Još 1920-ih, kvantna mehanika, teorija koja leži u osnovi svega, od ponašanja atoma do rada kvantnih kompjutera, bila je na putu da zadobije široko prihvaćenost. Ali ostala je jedna misterija: ponekad se kvantni objekti, kao što su elektroni, atomi i molekuli, ponašaju kao čestice, drugi kao valovi. Ponekad se čak ponašaju kao čestice i valovi u isto vrijeme. Stoga, prilikom proučavanja ovih kvantnih objekata, nikada nije bilo jasno koji pristup bi naučnici trebali koristiti u svojim proračunima.
Ponekad su naučnici morali da pretpostave da su kvantni objekti talasi da bi dobili tačan rezultat. U drugim slučajevima, morali su pretpostaviti da su objekti zapravo čestice. Ponekad je oba pristupa uspjela. Ali u drugim slučajevima, samo je jedan pristup dao ispravan rezultat, dok je drugi vratio lažni rezultat. Istorija ovog problema seže u daleku prošlost, ali nedavni eksperimenti su bacili novo svetlo na ovo staro pitanje.
Kvantna istorija
U istoimenom eksperimentu sa dvostrukim prorezom, koji je prvi izveo Thomas Young 1801. godine, svjetlost se ponašala poput valova. U ovom eksperimentu, laserska zraka se usmjerava na dvostruki prorez, a zatim se gleda rezultujući uzorak. Kada bi se svjetlost sastojala od čestica, očekivali bi se dva svjetlosna bloka u obliku proreza. Umjesto toga, rezultat je mnogo malih blokova svjetlosti raspoređenih u karakterističnom uzorku. Postavljanje dvostrukog proreza u mlaz vode rezultiralo bi istim uzorkom odmah ispod. Dakle, ovaj eksperiment je doveo do zaključka da je svjetlost val.
Zatim je 1881. Heinrich Hertz došao do smiješnog otkrića. Kada je uzeo dvije elektrode i stavio dovoljno visok napon između njih, pojavile su se varnice. Ovo je normalno. Ali kada je Hertz obasjao ove elektrode, napon varnice se promenio. To je objašnjeno činjenicom da je svjetlost izbacila elektrone iz materijala elektrode. Ali, začudo, maksimalna brzina izbačenih elektrona nije se promenila ako se intenzitet svetlosti promenio, već se promenio sa frekvencijom svetlosti. Ovaj rezultat bi bio nemoguć da je teorija talasa tačna. Godine 1905. Albert Ajnštajn je imao rešenje: svetlost je zapravo bila čestica. Sve je to bilo nezadovoljavajuće. Naučnici preferiraju jednu teoriju koja je uvijek istinita u odnosu na dvije teorije koje su ponekad istinite. A ako je neka teorija istinita samo ponekad, onda bismo barem voljeli da možemo reći pod kojim uslovima je istinita.
Ali upravo je to bio problem ovog otkrića. Fizičari nisu znali kada svetlost ili bilo koji drugi objekat posmatrati kao talas, a kada kao česticu. Znali su da neke stvari uzrokuju valovito ponašanje, kao što su rubovi proreza. Ali nisu imali jasno objašnjenje zašto je to tako ili kada koristiti bilo koju teoriju.
Ova zagonetka se zove korpuskularno-talasni dualizam, još uvijek je sačuvana. Ali nova studija mogla bi baciti svjetlo na situaciju. Naučnici sa korejskog instituta za osnovne nauke pokazali su da svojstva izvora svjetlosti utiču na to koliko je čestica, a koliko talas. Sa novim pristupom proučavanju ovog problema, oni su utrli put koji čak može dovesti do poboljšanja u kvantnom računarstvu. Ili takve nade.
Također zanimljivo: Google-ovi kvantni procesori oduzimaju vremenske kristale izvan teorije
Kako napraviti čestice i talase
U eksperimentu su naučnici koristili polureflektirajuće ogledalo kako bi podijelili laserski snop na dva dijela. Svaka od ovih zraka pogađa kristal, koji zauzvrat proizvodi dva fotona. Emituju se ukupno četiri fotona, po dva iz svakog kristala.
