1920-luvulla kvanttimekaniikka, teoria, joka on kaiken perustana atomien käyttäytymisestä kvanttitietokoneiden toimintaan, oli matkalla saamaan laajaa hyväksyntää. Mutta yksi mysteeri säilyi: joskus kvanttiobjektit, kuten elektronit, atomit ja molekyylit, käyttäytyvät kuin hiukkaset, toiset kuin aallot. Joskus ne jopa käyttäytyvät kuin hiukkaset ja aallot samaan aikaan. Siksi näitä kvanttiobjekteja tutkiessaan ei koskaan ollut selvää, mitä lähestymistapaa tutkijoiden tulisi käyttää laskelmissaan.
Joskus tiedemiesten piti olettaa, että kvanttiobjektit olivat aaltoja saadakseen oikean tuloksen. Muissa tapauksissa heidän piti olettaa, että esineet olivat todella hiukkasia. Joskus kumpikin lähestymistapa toimi. Mutta muissa tapauksissa vain yksi lähestymistapa tuotti oikean tuloksen, kun taas toinen antoi väärän tuloksen. Tämän ongelman historia ulottuu pitkälle, mutta viimeaikaiset kokeet ovat tuoneet uutta valoa tähän vanhaan kysymykseen.
Kvanttihistoria
Thomas Youngin ensimmäisen kerran vuonna 1801 suorittamassa samannimisessä kaksoisrakokokeessa valo käyttäytyi kuin aallot. Tässä kokeessa lasersäde suunnataan kaksoisrakoon, jonka jälkeen tuloksena olevaa kuviota tarkastellaan. Jos valo koostuisi hiukkasista, odotettaisiin kahta raon muotoista valolohkoa. Sen sijaan tuloksena on monia pieniä valolohkoja, jotka on järjestetty tunnusomaiseen kuvioon. Kaksoisraon sijoittaminen vesivirtaan johtaisi samaan kuvioon juuri alla. Joten tämä koe johti johtopäätökseen, että valo on aalto.
Sitten vuonna 1881 Heinrich Hertz teki hauskan löydön. Kun hän otti kaksi elektrodia ja asetti niiden väliin riittävän korkean jännitteen, ilmaantui kipinöitä. Tämä on normaalia. Mutta kun Hertz valaisi näitä elektrodeja, kipinäjännite muuttui. Tämä selittyy sillä, että valo tyrmäsi elektroneja elektrodimateriaalista. Mutta kummallista kyllä, ulostyöntyneiden elektronien maksiminopeus ei muuttunut, jos valon intensiteetti muuttui, vaan muuttui valon taajuuden mukaan. Tämä tulos olisi mahdoton, jos aaltoteoria olisi totta. Vuonna 1905 Albert Einsteinilla oli ratkaisu: valo oli itse asiassa hiukkanen. Kaikki tämä oli epätyydyttävää. Tiedemiehet pitävät parempana yhtä teoriaa, joka on aina totta, kuin kahta teoriaa, jotka ovat joskus totta. Ja jos jokin teoria on totta vain joskus, niin haluaisimme ainakin pystyä sanomaan, millä ehdoilla se on totta.
Mutta juuri tämä oli tämän löydön ongelma. Fyysikot eivät tienneet, milloin valoa tai muuta esinettä pitäisi pitää aaltoina ja milloin hiukkasena. He tiesivät, että jotkut asiat aiheuttavat aaltomaista käyttäytymistä, kuten rakojen reunat. Mutta heillä ei ollut selkeää selitystä miksi näin on tai milloin käyttää mitään teoriaa.
Tätä arvoitusta kutsutaan korpuskulaarinen-aaltodualismi, on edelleen säilynyt. Mutta uusi tutkimus saattaa valaista tilannetta. Korean perustieteiden instituutin tutkijat ovat osoittaneet, että valonlähteen ominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka paljon se on hiukkanen ja kuinka paljon se on aalto. Uudella lähestymistavalla tämän ongelman tutkimiseen he ovat tasoittaneet polun, joka voi jopa johtaa parannuksiin kvanttilaskennassa. Tai sellaisia toiveita.
Mielenkiintoista myös: Googlen kvanttiprosessorit vievät aikakiteitä teoriaa pidemmälle
Kuinka tehdä hiukkasia ja aaltoja
Kokeessa tutkijat käyttivät puoliheijastavaa peiliä lasersäteen jakamiseen kahteen osaan. Jokainen näistä säteistä osuu kiteen, joka puolestaan tuottaa kaksi fotonia. Yhteensä neljä fotonia säteilee, kaksi kustakin kiteestä.
