Πίσω στη δεκαετία του 1920, η κβαντική μηχανική, η θεωρία που κρύβει τα πάντα, από τη συμπεριφορά των ατόμων έως τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών, βρισκόταν καθ' οδόν για να αποκτήσει ευρεία αποδοχή. Όμως ένα μυστήριο παρέμενε: μερικές φορές τα κβαντικά αντικείμενα, όπως τα ηλεκτρόνια, τα άτομα και τα μόρια, συμπεριφέρονται σαν σωματίδια, άλλα σαν κύματα. Μερικές φορές ακόμη και συμπεριφέρονται σαν σωματίδια και κύματα ταυτόχρονα. Επομένως, κατά τη μελέτη αυτών των κβαντικών αντικειμένων, δεν ήταν ποτέ ξεκάθαρο ποια προσέγγιση θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουν οι επιστήμονες στους υπολογισμούς τους.
Μερικές φορές οι επιστήμονες έπρεπε να υποθέσουν ότι τα κβαντικά αντικείμενα ήταν κύματα για να πάρουν το σωστό αποτέλεσμα. Σε άλλες περιπτώσεις, έπρεπε να υποθέσουν ότι τα αντικείμενα ήταν στην πραγματικότητα σωματίδια. Μερικές φορές οποιαδήποτε προσέγγιση λειτούργησε. Αλλά σε άλλες περιπτώσεις, μόνο η μία προσέγγιση παρήγαγε το σωστό αποτέλεσμα, ενώ η άλλη επέστρεψε ένα ψεύτικο αποτέλεσμα. Η ιστορία αυτού του προβλήματος πηγαίνει πολύ πίσω, αλλά πρόσφατα πειράματα έριξαν νέο φως σε αυτό το παλιό ερώτημα.
Κβαντική ιστορία
Στο ομώνυμο πείραμα διπλής σχισμής, που διεξήχθη για πρώτη φορά από τον Thomas Young το 1801, το φως συμπεριφέρθηκε σαν κύματα. Σε αυτό το πείραμα, μια δέσμη λέιζερ κατευθύνεται σε μια διπλή σχισμή και στη συνέχεια εξετάζεται το μοτίβο που προκύπτει. Αν το φως αποτελούνταν από σωματίδια, θα περίμενε κανείς δύο τεμάχια φωτός σε σχήμα σχισμής. Αντίθετα, το αποτέλεσμα είναι πολλά μικρά κομμάτια φωτός διατεταγμένα σε ένα χαρακτηριστικό σχέδιο. Η τοποθέτηση μιας διπλής σχισμής στο ρεύμα του νερού θα είχε ως αποτέλεσμα το ίδιο σχέδιο ακριβώς από κάτω. Έτσι αυτό το πείραμα οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το φως είναι ένα κύμα.
Στη συνέχεια, το 1881, ο Heinrich Hertz έκανε μια αστεία ανακάλυψη. Όταν πήρε δύο ηλεκτρόδια και εφάρμοσε αρκετά υψηλή τάση μεταξύ τους, εμφανίστηκαν σπινθήρες. Αυτό είναι φυσιολογικό. Αλλά όταν ο Hertz έριξε φως σε αυτά τα ηλεκτρόδια, η τάση του σπινθήρα άλλαξε. Αυτό εξηγήθηκε από το γεγονός ότι το φως έριξε ηλεκτρόνια έξω από το υλικό του ηλεκτροδίου. Όμως, παραδόξως, η μέγιστη ταχύτητα των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονταν δεν άλλαζε αν άλλαζε η ένταση του φωτός, αλλά άλλαζε με τη συχνότητα του φωτός. Αυτό το αποτέλεσμα θα ήταν αδύνατο αν η κυματική θεωρία ήταν αληθινή. Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε μια λύση: το φως ήταν στην πραγματικότητα ένα σωματίδιο. Όλα αυτά δεν ήταν ικανοποιητικά. Οι επιστήμονες προτιμούν μια θεωρία που είναι πάντα αληθινή από δύο θεωρίες που μερικές φορές είναι αληθινές. Και αν μια θεωρία είναι αληθινή μόνο μερικές φορές, τότε θα θέλαμε τουλάχιστον να μπορούμε να πούμε υπό ποιες συνθήκες είναι αληθινή.
