1920 年代には、原子の振る舞いから量子コンピューターの動作まで、あらゆるものの基礎となる理論である量子力学が、広く受け入れられるようになりつつありました。 しかし、 つの謎が残っていました。それは、電子、原子、分子などの量子オブジェクトが粒子のように振る舞うこともあれば、波のように振る舞うこともあるということです。 粒子と波のように同時に振る舞うことさえあります。 したがって、これらの量子オブジェクトを研究するとき、科学者が計算でどのアプローチを使用すべきかは明確ではありませんでした。
科学者は、正しい結果を得るために、量子オブジェクトが波であると仮定しなければならない場合がありました。 それ以外の場合は、オブジェクトが実際には粒子であると想定する必要がありました。 どちらの方法でもうまくいく場合がありました。 しかし、他のケースでは、一方のアプローチのみが正しい結果を生成し、他方のアプローチは偽の結果を返しました。 この問題の歴史は古くからありますが、最近の実験により、この古い問題に新たな光が当てられました。
量子の歴史
1801 年に Thomas Young によって最初に行われた同名の二重スリット実験では、光は波のように振る舞いました。 この実験では、レーザー ビームが二重スリットに向けられ、結果のパターンが観察されます。 光が粒子で構成されている場合、 つのスリット状の光のブロックが予想されます。 代わりに、特徴的なパターンで配置された多くの小さな光のブロックが得られます。 水流に二重スリットを配置すると、真下に同じパターンが生じます。 したがって、この実験は、光が波であるという結論につながりました。
そして1881年、ハインリヒ・ヘルツが面白い発見をしました。 彼が 1905 つの電極を取り、それらの間に十分に高い電圧を加えると、火花が現れました。 これは正常です。 しかし、ヘルツがこれらの電極に光を当てると、火花電圧が変化しました。 これは、光が電極材料から電子をノックアウトしたという事実によって説明されました。 しかし、奇妙なことに、放出された電子の最大速度は、光の強度が変化しても変化せず、光の周波数によって変化しました。 波動理論が正しければ、この結果はあり得ません。 年、アルバート アインシュタインは解決策を見つけました。光は実際には粒子でした。 これはすべて不満足でした。 科学者は、常に真である つの理論よりも、真である場合もある つの理論を好みます。 そして、理論が時々しか真でない場合、少なくともどのような条件下でそれが真であるかを言えるようになりたい.
しかし、これがまさにこの発見の問題でした。 物理学者は、光やその他の物体をいつ波と見なし、いつ粒子と見なすかを知りませんでした。 彼らは、スリットの端など、波のような挙動を引き起こすものがあることを知っていました。 しかし、彼らは、なぜそうなるのか、またどのような理論をいつ使うべきかについて明確な説明を持っていませんでした.
このなぞなぞと呼ばれる 粒子波二元論、まだ保存されています。 しかし、新たな研究によって状況が明らかになるかもしれません。 韓国基礎科学研究院の科学者は、光源の特性が、それが粒子であるか波であるかに影響することを示しました。 この問題を研究するための新しいアプローチにより、彼らは量子コンピューティングの改善につながる可能性さえある道を切り開きました。 またはそのような希望。
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粒子と波の作り方
実験では、科学者は半反射ミラーを使用してレーザービームを つの部分に分割しました。 これらの光線のそれぞれが結晶に当たり、次に つの光子が生成されます。 各結晶から つずつ、合計 つの光子が放出されます。
科学者たちは、各結晶から つの光子を干渉計に送りました。 このデバイスは、 つの光源を組み合わせて干渉パターンを作成します。 このパターンは、前述の スリット実験で Thomas Young によって最初に発見されました。 これは、池に つの石を投げたときにも見られます。水の波紋は、互いに補強し合い、互いに中和します。 つまり、干渉計は光の波動性を検出します。
他の つの光子の経路は、粒子の特性を決定するために使用されました。 論文の著者はこれをどのように行ったかを特定していませんが、通常は、光子がどこに行ったかを示す材料に光子を通過させることによって行われます。 たとえば、ガスを通してフォトンを発射すると、フォトンが通過した場所で発火します。 最終目的地ではなく軌道に焦点を当てることで、光子は波になることができます。 これは、各瞬間に光子の正確な位置を測定すると、点のようになり、それ自体に衝突することができないためです。
これは、測定が測定結果に積極的に影響する量子物理学の多くの例の つです。 したがって、実験のこの部分では、光子軌道の最後に干渉パターンはありませんでした。 このようにして、研究者は光子が粒子になる方法を発見しました。 ここでの課題は、このうちどれだけが粒子で、どれだけ波のキャラクターが残っているかを定量化することでした。
同じ結晶の両方の光子が一緒に生成されるため、それらは単一の量子状態を形成します。 これは、これらの光子の両方を同時に記述する数式を見つけることができることを意味します。 その結果、研究者が つの光子の「部分性」と「波長」がどれほど強いかを定量化できれば、その定量化を結晶に到達するビーム全体に適用できます。
実際、研究者たちは成功しました。 彼らは、干渉パターンの可視性をチェックすることによって、光子がどの程度波打っているかを測定しました。 視程が高いとき、光子は非常に波のようでした。 パターンがほとんど見えなくなったとき、彼らは光子が粒子に非常に似ているに違いないと結論付けました。
