Назад во 1920-тите, квантната механика, теоријата што лежи во основата на сè, од однесувањето на атомите до работата на квантните компјутери, беше на пат да добие широко прифатено. Но, остана една мистерија: понекогаш квантните објекти, како што се електроните, атомите и молекулите, се однесуваат како честички, други како бранови. Понекогаш дури и се однесуваат како честички и бранови во исто време. Затоа, при проучувањето на овие квантни објекти, никогаш не беше јасно каков пристап треба да користат научниците во нивните пресметки.
Понекогаш научниците мораа да претпостават дека квантните објекти се бранови за да го добијат точниот резултат. Во други случаи, тие мораа да претпостават дека предметите се всушност честички. Понекогаш било кој пристап функционирал. Но, во други случаи, само еден пристап го даде точниот резултат, додека другиот врати лажен резултат. Историјата на овој проблем датира одамна, но неодамнешните експерименти фрлија ново светло на ова старо прашање.
Квантна историја
Во истоимениот експеримент со двојни пресеци, првпат спроведен од Томас Јанг во 1801 година, светлината се однесувала како бранови. Во овој експеримент, ласерскиот зрак е насочен кон двоен шлиц, а потоа се гледа добиената шема. Ако светлината се состоеше од честички, би се очекувале два светлосни блока во облик на процеп. Наместо тоа, резултатот е многу мали светлосни блокови распоредени во карактеристична шема. Поставувањето двоен шлиц во водниот тек би резултирало со истиот модел веднаш подолу. Така, овој експеримент доведе до заклучок дека светлината е бран.
Потоа, во 1881 година, Хајнрих Херц дошол до смешно откритие. Кога зел две електроди и применил доволно висок напон меѓу нив, се појавиле искри. Ова е нормално. Но, кога Херц ги осветли овие електроди, напонот на искрата се промени. Ова беше објаснето со фактот дека светлината ги исфрли електроните од материјалот на електродата. Но, доволно чудно, максималната брзина на исфрлените електрони не се менувала доколку се промени интензитетот на светлината, туку се менувала со фреквенцијата на светлината. Овој резултат би бил невозможен доколку теоријата на брановите била вистинита. Во 1905 година, Алберт Ајнштајн имал решение: светлината всушност била честичка. Сето ова беше незадоволително. Научниците претпочитаат една теорија која е секогаш вистинита на две теории кои понекогаш се вистинити. И ако една теорија е вистинита само понекогаш, тогаш барем би сакале да можеме да кажеме под кои услови е вистинита.
Но, токму тоа беше проблемот со ова откритие. Физичарите не знаеле кога светлината или кој било друг предмет да ја сметаат за бран, а кога за честичка. Тие знаеја дека некои работи предизвикуваат однесување слично на бранови, како што се рабовите на процепите. Но, тие немаа јасно објаснување зошто е тоа така или кога да користат некоја теорија.
Оваа загатка се нарекува дуализам со корпускуларен бран, сè уште е зачуван. Но, една нова студија може да фрли малку светлина на ситуацијата. Научниците од Корејскиот институт за основни науки покажаа дека својствата на изворот на светлина влијаат на тоа колку е честичка, а колку бран. Со нов пристап за проучување на овој проблем, тие отворија пат кој може дури да доведе до подобрувања во квантното пресметување. Или такви надежи.
Исто така интересно: На квантните процесори на Google им требаат временски кристали надвор од теоријата
Како да направите честички и бранови
Во експериментот, научниците користеле полурефлектирачко огледало за да го поделат ласерскиот зрак на два дела. Секој од овие зраци удира во кристалот, кој пак произведува два фотони. Се емитуваат вкупно четири фотони, по два од секој кристал.
Научниците испратија по еден фотон од секој кристал во интерферометарот. Овој уред комбинира два извори на светлина и создава шема на пречки. Овој модел прв го открил Томас Јанг во неговиот гореспоменатиот експеримент со два пресеци. Ова е исто така она што го гледате кога фрлате два камења во езерце: бранови од вода, од кои некои се зајакнуваат, а други се неутрализираат. Со други зборови, интерферометарот ја открива брановата природа на светлината.
Патеките на другите два фотони беа искористени за да се утврдат нивните корпускуларни карактеристики. Иако авторите на трудот не прецизирале како го направиле тоа, тоа обично се прави со поминување на фотон низ материјал кој покажува каде отишол фотонот. На пример, можете да снимате фотон низ гас, кој потоа ќе се запали каде што поминал фотонот. Со фокусирање на траекторијата наместо на крајната дестинација, фотонот може да биде бран. Тоа е затоа што ако ја измерите точната локација на фотонот во секој момент од времето, тогаш тој е точкаст и не може да се удри сам по себе.
Ова е еден од многуте примери во квантната физика каде мерењето активно влијае на исходот од споменатото мерење. Затоа, во овој дел од експериментот, образецот на пречки на крајот од траекторијата на фотонот беше отсутен. Така, истражувачите открија како фотонот може да биде честичка. Предизвикот сега беше да се измери колку од ова е честичка и колку останало од брановата природа.
Бидејќи двата фотони од ист кристал се произведуваат заедно, тие формираат единствена квантна состојба. Ова значи дека е можно да се најде математичка формула која ги опишува двата од овие фотони истовремено. Како резултат на тоа, ако истражувачите можат да квантифицираат колку се силни „парцијалноста“ и „брановата должина“ на два фотони, таа квантификација може да се примени на целиот зрак што допира до кристалот.
Навистина, истражувачите успеаја. Тие измериле колку е брановиден фотонот со проверка на видливоста на шемата на пречки. Кога видливоста беше висока, фотонот беше многу брановиден. Кога шаблонот едвај се гледал, тие заклучиле дека фотонот мора многу да личи на честичка.