Αλλά αυτό ακριβώς ήταν το πρόβλημα με αυτήν την ανακάλυψη. Οι φυσικοί δεν ήξεραν πότε να θεωρήσουν το φως ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο ως κύμα και πότε ως σωματίδιο. Ήξεραν ότι ορισμένα πράγματα προκαλούν συμπεριφορά που μοιάζει με κύμα, όπως οι άκρες των σχισμών. Αλλά δεν είχαν μια σαφή εξήγηση για το γιατί συμβαίνει αυτό ή πότε να χρησιμοποιήσουν κάποια θεωρία.
Αυτό το αίνιγμα λέγεται σωματιδιακός δυισμός, σώζεται ακόμη. Αλλά μια νέα μελέτη μπορεί να ρίξει λίγο φως στην κατάσταση. Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Βασικών Επιστημών της Κορέας έχουν δείξει ότι οι ιδιότητες της πηγής φωτός επηρεάζουν πόσο είναι ένα σωματίδιο και πόσο είναι ένα κύμα. Με μια νέα προσέγγιση για τη μελέτη αυτού του προβλήματος, έχουν ανοίξει έναν δρόμο που μπορεί να οδηγήσει ακόμη και σε βελτιώσεις στον κβαντικό υπολογισμό. Ή τέτοιες ελπίδες.
Επίσης ενδιαφέρον: Οι κβαντικοί επεξεργαστές της Google χρειάζονται κρυστάλλους χρόνου πέρα από τη θεωρία
Πώς να φτιάξετε σωματίδια και κύματα
Στο πείραμα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν έναν ημι-ανακλαστικό καθρέφτη για να χωρίσουν την ακτίνα λέιζερ σε δύο μέρη. Κάθε μία από αυτές τις ακτίνες χτυπά τον κρύσταλλο, ο οποίος με τη σειρά του παράγει δύο φωτόνια. Εκπέμπονται συνολικά τέσσερα φωτόνια, δύο από κάθε κρύσταλλο.
Οι επιστήμονες έστειλαν ένα φωτόνιο από κάθε κρύσταλλο στο συμβολόμετρο. Αυτή η συσκευή συνδυάζει δύο πηγές φωτός και δημιουργεί ένα μοτίβο παρεμβολής. Αυτό το μοτίβο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Thomas Young στο προαναφερθέν πείραμα δύο σχισμών του. Αυτό είναι επίσης αυτό που βλέπετε όταν ρίχνετε δύο πέτρες σε μια λίμνη: κυματισμούς νερού, μερικές από τις οποίες αλληλοενισχύονται και άλλες εξουδετερώνουν η μία την άλλη. Με άλλα λόγια, το συμβολόμετρο ανιχνεύει την κυματική φύση του φωτός.
Οι διαδρομές των άλλων δύο φωτονίων χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των σωματικών χαρακτηριστικών τους. Αν και οι συντάκτες της εργασίας δεν διευκρίνισαν πώς το έκαναν αυτό, συνήθως γίνεται περνώντας ένα φωτόνιο μέσα από ένα υλικό που δείχνει πού πήγε το φωτόνιο. Για παράδειγμα, μπορείτε να πυροβολήσετε ένα φωτόνιο μέσω ενός αερίου, το οποίο στη συνέχεια θα αναφλεγεί από εκεί που πέρασε το φωτόνιο. Εστιάζοντας στην τροχιά και όχι στον τελικό προορισμό, το φωτόνιο μπορεί να είναι ένα κύμα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αν μετρήσετε την ακριβή θέση του φωτονίου σε κάθε στιγμή του χρόνου, τότε είναι σημείου και δεν μπορεί να χτυπήσει τον εαυτό του.