そして、この可視性は偶然でした。 両方の結晶が同じ強度のレーザービームを受け取ったとき、それは最高でした。 ただし、一方の結晶からのビームが他方よりもはるかに強い場合、パターンの可視性は非常に弱くなり、光子は粒子のように見える可能性が高くなります。
ほとんどの実験では、光は波または粒子の形でのみ測定されるため、この結果は驚くべきものです。 今日、いくつかの実験で、両方のパラメータが同時に測定されました。 これは、光源が持つ各プロパティの量を簡単に判断できることを意味します。
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理論物理学者は喜ぶ
この結果は、理論家による以前の予測に対応しています。 彼らの理論によれば、量子物体がどの程度波状で粒子状であるかは、ソースの純度に依存します。 この文脈における純度は、特定の結晶源が光を発するものである可能性を表現する単なる派手な方法です. 式は次のとおりです。V2 + P2 = µ2、ここで、V は指向性パターンの可視性、P はパスの可視性、µ はソースの純度です。
これは、光などの量子オブジェクトがある程度波のようになり、ある程度粒子のようになる可能性があることを意味しますが、これは光源の純度によって制限されます。 干渉パターンが見える場合、または V の値がゼロでない場合、量子オブジェクトは波状です。 また、パスが観測可能である場合、または P がゼロでない場合は、粒子のようなものです。
この予測のもう つの結果は、量子パスのエンタングルメントが高い場合は純度が低く、逆もまた真であるということです。 実験を行った科学者は、これを数学的に示しました。 結晶の純度を調整し、結果を測定することで、これらの理論的予測が実際に正しいことを示すことができました。
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より高速な量子コンピューター?
量子物体のエンタングルメントとその粒子性およびうねりとの間の関係は、特に興味深いものです。 量子インターネットを駆動できる量子デバイスは、エンタングルメントに基づいています。 量子インターネットは、古典的なコンピューターにとってのインターネットの量子アナロジーです。 多くの量子コンピューターを接続してデータを共有できるようにすることで、科学者は、単一の量子コンピューターで達成できるよりも多くのパワーを獲得したいと考えています。
しかし、従来のインターネットに電力を供給するためにビットを光ファイバーで送信する代わりに、量子ビットを絡ませて量子インターネットを形成する必要があります。 粒子のもつれと光子のうねりを測定できるということは、量子インターネットの品質を制御するより簡単な方法を見つけることができるということです。
さらに、粒子と波動の二元論を利用することで、量子コンピューター自体がより優れたものになる可能性があります。 中国の清華大学の研究者の提案によると、マルチスリット格子を介して小さな量子コンピューターを実行して、そのパワーを高めることが可能です。 小さな量子コンピューターは、それ自体がキュービットとして使用されるいくつかの原子で構成され、そのようなデバイスはすでに存在します。
これらの原子をマルチスリット格子に通過させることは、光を二重スリットに通過させるのと非常に似ていますが、もちろんもう少し複雑です。 これにより、より多くの可能性のある量子状態が作成され、「起動された」コンピューターの能力が向上します。 この背後にある数学は複雑すぎて、この論文で説明することはできませんが、重要な結果は、このような 量子コンピューターは、従来の量子コンピューターよりも並列計算で優れている可能性があるということです。 並列コンピューティングは古典的なコンピューティングでも一般的であり、基本的にはコンピューターが複数の計算を同時に実行して全体的に高速化する能力を指します。
したがって、これは非常に基礎的な研究ですが、可能性のあるアプリケーションはすでに地平線上にあります。 現時点で証明することは不可能ですが、これらの発見は量子コンピューターを高速化し、量子インターネットの出現をわずかに加速させる可能性があります。
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非常に基本的ですが、非常に興味深い
これらすべては、非常に懐疑的に受け止めるべきです。 研究はしっかりしていますが、非常に基本的でもあります。 科学技術ではよくあることですが、基礎研究から実際の応用までには長い道のりがあります。
しかし、韓国の研究者は、非常に興味深いことを つ発見しました。それは、粒子と波の二元論の謎がすぐに消えることはないということです。 それどころか、すべての量子オブジェクトに深く根ざしているように見えるので、それを使用する方が良い. ソースの純度に関連する新しい定量的基準により、これはより簡単に行うことができます。
最初のユースケースの つは、量子コンピューティングで発生する可能性があります。 科学者が示したように、量子もつれと粒子波二元論は関連しています。 したがって、もつれの代わりに、うねりと微粒子の量を測定できます。 これは、科学者が量子インターネットの作成に取り組むのに役立つ可能性があります。 または、使用できます 二元性 量子コンピューターを改善し、高速化します。 いずれにせよ、エキサイティングな量子時代が間近に迫っているようです。
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記事をありがとう！ 「可能性のあるプログラムはすでに地平線上にあります」 - おそらくプログラムではなく、アプリケーションですか?
ありがとう、とても興味深い。 さらにそのような記事。
ありがとうございました！ 私達がやってみる ;）