Praėjusio amžiaus 1920 dešimtmetyje kvantinė mechanika, teorija, kuria grindžiama viskas, pradedant atomų elgesiu ir baigiant kvantinių kompiuterių veikimu, buvo plačiai pripažinta. Tačiau išliko viena paslaptis: kartais kvantiniai objektai, tokie kaip elektronai, atomai ir molekulės, elgiasi kaip dalelės, kiti – kaip bangos. Kartais jie netgi elgiasi kaip dalelės ir bangos vienu metu. Todėl tiriant šiuos kvantinius objektus niekada nebuvo aišku, kokį metodą mokslininkai turėtų naudoti savo skaičiavimuose.
Kartais mokslininkai turėjo manyti, kad kvantiniai objektai yra bangos, kad gautų teisingą rezultatą. Kitais atvejais jie turėjo manyti, kad objektai iš tikrųjų buvo dalelės. Kartais pasiteisino bet kuris metodas. Tačiau kitais atvejais tik vienas metodas davė teisingą rezultatą, o kitas – klaidingą rezultatą. Šios problemos istorija siekia ilgą laiką, tačiau naujausi eksperimentai atskleidė šį seną klausimą naujai.
Kvantinė istorija
To paties pavadinimo dvigubo plyšio eksperimente, kurį pirmą kartą atliko Thomas Young 1801 m., šviesa elgėsi kaip bangos. Šiame eksperimente lazerio spindulys nukreipiamas į dvigubą plyšį, o tada žiūrima į gautą modelį. Jei šviesą sudarytų dalelės, būtų galima tikėtis dviejų plyšio formos šviesos blokų. Vietoj to, rezultatas yra daug mažų šviesos blokų, išdėstytų būdingu modeliu. Įdėjus dvigubą plyšį į vandens srovę, būtų gautas toks pat raštas žemiau. Taigi šis eksperimentas leido padaryti išvadą, kad šviesa yra banga.
Tada, 1881 m., Heinrichas Hertzas padarė juokingą atradimą. Kai jis paėmė du elektrodus ir tarp jų panaudojo pakankamai aukštą įtampą, atsirado kibirkštys. Tai normalu. Tačiau kai Hertz apšvietė šiuos elektrodus, kibirkšties įtampa pasikeitė. Tai buvo paaiškinta tuo, kad šviesa išmušė elektronus iš elektrodo medžiagos. Tačiau, kaip bebūtų keista, didžiausias išmestų elektronų greitis nepasikeitė, jei kinta šviesos intensyvumas, o keitėsi kartu su šviesos dažniu. Šis rezultatas būtų neįmanomas, jei bangų teorija būtų teisinga. 1905 m. Albertas Einšteinas turėjo sprendimą: šviesa iš tikrųjų buvo dalelė. Visa tai buvo nepatenkinama. Mokslininkai teikia pirmenybę vienai teorijai, kuri visada yra teisinga, o ne dviem teorijoms, kurios kartais yra teisingos. Ir jei teorija yra teisinga tik kartais, tai mes bent jau norėtume pasakyti, kokiomis sąlygomis ji yra tiesa.
Tačiau būtent tai buvo šio atradimo problema. Fizikai nežinojo, kada šviesą ar bet kurį kitą objektą laikyti banga, o kada – dalele. Jie žinojo, kad kai kurie dalykai sukelia banginį elgesį, pavyzdžiui, plyšių kraštai. Tačiau jie neturėjo aiškaus paaiškinimo, kodėl taip yra ir kada naudoti kokią nors teoriją.
Ši mįslė vadinama korpuskulinės bangos dualizmas, vis dar saugomas. Tačiau naujas tyrimas gali šiek tiek paaiškinti situaciją. Korėjos pagrindinių mokslų instituto mokslininkai įrodė, kad šviesos šaltinio savybės turi įtakos tam, kiek tai yra dalelė ir kiek tai banga. Taikydami naują požiūrį į šios problemos tyrimą, jie nutiesė kelią, kuris netgi gali patobulinti kvantinį skaičiavimą. Arba tokios viltys.
Taip pat įdomu: „Google“ kvantiniai procesoriai užima daugiau laiko nei teorija
Kaip sukurti daleles ir bangas
Eksperimento metu mokslininkai naudojo pusiau atspindintį veidrodį, kad padalintų lazerio spindulį į dvi dalis. Kiekvienas iš šių spindulių patenka į kristalą, kuris savo ruožtu sukuria du fotonus. Iš viso išspinduliuojami keturi fotonai, po du iš kiekvieno kristalo.