Naučnici su poslali po jedan foton iz svakog kristala u interferometar. Ovaj uređaj kombinuje dva izvora svetlosti i stvara uzorak interferencije. Ovaj obrazac je prvi otkrio Thomas Young u svom prethodno spomenutom eksperimentu s dva proreza. To je i ono što vidite kada bacite dva kamena u ribnjak: mreškanje vode, od kojih se neki međusobno pojačavaju, a drugi međusobno neutraliziraju. Drugim rečima, interferometar detektuje talasnu prirodu svetlosti.
Putanja druga dva fotona korištena su za određivanje njihovih korpuskularnih karakteristika. Iako autori rada nisu precizirali kako su to uradili, to se obično radi propuštanjem fotona kroz materijal koji pokazuje kuda je foton otišao. Na primjer, možete ispaliti foton kroz plin, koji će se onda zapaliti tamo gdje je foton prošao. Fokusirajući se na putanju, a ne na konačno odredište, foton može biti val. To je zato što ako izmjerite tačnu lokaciju fotona u svakom trenutku vremena, onda je on u obliku tačaka i ne može se udariti.
Ovo je jedan od mnogih primjera u kvantnoj fizici gdje mjerenje aktivno utječe na ishod navedenog mjerenja. Stoga je u ovom dijelu eksperimenta izostao uzorak interferencije na kraju putanje fotona. Tako su istraživači otkrili kako foton može biti čestica. Izazov je sada bio kvantificirati koliko je to čestica, a koliko je ostalo od valnog karaktera.
Pošto se oba fotona istog kristala proizvode zajedno, oni formiraju jedno kvantno stanje. To znači da je moguće pronaći matematičku formulu koja opisuje oba ova fotona istovremeno. Kao rezultat toga, ako istraživači mogu kvantificirati koliko su jake "parcijalnost" i "valna dužina" dva fotona, ta kvantifikacija se može primijeniti na cijeli snop koji stiže do kristala.
Zaista, istraživači su uspjeli. Izmjerili su koliko je foton valovit provjeravajući vidljivost interferencnog uzorka. Kada je vidljivost bila velika, foton je bio veoma talasast. Kada je uzorak bio jedva vidljiv, zaključili su da foton mora biti vrlo sličan čestici.
I ova vidljivost je bila slučajna. Bio je najveći kada su oba kristala primila isti intenzitet laserskog snopa. Međutim, ako je snop s jednog kristala bio mnogo intenzivniji od drugog, vidljivost uzorka je postala vrlo slaba, a fotoni su vjerojatnije izgledali kao čestice.
Ovaj rezultat je iznenađujući jer se u većini eksperimenata svjetlost mjeri samo u obliku valova ili čestica. Danas su u nekoliko eksperimenata oba parametra mjerena istovremeno. To znači da je lako odrediti koliko svakog svojstva ima izvor svjetlosti.
Također zanimljivo: QuTech lansira pretraživač za kvantni internet
Teoretski fizičari su oduševljeni
Ovaj rezultat odgovara predviđanjima teoretičara. Prema njihovoj teoriji, koliko je kvantni objekat talasast i korpuskularan zavisi od čistoće izvora. Čistoća je u ovom kontekstu samo fensi način da se izrazi vjerovatnoća da će određeni kristalni izvor biti onaj koji emituje svjetlost. Formula je sljedeća: V2 + P2 = µ2, gdje je V vidljivost uzorka smjera, P je vidljivost puta, a µ je čistoća izvora.
To znači da kvantni objekt kao što je svjetlost može biti do neke mjere nalik valovima i česticama, ali to je ograničeno čistoćom izvora. Kvantni objekat je talasast ako je vidljiv interferencijski obrazac ili ako vrijednost V nije jednaka nuli. Takođe, sličan je česticama ako je putanja vidljiva ili ako je P različit od nule.
Još jedna posljedica ovog predviđanja je ta da je čistoća da ako je isprepletenost kvantnog puta velika, čistoća je niska, i obrnuto. Naučnici koji su izveli eksperiment to su matematički pokazali u svom radu. Podešavanjem čistoće kristala i mjerenjem rezultata, uspjeli su pokazati da su ova teorijska predviđanja zaista bila tačna.
