Tilbake på 1920-tallet var kvantemekanikken, teorien som ligger til grunn for alt fra atferden til atomer til driften av kvantedatamaskiner, på vei til å få bred aksept. Men ett mysterium gjensto: noen ganger oppfører kvanteobjekter, som elektroner, atomer og molekyler, seg som partikler, andre som bølger. Noen ganger oppfører de seg til og med som partikler og bølger på samme tid. Derfor, når de studerte disse kvanteobjektene, var det aldri klart hvilken tilnærming forskere skulle bruke i sine beregninger.
Noen ganger måtte forskere anta at kvanteobjekter var bølger for å få det riktige resultatet. I andre tilfeller måtte de anta at gjenstandene faktisk var partikler. Noen ganger fungerte begge tilnærmingene. Men i andre tilfeller ga bare én tilnærming det riktige resultatet, mens den andre ga et falskt resultat. Historien om dette problemet går langt tilbake, men nyere eksperimenter har kastet nytt lys over dette gamle spørsmålet.
Kvantehistorie
I dobbeltspalteeksperimentet med samme navn, først utført av Thomas Young i 1801, oppførte lys seg som bølger. I dette eksperimentet rettes en laserstråle mot en dobbel spalte, og deretter blir det resulterende mønsteret sett på. Hvis lys bestod av partikler, ville man forvente to spalteformede lysblokker. I stedet blir resultatet mange små lysblokker arrangert i et karakteristisk mønster. Plassering av en dobbel spalte i vannstrømmen vil resultere i samme mønster like under. Så dette eksperimentet førte til konklusjonen at lys er en bølge.
Så, i 1881, gjorde Heinrich Hertz en morsom oppdagelse. Da han tok to elektroder og la på en tilstrekkelig høy spenning mellom dem, dukket det opp gnister. Dette er normalt. Men da Hertz lyste lys på disse elektrodene, endret gnistspenningen seg. Dette ble forklart med at lyset slo elektroner ut av elektrodematerialet. Men merkelig nok endret ikke maksimalhastigheten til de utkastede elektronene seg hvis intensiteten til lyset endret seg, men endret seg med lysets frekvens. Dette resultatet ville være umulig hvis bølgeteorien var sann. I 1905 hadde Albert Einstein en løsning: lys var faktisk en partikkel. Alt dette var utilfredsstillende. Forskere foretrekker én teori som alltid er sann fremfor to teorier som noen ganger er sanne. Og hvis en teori bare er sann noen ganger, så vil vi i det minste gjerne kunne si under hvilke forhold den er sann.
Men dette var nettopp problemet med denne oppdagelsen. Fysikere visste ikke når de skulle betrakte lys eller andre objekter som en bølge og når som en partikkel. De visste at noen ting forårsaker bølgelignende oppførsel, for eksempel kantene på spaltene. Men de hadde ikke en klar forklaring på hvorfor det er slik eller når man skal bruke noen teori.
Denne gåten kalles korpuskulær-bølge dualisme, er fortsatt bevart. Men en ny studie kan kaste litt lys over situasjonen. Forskere fra Korea Institute of Basic Sciences har vist at egenskapene til lyskilden påvirker hvor mye det er en partikkel og hvor mye det er en bølge. Med en ny tilnærming til å studere dette problemet, har de banet en vei som til og med kan føre til forbedringer innen kvanteberegning. Eller slike forhåpninger.
Også interessant: Googles kvanteprosessorer tar mer tid enn teori
Hvordan lage partikler og bølger
I eksperimentet brukte forskerne et semi-reflekterende speil for å dele laserstrålen i to deler. Hver av disse strålene treffer krystallen, som igjen produserer to fotoner. Totalt sendes det ut fire fotoner, to fra hver krystall.
