реалния свят.
Но изследователи от Корея откриха едно много интересно нещо: мистерията на дуализма на частиците и вълните няма да изчезне скоро. Напротив, изглежда, че е толкова дълбоко вкоренено във всички квантови обекти, че е по-добре да се използва. С новата количествена база, свързана с чистотата на източника, това ще бъде по-лесно осъществимо.
Един от първите случаи на употреба може да възникне в квантовите изчисления. Както показаха учените, квантовото заплитане и дуализмът частица-вълна са свързани. По този начин, вместо заплитане, може да се измери количеството на вълнообразност и корпускулярност. Това може да помогне на учените, работещи по създаването на квантов интернет. Или можете да използвате двойнственост да подобрим квантовите компютри и да ги направим по-бързи. Така или иначе, изглежда, че вълнуващите квантови времена са точно зад ъгъла.
Прочетете също:
Благодаря за статията! „Възможни програми вече са на хоризонта“ – вероятно не програми, а приложения?
Благодаря, много интересно. Повече такива статии.
Благодаря ти! Ще опитаме ;)