Αυτό είναι ένα από τα πολλά παραδείγματα στην κβαντική φυσική όπου μια μέτρηση επηρεάζει ενεργά το αποτέλεσμα της εν λόγω μέτρησης. Επομένως, σε αυτό το μέρος του πειράματος, το μοτίβο παρεμβολής στο τέλος της τροχιάς των φωτονίων απουσίαζε. Έτσι, οι ερευνητές ανακάλυψαν πώς ένα φωτόνιο μπορεί να είναι ένα σωματίδιο. Η πρόκληση τώρα ήταν να ποσοτικοποιηθεί πόσο από αυτό ήταν ένα σωματίδιο και πόσο είχε απομείνει από την κυματική φύση.
Δεδομένου ότι και τα δύο φωτόνια του ίδιου κρυστάλλου παράγονται μαζί, σχηματίζουν μια ενιαία κβαντική κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατό να βρεθεί ένας μαθηματικός τύπος που να περιγράφει και τα δύο αυτά φωτόνια ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, εάν οι ερευνητές μπορούν να ποσοτικοποιήσουν πόσο ισχυρή είναι η «μερικότητα» και το «μήκος κύματος» δύο φωτονίων, αυτή η ποσοτικοποίηση μπορεί να εφαρμοστεί σε ολόκληρη τη δέσμη που φτάνει στον κρύσταλλο.
Πράγματι, οι ερευνητές πέτυχαν. Μέτρησαν πόσο κυματιστό ήταν το φωτόνιο ελέγχοντας την ορατότητα του σχεδίου παρεμβολής. Όταν η ορατότητα ήταν υψηλή, το φωτόνιο ήταν πολύ κυματοειδές. Όταν το σχέδιο ήταν μόλις ορατό, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το φωτόνιο πρέπει να μοιάζει πολύ με ένα σωματίδιο.
Και αυτή η ορατότητα ήταν τυχαία. Ήταν το υψηλότερο όταν και οι δύο κρύσταλλοι έλαβαν την ίδια ένταση της δέσμης λέιζερ. Ωστόσο, εάν η δέσμη από τον ένα κρύσταλλο ήταν πολύ πιο έντονη από τον άλλο, η ορατότητα του σχεδίου γινόταν πολύ αμυδρή και τα φωτόνια ήταν πιο πιθανό να μοιάζουν με σωματίδια.
Αυτό το αποτέλεσμα είναι εκπληκτικό γιατί στα περισσότερα πειράματα το φως μετριέται μόνο με τη μορφή κυμάτων ή σωματιδίων. Σήμερα, σε αρκετά πειράματα, και οι δύο παράμετροι μετρήθηκαν ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι είναι εύκολο να προσδιοριστεί πόσο από κάθε ιδιότητα έχει μια πηγή φωτός.
Επίσης ενδιαφέρον: Η QuTech λανσάρει ένα πρόγραμμα περιήγησης για το κβαντικό διαδίκτυο
Οι θεωρητικοί φυσικοί είναι ενθουσιασμένοι
Αυτό το αποτέλεσμα αντιστοιχεί στην πρόβλεψη που έκαναν νωρίτερα οι θεωρητικοί. Σύμφωνα με τη θεωρία τους, το πόσο κυματοειδές και σωματικό είναι ένα κβαντικό αντικείμενο εξαρτάται από την καθαρότητα της πηγής. Η καθαρότητα σε αυτό το πλαίσιο είναι απλώς ένας φανταχτερός τρόπος έκφρασης της πιθανότητας ότι μια συγκεκριμένη κρυσταλλική πηγή θα είναι αυτή που εκπέμπει το φως. Ο τύπος έχει ως εξής: V2 + P2 = μ2, όπου V είναι η ορατότητα του σχεδίου κατεύθυνσης, P είναι η ορατότητα της διαδρομής και μ είναι η καθαρότητα της πηγής.