Također zanimljivo: NASA će lansirati kvantne računare za obradu i pohranjivanje "planina" podataka
Brži kvantni kompjuteri?
Posebno je zanimljiva veza između isprepletenosti kvantnog objekta i njegove korpuskularnosti i valovitosti. Kvantni uređaji koji bi mogli napajati kvantni internet zasnovani su na isprepletenosti. Kvantni internet je kvantna analogija onoga što je internet za klasične računare. Povezujući mnoge kvantne računare zajedno i omogućavajući im da dijele podatke, naučnici se nadaju da će dobiti više snage nego što bi se moglo postići s jednim kvantnim računarom.
Ali umjesto slanja bitova niz optičko vlakno, što je ono što radimo za napajanje klasičnog interneta, moramo zaplesti kubite kako bismo formirali kvantni internet. Mogućnost mjerenja zapetljanosti čestice i valovitosti fotona znači da možemo pronaći jednostavnije načine za kontrolu kvaliteta kvantnog interneta.
Osim toga, sami kvantni računari mogu postati bolji korištenjem dualizma čestica-val. Prema prijedlogu istraživača sa kineskog univerziteta Tsinghua, moguće je pokrenuti mali kvantni računar kroz rešetku s više proreza kako bi se povećala njegova snaga. Mali kvantni kompjuter bi se sastojao od nekoliko atoma koji se i sami koriste kao kubiti, a takvi uređaji već postoje.
Prolazak ovih atoma kroz rešetku s više proreza vrlo je sličan prolasku svjetlosti kroz dvostruki prorez, iako je, naravno, malo složeniji. Ovo će stvoriti više mogućih kvantnih stanja, što će zauzvrat povećati snagu "ispaljenog" računara. Matematika iza ovoga je previše komplikovana da bi se objasnila u ovom radu, ali važan rezultat je da takav dvokvantni računar može biti bolji u paralelnom računarstvu od konvencionalnih kvantnih računara. Paralelno računarstvo je takođe uobičajeno u klasičnom računarstvu i u osnovi se odnosi na sposobnost računara da istovremeno izvodi više proračuna, što ga čini bržim u celini.
Dakle, iako je ovo vrlo osnovno istraživanje, moguće primjene su već na horizontu. Trenutno je to nemoguće dokazati, ali ova otkrića bi mogla ubrzati kvantne kompjutere i malo ubrzati pojavu kvantnog interneta.
Također zanimljivo: Kina je stvorila kvantni kompjuter koji je milion puta moćniji od Googleovog
Veoma fundamentalno, ali veoma zanimljivo
Sve ovo treba shvatiti sa velikom dozom skepticizma. Istraživanje je solidno, ali je i vrlo osnovno. Kao što je obično slučaj u nauci i tehnologiji, dug je put od osnovnih istraživanja do primjene u stvarnom svijetu.
Ali istraživači iz Koreje otkrili su jednu vrlo zanimljivu stvar: misterija dualizma čestica-val neće uskoro nestati. Naprotiv, čini se da je toliko duboko ukorijenjen u svim kvantnim objektima da ga je bolje koristiti. Sa novom kvantitativnom osnovom koja se odnosi na čistoću izvora, to će biti lakše uraditi.
Jedan od prvih slučajeva upotrebe može se pojaviti u kvantnom računarstvu. Kao što su naučnici pokazali, kvantna zapetljanost i dualizam čestica-talas su povezani. Tako bi se umjesto isprepletenosti mogla mjeriti količina valovitosti i korpuskularnosti. Ovo bi moglo pomoći naučnicima koji rade na stvaranju kvantnog interneta. Ili možete koristiti dualnost poboljšati kvantne računare i učiniti ih bržima. U svakom slučaju, izgleda da su uzbudljiva kvantna vremena odmah iza ugla.
Pročitajte također:
Hvala na članku! "Mogući programi su već na vidiku" - vjerovatno ne programi, već aplikacije?
Hvala, veoma zanimljivo. Još ovakvih članaka.
Hvala ti! Pokušat ćemo ;)