Tiedemiehet lähettivät yhden fotonin jokaisesta kiteestä interferometriin. Tämä laite yhdistää kaksi valonlähdettä ja luo häiriökuvion. Tämän mallin löysi ensimmäisenä Thomas Young edellä mainitussa kaksirakoisessa kokeessaan. Tämä on myös se, mitä näet, kun heität kaksi kiveä lammikkoon: veden väreitä, joista osa vahvistaa ja toiset neutraloivat toisiaan. Toisin sanoen interferometri havaitsee valon aaltoluonteen.
Kahden muun fotonin polkuja käytettiin niiden korpuskulaaristen ominaisuuksien määrittämiseen. Vaikka paperin kirjoittajat eivät täsmentäneet, kuinka he tekivät tämän, se tehdään yleensä johtamalla fotoni materiaalin läpi, joka näyttää minne fotoni meni. Voit esimerkiksi ampua fotonin kaasun läpi, joka syttyy sitten paikasta, jossa fotoni kulki. Keskittämällä lentorataan lopullisen määränpään sijaan fotoni voi olla aalto. Tämä johtuu siitä, että jos mittaat fotonin tarkan sijainnin kullakin hetkellä, se on pistemäinen eikä voi osua itseensä.
Tämä on yksi monista kvanttifysiikan esimerkeistä, joissa mittaus vaikuttaa aktiivisesti mainitun mittauksen lopputulokseen. Siksi tässä kokeen osassa fotoniradan lopussa oleva häiriökuvio puuttui. Siten tutkijat selvittivät, kuinka fotoni voi olla hiukkanen. Haasteena oli nyt kvantifioida kuinka paljon tästä oli hiukkasta ja kuinka paljon aaltoluonteesta oli jäljellä.
Koska saman kiteen molemmat fotonit tuotetaan yhdessä, ne muodostavat yhden kvanttitilan. Tämä tarkoittaa, että on mahdollista löytää matemaattinen kaava, joka kuvaa näitä molempia fotoneja samanaikaisesti. Tämän seurauksena, jos tutkijat voivat kvantifioida kuinka vahva kahden fotonin "osittaisuus" ja "aallonpituus" ovat, kvantifiointia voidaan soveltaa koko kiteen saavuttavaan säteeseen.
Itse asiassa tutkijat onnistuivat. He mittasivat, kuinka aaltoileva fotoni oli tarkistamalla häiriökuvion näkyvyyttä. Kun näkyvyys oli korkea, fotoni oli hyvin aaltomainen. Kun kuvio oli tuskin näkyvissä, he päättelivät, että fotonin on oltava hyvin paljon hiukkasen kaltainen.
Ja tämä näkyvyys oli sattumaa. Se oli korkein, kun molemmat kiteet saivat saman lasersäteen intensiteetin. Kuitenkin, jos yhden kiteen säde oli paljon voimakkaampi kuin toisesta, kuvion näkyvyys heikkeni ja fotonit näyttivät todennäköisemmin hiukkasilta.
Tämä tulos on yllättävä, koska useimmissa kokeissa valoa mitataan vain aaltojen tai hiukkasten muodossa. Nykyään useissa kokeissa molemmat parametrit mitattiin samanaikaisesti. Tämä tarkoittaa, että on helppo määrittää, kuinka paljon kutakin valonlähteen ominaisuutta on.
Mielenkiintoista myös: QuTech käynnistää selaimen kvantti-internetille
Teoreettiset fyysikot ovat iloisia
Tämä tulos vastaa teoreetikkojen aiemmin tekemää ennustetta. Heidän teoriansa mukaan kvanttiobjektin aaltomainen ja korpuskulaarisuus riippuu lähteen puhtaudesta. Puhtaus tässä yhteydessä on vain hieno tapa ilmaista todennäköisyys, että tietty kidelähde on se, joka lähettää valoa. Kaava on seuraava: V2 + P2 = µ2, jossa V on suuntakuvion näkyvyys, P on polun näkyvyys ja µ on lähteen puhtaus.
Tämä tarkoittaa, että kvanttiobjekti, kuten valo, voi olla jossain määrin aaltomainen ja jossain määrin hiukkasmainen, mutta tätä rajoittaa lähteen puhtaus. Kvanttiobjekti on aaltomainen, jos häiriökuvio on näkyvissä tai jos V:n arvo ei ole nolla. Se on myös hiukkasen kaltainen, jos polku on havaittavissa tai jos P ei ole nolla.
Toinen tämän ennusteen seuraus on, että puhtaus on, että jos kvanttipolun kietoutuminen on korkea, puhtaus on alhainen ja päinvastoin. Kokeen suorittaneet tutkijat osoittivat tämän matemaattisesti työssään. Säätämällä kiteiden puhtautta ja mittaamalla tuloksia he pystyivät osoittamaan, että nämä teoreettiset ennusteet olivat todellakin oikeita.