Αυτό σημαίνει ότι ένα κβαντικό αντικείμενο όπως το φως μπορεί να είναι κυματοειδές σε κάποιο βαθμό και σαν σωματίδιο σε κάποιο βαθμό, αλλά αυτό περιορίζεται από την καθαρότητα της πηγής. Ένα κβαντικό αντικείμενο μοιάζει με κύμα εάν είναι ορατό ένα μοτίβο παρεμβολής ή εάν η τιμή του V δεν είναι ίση με μηδέν. Επίσης, είναι σαν σωματίδιο εάν η διαδρομή είναι παρατηρήσιμη ή εάν το P είναι μη μηδενικό.
Μια άλλη συνέπεια αυτής της πρόβλεψης είναι ότι η καθαρότητα είναι ότι εάν η εμπλοκή της κβαντικής διαδρομής είναι υψηλή, η καθαρότητα είναι χαμηλή και το αντίστροφο. Οι επιστήμονες που πραγματοποίησαν το πείραμα το έδειξαν μαθηματικά στην εργασία τους. Συντονίζοντας την καθαρότητα των κρυστάλλων και μετρώντας τα αποτελέσματα, μπόρεσαν να δείξουν ότι αυτές οι θεωρητικές προβλέψεις ήταν πράγματι σωστές.
Επίσης ενδιαφέρον: Η NASA θα λανσάρει κβαντικούς υπολογιστές για την επεξεργασία και αποθήκευση «βουνά» δεδομένων
Ταχύτεροι κβαντικοί υπολογιστές;
Η σύνδεση μεταξύ της εμπλοκής ενός κβαντικού αντικειμένου και της σωματικότητας και της κυματότητάς του είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Οι κβαντικές συσκευές που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν το κβαντικό διαδίκτυο βασίζονται στη διαπλοκή. Το κβαντικό Διαδίκτυο είναι μια κβαντική αναλογία αυτού που είναι το Διαδίκτυο για τους κλασικούς υπολογιστές. Συνδέοντας πολλούς κβαντικούς υπολογιστές μαζί και επιτρέποντάς τους να μοιράζονται δεδομένα, οι επιστήμονες ελπίζουν να αποκτήσουν περισσότερη ισχύ από ό,τι θα μπορούσε να επιτευχθεί με έναν μόνο κβαντικό υπολογιστή.
Αλλά αντί να στέλνουμε bits κάτω από μια οπτική ίνα, κάτι που κάνουμε για να τροφοδοτήσουμε το κλασικό διαδίκτυο, πρέπει να μπερδέψουμε qubits για να σχηματίσουμε το κβαντικό Διαδίκτυο. Η δυνατότητα μέτρησης της εμπλοκής ενός σωματιδίου και της κυματικότητας ενός φωτονίου σημαίνει ότι μπορούμε να βρούμε απλούστερους τρόπους για να ελέγξουμε την ποιότητα του κβαντικού διαδικτύου.
Επιπλέον, οι ίδιοι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να γίνουν καλύτεροι χρησιμοποιώντας τον δυϊσμό σωματιδίων-κύματος. Σύμφωνα με την πρόταση ερευνητών από το πανεπιστήμιο Tsinghua της Κίνας, είναι δυνατό να λειτουργήσει ένας μικρός κβαντικός υπολογιστής μέσω ενός πλέγματος πολλαπλών σχισμών για να αυξηθεί η ισχύς του. Ένας μικρός κβαντικός υπολογιστής θα αποτελείται από λίγα άτομα που τα ίδια χρησιμοποιούνται ως qubits και τέτοιες συσκευές υπάρχουν ήδη.