И оваа видливост беше случајна. Тоа беше највисоко кога двата кристали добија ист интензитет на ласерскиот зрак. Меѓутоа, ако зракот од едниот кристал беше многу поинтензивен од другиот, видливоста на шаблонот стануваше многу слаба, а фотоните беше поверојатно да изгледаат како честички.
Овој резултат е изненадувачки бидејќи во повеќето експерименти светлината се мери само во форма на бранови или честички. Денес, во неколку експерименти, двата параметри беа измерени истовремено. Ова значи дека е лесно да се одреди колку од секое својство има изворот на светлина.
Исто така интересно: QuTech лансира прелистувач за квантен интернет
Теоретските физичари се воодушевени
Овој резултат кореспондира со предвидувањата дадени претходно од теоретичарите. Според нивната теорија, колку е брановиден и корпускуларен квантен објект зависи од чистотата на изворот. Чистотата во овој контекст е само фантастичен начин на изразување на веројатноста дека одреден кристален извор ќе биде оној што ја емитува светлината. Формулата е следна: V2 + P2 = µ2, каде што V е видливоста на насочната шема, P е видливоста на патеката и µ е чистотата на изворот.
Ова значи дека квантен објект како што е светлината може да биде брановиден до одреден степен и сличен на честички до одреден степен, но тоа е ограничено од чистотата на изворот. Квантен објект е брановиден ако е видлива шема на пречки или ако вредноста на V не е еднаква на нула. Исто така, тој е налик на честички ако патеката може да се набљудува или ако P е ненула.
Друга последица на ова предвидување е дека чистотата е дека ако заплетканоста на квантната патека е висока, чистотата е мала, и обратно. Научниците кои го спровеле експериментот тоа математички го покажале во својата работа. Со подесување на чистотата на кристалите и мерење на резултатите, тие можеа да покажат дека овие теоретски предвидувања се навистина точни.
Исто така интересно: НАСА ќе лансира квантни компјутери за обработка и складирање на „планините“ на податоци
Побрзи квантни компјутери?
Посебно интересна е врската помеѓу заплеткувањето на квантен објект и неговата корпускуларност и брановидност. Квантните уреди кои би можеле да го напојуваат квантниот интернет се засноваат на заплеткување. Квантниот Интернет е квантна аналогија на она што е Интернетот за класичните компјутери. Со поврзување на многу квантни компјутери заедно и дозволувајќи им да споделуваат податоци, научниците се надеваат дека ќе добијат повеќе моќ отколку што може да се постигне со еден квантен компјутер.
Но, наместо да испраќаме битови на оптичко влакно, што е она што го правиме за да го напојуваме класичниот интернет, треба да заплеткаме кубити за да формираме квантен интернет. Можноста да се измери заплетот на честичката и брановидноста на фотонот значи дека можеме да најдеме поедноставни начини за контрола на квалитетот на квантниот интернет.
Покрај тоа, самите квантни компјутери можат да станат подобри со користење на дуализам на бранови честички. Според предлогот на истражувачите од кинескиот универзитет Цингхуа, можно е да се вклучи мал квантен компјутер низ решетка со повеќе пресеци за да се зголеми неговата моќ. Мал квантен компјутер би се состоел од неколку атоми кои самите се користат како кјубити, а такви уреди веќе постојат.
Поминувањето на овие атоми низ решетка со повеќе процепи е многу слично на поминување на светлината низ двоен шлиц, иако се разбира малку покомплицирано. Ова ќе создаде повеќе можни квантни состојби, што, пак, ќе ја зголеми моќта на „испуканиот“ компјутер. Математиката зад ова е премногу комплицирана за да се објасни во овој труд, но важен резултат е дека таков двоквантен компјутер може да биде подобар во паралелно пресметување од конвенционалните квантни компјутери. Паралелното пресметување е исто така вообичаено во класичното пресметување и во основа се однесува на способноста на компјутерот да врши повеќе пресметки истовремено, што го прави побрз во целина.
Значи, иако ова е многу основно истражување, можните апликации се веќе на хоризонтот. Во моментов тоа е невозможно да се докаже, но овие откритија би можеле да ги забрзаат квантните компјутери и малку да го забрзаат појавувањето на квантниот интернет.
Исто така интересно: Кина создаде квантен компјутер кој е милион пати помоќен од оној на Google
Многу фундаментално, но многу интересно
Сето ова треба да се сфати со голема доза на скептицизам. Истражувањето е солидно, но исто така е многу основно. Како што обично се случува во науката и технологијата, има долг пат од основните истражувања до апликациите во реалниот свет.
Но, истражувачите од Кореја открија една многу интересна работа: мистеријата на дуализмот на честички бранови нема да исчезне наскоро. Напротив, се чини дека е толку длабоко вкоренет во сите квантни објекти што е подобро да се користи. Со новата квантитативна основа поврзана со чистотата на изворот, тоа ќе биде полесно да се направи.
Еден од првите случаи на употреба може да се појави во квантното пресметување. Како што покажаа научниците, квантното заплеткување и дуализмот на честички бранови се поврзани. Така, наместо заплеткување, можеше да се измери количината на брановидност и корпускуларност. Ова би можело да им помогне на научниците кои работат на создавање квантен интернет. Или можете да користите двојност да ги подобрат квантните компјутери и да ги направат побрзи. Во секој случај, изгледа дека возбудливите квантни времиња се веднаш зад аголот.
Прочитајте исто така:
Ви благодариме за статијата! „Веќе се на повидок можни програми“ - веројатно не програми, туку апликации?
Фала, многу интересно. Повеќе вакви статии.
Благодарам! Ќе се обидеме ;)