Mielenkiintoista myös: NASA käynnistää kvanttitietokoneita tietojen "vuorten" käsittelemiseksi ja tallentamiseksi
Nopeammat kvanttitietokoneet?
Erityisen mielenkiintoinen on kvanttiobjektin kietoutumisen ja sen korpuskulaarisuuden ja aaltoilun välinen yhteys. Kvantti-Internetin virtalähteenä toimivat kvanttilaitteet perustuvat sotkeutumiseen. Kvantti-Internet on kvanttianalogia siitä, mitä Internet on klassisille tietokoneille. Yhdistämällä monet kvanttitietokoneet yhteen ja antamalla niiden jakaa tietoja, tutkijat toivovat saavansa enemmän tehoa kuin yhdellä kvanttitietokoneella voitaisiin saavuttaa.
Mutta sen sijaan, että lähettäisimme bittejä alas optista kuitua pitkin, mitä teemme saadaksemme tehon klassiseen Internetiin, meidän on sotkettava kubitit muodostamaan kvantti-internet. Mahdollisuus mitata hiukkasen kietoutumista ja fotonin aaltoilua tarkoittaa, että voimme löytää yksinkertaisempia tapoja hallita kvanttiinternetin laatua.
Lisäksi kvanttitietokoneet itse voivat kehittyä paremmin käyttämällä hiukkasaaltodualismia. Kiinalaisen Tsinghuan yliopiston tutkijoiden ehdotuksen mukaan pientä kvanttitietokonetta on mahdollista ajaa monirakoisen hilan läpi tehon lisäämiseksi. Pieni kvanttitietokone koostuisi muutamasta atomista, joita itseään käytetään kubitteina, ja tällaisia laitteita on jo olemassa.
Näiden atomien kuljettaminen monirakoisen hilan läpi on hyvin samanlaista kuin valon kuljettaminen kaksoisraon läpi, vaikkakin tietysti hieman monimutkaisempaa. Tämä luo enemmän mahdollisia kvanttitiloja, mikä puolestaan lisää "sytytetyn" tietokoneen tehoa. Tämän takana oleva matematiikka on liian monimutkaista selitettäväksi tässä artikkelissa, mutta tärkeä tulos on, että tällainen kaksikvanttitietokone voi olla parempi rinnakkaislaskennassa kuin perinteiset kvanttitietokoneet. Rinnakkaislaskenta on yleistä myös klassisessa laskennassa ja viittaa periaatteessa tietokoneen kykyyn suorittaa useita laskutoimituksia samanaikaisesti, mikä tekee siitä kaiken kaikkiaan nopeamman.
Joten vaikka tämä on hyvin perustutkimusta, mahdolliset sovellukset ovat jo horisontissa. Tällä hetkellä sitä on mahdotonta todistaa, mutta nämä löydöt voivat nopeuttaa kvanttitietokoneita ja hieman nopeuttaa kvantti-internetin syntyä.
Mielenkiintoista myös: Kiina on luonut kvanttitietokoneen, joka on miljoona kertaa tehokkaampi kuin Googlen
Erittäin perustavanlaatuinen, mutta erittäin mielenkiintoinen
Kaikki tämä on otettava suurella skeptisesti. Tutkimus on vankka, mutta se on myös hyvin perustietoa. Kuten tieteessä ja teknologiassa yleensä tapahtuu, perustutkimuksesta tosielämän sovelluksiin on pitkä matka.
Mutta Korean tutkijat löysivät yhden erittäin mielenkiintoisen asian: hiukkasaaltojen dualismin mysteeri ei katoa pian. Päinvastoin, se näyttää juurtuneen niin syvälle kaikkiin kvanttiobjekteihin, että sitä on parempi käyttää. Lähteen puhtauteen liittyvän uuden kvantitatiivisen perustan ansiosta tämä on helpompi tehdä.
Yksi ensimmäisistä käyttötapauksista saattaa esiintyä kvanttilaskennassa. Kuten tiedemiehet ovat osoittaneet, kvanttisekoittuminen ja hiukkasaaltojen dualismi liittyvät toisiinsa. Siten sotkeutumisen sijasta voitiin mitata aaltoilun ja korpuskulaarisuuden määrä. Tämä voisi auttaa tutkijoita luomaan kvantti-internetin. Tai voit käyttää kaksinaisuus parantaa kvanttitietokoneita ja tehdä niistä nopeampia. Joka tapauksessa näyttää siltä, että jännittävät kvanttiajat ovat aivan nurkan takana.
Lue myös:
Kiitos artikkelista! "Mahdolliset ohjelmat ovat jo horisontissa" - ei luultavasti ohjelmia, vaan sovelluksia?
Kiitos, erittäin mielenkiintoista. Lisää tällaisia artikkeleita.
Kiitos! Me yritämme ;)