Η διέλευση αυτών των ατόμων μέσω ενός πλέγματος πολλαπλών σχισμών μοιάζει πολύ με τη διέλευση του φωτός από μια διπλή σχισμή, αν και φυσικά είναι λίγο πιο περίπλοκο. Αυτό θα δημιουργήσει περισσότερες πιθανές κβαντικές καταστάσεις, οι οποίες, με τη σειρά τους, θα αυξήσουν την ισχύ του «πυροδοτημένου» υπολογιστή. Τα μαθηματικά πίσω από αυτό είναι πολύ περίπλοκα για να εξηγηθούν σε αυτό το άρθρο, αλλά το σημαντικό αποτέλεσμα είναι ότι ένας τέτοιος υπολογιστής δύο κβαντικών μπορεί να είναι καλύτερος στον παράλληλο υπολογισμό από τους συμβατικούς κβαντικούς υπολογιστές. Ο παράλληλος υπολογισμός είναι επίσης κοινός στους κλασικούς υπολογιστές και βασικά αναφέρεται στην ικανότητα ενός υπολογιστή να εκτελεί πολλαπλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα, καθιστώντας τον ταχύτερο συνολικά.
Έτσι, ενώ πρόκειται για πολύ βασική έρευνα, πιθανές εφαρμογές είναι ήδη στον ορίζοντα. Προς το παρόν είναι αδύνατο να αποδειχθεί, αλλά αυτές οι ανακαλύψεις θα μπορούσαν να επιταχύνουν τους κβαντικούς υπολογιστές και να επιταχύνουν ελαφρώς την εμφάνιση του κβαντικού Διαδικτύου.
Επίσης ενδιαφέρον: Η Κίνα δημιούργησε έναν κβαντικό υπολογιστή που είναι εκατομμύριο φορές πιο ισχυρός από αυτόν της Google
Πολύ θεμελιώδες, αλλά πολύ ενδιαφέρον
Όλα αυτά πρέπει να τα πάρουμε με μεγάλο σκεπτικισμό. Η έρευνα είναι συμπαγής, αλλά είναι επίσης πολύ βασική. Όπως συμβαίνει συνήθως στην επιστήμη και την τεχνολογία, υπάρχει πολύς δρόμος από τη βασική έρευνα έως τις εφαρμογές του πραγματικού κόσμου.
Αλλά ερευνητές από την Κορέα ανακάλυψαν ένα πολύ ενδιαφέρον πράγμα: το μυστήριο του δυϊσμού σωματιδίων-κύματος δεν θα εξαφανιστεί σύντομα. Αντίθετα, φαίνεται να είναι τόσο βαθιά ριζωμένο σε όλα τα κβαντικά αντικείμενα που είναι καλύτερο να το χρησιμοποιήσουμε. Με τη νέα ποσοτική βάση που σχετίζεται με την καθαρότητα της πηγής, αυτό θα είναι πιο εύκολο να γίνει.
Μία από τις πρώτες περιπτώσεις χρήσης μπορεί να συμβεί στον κβαντικό υπολογισμό. Όπως έχουν δείξει οι επιστήμονες, η κβαντική εμπλοκή και ο δυϊσμός σωματιδίων-κύματος σχετίζονται. Έτσι, αντί για εμπλοκή, θα μπορούσε να μετρηθεί η ποσότητα της κυματικότητας και της σωματικότητας. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες που εργάζονται για τη δημιουργία ενός κβαντικού Διαδικτύου. Ή μπορείτε να χρησιμοποιήσετε δυαδικότητα να βελτιώσουν τους κβαντικούς υπολογιστές και να τους κάνουν ταχύτερους. Είτε έτσι είτε αλλιώς, φαίνεται ότι οι συναρπαστικοί κβαντικοί χρόνοι είναι προ των πυλών.
Διαβάστε επίσης:
Ευχαριστώ για το άρθρο! "Πιθανά προγράμματα είναι ήδη στον ορίζοντα" - μάλλον όχι προγράμματα, αλλά εφαρμογές;
Ευχαριστώ, πολύ ενδιαφέρον. Περισσότερα τέτοια άρθρα.
Ευχαριστώ! Θα προσπαθήσουμε ;)