Mokslininkai į interferometrą pasiuntė po vieną fotoną iš kiekvieno kristalo. Šis įrenginys sujungia du šviesos šaltinius ir sukuria trukdžių modelį. Šį modelį pirmasis atrado Thomas Youngas, atlikęs minėtą dviejų plyšių eksperimentą. Tai matosi ir įmetus į tvenkinį du akmenis: vandens čiurlenimai, kurių vieni vienas kitą sustiprina, kiti neutralizuoja. Kitaip tariant, interferometras aptinka šviesos banginį pobūdį.
Kitų dviejų fotonų keliai buvo naudojami jų korpuskulinėms charakteristikoms nustatyti. Nors straipsnio autoriai nenurodė, kaip tai padarė, dažniausiai tai daroma perleidžiant fotoną per medžiagą, kuri parodo, kur nukeliavo fotonas. Pavyzdžiui, galite iššauti fotoną per dujas, kurios tada užsidegs ten, kur fotonas praėjo. Sutelkiant dėmesį į trajektoriją, o ne į galutinį tikslą, fotonas gali būti banga. Taip yra todėl, kad jei kiekvienu laiko momentu išmatuojate tikslią fotono vietą, jis yra taškinis ir negali pataikyti į save.
Tai vienas iš daugelio kvantinės fizikos pavyzdžių, kai matavimas aktyviai veikia minėto matavimo rezultatus. Todėl šioje eksperimento dalyje trukdžių modelio fotono trajektorijos pabaigoje nebuvo. Taigi mokslininkai išsiaiškino, kaip fotonas gali būti dalelė. Dabar iššūkis buvo kiekybiškai įvertinti, kiek tai buvo dalelė ir kiek liko bangos pobūdžio.
Kadangi abu to paties kristalo fotonai yra gaminami kartu, jie sudaro vieną kvantinę būseną. Tai reiškia, kad galima rasti matematinę formulę, kuri vienu metu apibūdina abu šiuos fotonus. Todėl, jei mokslininkai gali kiekybiškai įvertinti dviejų fotonų „dalumą“ ir „bangos ilgį“, tą kiekybinį įvertinimą galima pritaikyti visam pluoštui, pasiekiančiam kristalą.
Iš tiesų, tyrėjams pavyko. Jie išmatavo, kaip banguotas fotonas, patikrindami trukdžių modelio matomumą. Kai matomumas buvo didelis, fotonas buvo labai panašus į bangas. Kai raštas buvo vos matomas, jie padarė išvadą, kad fotonas turi būti labai panašus į dalelę.
Ir šis regėjimas buvo atsitiktinis. Jis buvo didžiausias, kai abu kristalai gavo tokį patį lazerio spindulio intensyvumą. Tačiau jei vieno kristalo spindulys buvo daug intensyvesnis nei kito, modelio matomumas tapo labai silpnas, o fotonai labiau atrodė kaip dalelės.
Šis rezultatas stebina, nes daugumoje eksperimentų šviesa matuojama tik bangų ar dalelių pavidalu. Šiandien keliuose eksperimentuose abu parametrai buvo matuojami vienu metu. Tai reiškia, kad nesunku nustatyti, kiek kiekvienos savybės turi šviesos šaltinis.
Taip pat įdomu: „QuTech“ paleidžia kvantinio interneto naršyklę
Teoriniai fizikai džiaugiasi
Šis rezultatas atitinka anksčiau teoretikų prognozę. Pagal jų teoriją, kiek banginis ir korpuskulinis yra kvantinis objektas, priklauso nuo šaltinio grynumo. Grynumas šiame kontekste yra tik išgalvotas būdas išreikšti tikimybę, kad tam tikras kristalinis šaltinis skleis šviesą. Formulė yra tokia: V2 + P2 = µ2, kur V – krypties modelio matomumas, P – kelio matomumas, o µ – šaltinio grynumas.
Tai reiškia, kad kvantinis objektas, pavyzdžiui, šviesa, tam tikru mastu gali būti panašus į bangą ir tam tikru mastu panašus į daleles, tačiau tai riboja šaltinio grynumas. Kvantinis objektas yra panašus į bangą, jei matomas trukdžių modelis arba jei V reikšmė nėra lygi nuliui. Be to, jis panašus į daleles, jei kelias yra stebimas arba jei P yra nulis.
Kita šios prognozės pasekmė yra ta, kad grynumas yra tas, kad jei kvantinio kelio įsipainiojimas yra didelis, grynumas yra mažas ir atvirkščiai. Eksperimentą atlikę mokslininkai savo darbe tai parodė matematiškai. Nustatydami kristalų grynumą ir išmatuodami rezultatus, jie sugebėjo parodyti, kad šios teorinės prognozės iš tikrųjų buvo teisingos.
Taip pat įdomu: NASA paleis kvantinius kompiuterius, skirtus apdoroti ir saugoti duomenų „kalnus“.
Greitesni kvantiniai kompiuteriai?
Ypač įdomus yra ryšys tarp kvantinio objekto įsipainiojimo ir jo korpuskuliškumo bei banguotumo. Kvantiniai įrenginiai, galintys maitinti kvantinį internetą, yra pagrįsti įsipainiojimu. Kvantinis internetas yra kvantinė analogija to, kas internetas yra klasikiniams kompiuteriams. Sujungę daugybę kvantinių kompiuterių ir leisdami jiems dalytis duomenimis, mokslininkai tikisi įgyti daugiau galios, nei būtų galima pasiekti naudojant vieną kvantinį kompiuterį.
Tačiau užuot siuntę bitus per optinį skaidulą, ką mes darome, kad įjungtume klasikinį internetą, turime supainioti kubitus, kad sudarytume kvantinį internetą. Galimybė išmatuoti dalelės įsipainiojimą ir fotono banguotumą reiškia, kad galime rasti paprastesnių kvantinio interneto kokybės kontrolės būdų.
Be to, patys kvantiniai kompiuteriai gali tapti geresni naudojant dalelių ir bangų dualizmą. Remiantis Kinijos Tsinghua universiteto mokslininkų pasiūlymu, galima paleisti nedidelį kvantinį kompiuterį per kelių plyšių gardelę, kad padidėtų jo galia. Nedidelį kvantinį kompiuterį sudarytų keli atomai, kurie patys naudojami kaip kubitai, ir tokie įrenginiai jau egzistuoja.
Šių atomų perdavimas per daugiaplyšį tinklelį yra labai panašus į šviesos praleidimą per dvigubą plyšį, nors, žinoma, šiek tiek sudėtingesnis. Tai sukurs daugiau galimų kvantinių būsenų, o tai savo ruožtu padidins „uždegusio“ kompiuterio galią. Matematika yra pernelyg sudėtinga, kad paaiškintume šiame darbe, tačiau svarbus rezultatas yra tas, kad toks dviejų kvantų kompiuteris gali geriau atlikti lygiagretųjį skaičiavimą nei įprasti kvantiniai kompiuteriai. Lygiagretusis skaičiavimas taip pat paplitęs klasikiniame skaičiavime ir iš esmės reiškia kompiuterio gebėjimą vienu metu atlikti kelis skaičiavimus, todėl apskritai jis yra greitesnis.
Taigi, nors tai yra labai pagrindiniai tyrimai, galimi pritaikymai jau yra horizonte. Šiuo metu to įrodyti neįmanoma, tačiau šie atradimai gali paspartinti kvantinius kompiuterius ir šiek tiek paspartinti kvantinio interneto atsiradimą.
Taip pat įdomu: Kinija sukūrė kvantinį kompiuterį, kuris yra milijoną kartų galingesnis už Google
Labai esminis, bet labai įdomus
Visa tai reikėtų vertinti labai skeptiškai. Tyrimas yra tvirtas, bet taip pat labai elementarus. Kaip paprastai būna mokslo ir technologijų srityse, nuo fundamentinių tyrimų iki realaus pritaikymo yra ilgas kelias.
Tačiau mokslininkai iš Korėjos atrado vieną labai įdomų dalyką: dalelių ir bangų dualizmo paslaptis greitai neišnyks. Priešingai, atrodo, kad jis taip giliai įsišaknijęs visuose kvantiniuose objektuose, kad geriau jį naudoti. Naudojant naują kiekybinį pagrindą, susijusį su šaltinio grynumu, tai padaryti bus lengviau.
Vienas iš pirmųjų naudojimo atvejų gali įvykti naudojant kvantinį skaičiavimą. Kaip parodė mokslininkai, kvantinis įsipainiojimas ir dalelių-bangų dualizmas yra susiję. Taigi, vietoj įsipainiojimo, galima išmatuoti banguotumą ir korpuskuliškumą. Tai galėtų padėti mokslininkams, dirbantiems kuriant kvantinį internetą. Arba galite naudoti dvilypumas tobulinti kvantinius kompiuterius ir padaryti juos greitesnius. Bet kuriuo atveju atrodo, kad jaudinantys kvantiniai laikai jau visai šalia.
Taip pat skaitykite:
Ačiū už straipsnį! „Galimos programos jau horizonte“ – tikriausiai ne programos, o programos?
Ačiū, labai įdomu. Daugiau tokių straipsnių.
Dėkoju! Mes pabandysime ;)