Forskerne sendte ett foton fra hver krystall inn i interferometeret. Denne enheten kombinerer to lyskilder og skaper et interferensmønster. Dette mønsteret ble først oppdaget av Thomas Young i hans nevnte eksperiment med to spalter. Dette er også det du ser når du kaster to steiner i en dam: krusninger av vann, hvorav noen forsterker hverandre og andre nøytraliserer hverandre. Med andre ord, interferometeret oppdager lysets bølgenatur.
Banene til de to andre fotonene ble brukt til å bestemme deres korpuskulære egenskaper. Selv om forfatterne av artikkelen ikke spesifiserte hvordan de gjorde dette, gjøres det vanligvis ved å føre et foton gjennom et materiale som viser hvor fotonet gikk. Du kan for eksempel skyte et foton gjennom en gass, som da vil antennes der fotonet passerte. Ved å fokusere på banen i stedet for den endelige destinasjonen, kan fotonet være en bølge. Dette er fordi hvis du måler den nøyaktige plasseringen av fotonet i hvert øyeblikk, så er det punktlignende og kan ikke treffe seg selv.
Dette er ett av mange eksempler innen kvantefysikk hvor en måling aktivt påvirker resultatet av nevnte måling. Derfor, i denne delen av eksperimentet, var interferensmønsteret på slutten av fotonbanen fraværende. Dermed fant forskerne ut hvordan et foton kan være en partikkel. Utfordringen nå var å kvantifisere hvor mye av dette som var en partikkel og hvor mye som var igjen av bølgekarakteren.
Siden begge fotonene av samme krystall produseres sammen, danner de en enkelt kvantetilstand. Dette betyr at det er mulig å finne en matematisk formel som beskriver begge disse fotonene samtidig. Som et resultat, hvis forskere kan kvantifisere hvor sterk "partialiteten" og "bølgelengden" til to fotoner er, kan den kvantifiseringen brukes på hele strålen som når krystallen.
Forskerne lyktes faktisk. De målte hvor bølget fotonet var ved å sjekke synligheten til interferensmønsteret. Når sikten var høy, var fotonet veldig bølgeaktig. Da mønsteret knapt var synlig, konkluderte de med at fotonet må være veldig likt en partikkel.
Og denne sikten var tilfeldig. Det var høyest når begge krystallene fikk samme intensitet som laserstrålen. Men hvis strålen fra den ene krystallen var mye mer intens enn den andre, ble synligheten av mønsteret veldig svak, og det var mer sannsynlig at fotonene så ut som partikler.
Dette resultatet er overraskende fordi lys i de fleste eksperimenter kun måles i form av bølger eller partikler. I dag, i flere forsøk, ble begge parameterne målt samtidig. Dette betyr at det er enkelt å fastslå hvor mye av hver egenskap en lyskilde har.
Også interessant: QuTech lanserer en nettleser for kvanteinternett
Teoretiske fysikere er henrykte
Dette resultatet tilsvarer spådommen tidligere gjort av teoretikere. I følge deres teori avhenger hvor bølgelignende og korpuskulær et kvanteobjekt er av renheten til kilden. Renhet i denne sammenhengen er bare en fancy måte å uttrykke sannsynligheten for at en bestemt krystallinsk kilde vil være den som sender ut lyset. Formelen er som følger: V2 + P2 = µ2, der V er synligheten til retningsmønsteret, P er synligheten til banen, og µ er renheten til kilden.
Dette betyr at et kvanteobjekt som lys kan være bølgelignende til en viss grad og partikkellignende til en viss grad, men dette begrenses av kildens renhet. Et kvanteobjekt er bølgelignende hvis et interferensmønster er synlig eller hvis verdien av V ikke er lik null. Det er også partikkellignende hvis banen er observerbar eller hvis P ikke er null.
En annen konsekvens av denne spådommen er at renheten er at hvis sammenfiltringen av kvantebanen er høy, er renheten lav, og omvendt. Forskerne som utførte eksperimentet viste dette matematisk i arbeidet sitt. Ved å justere renheten til krystallene og måle resultatene, var de i stand til å vise at disse teoretiske spådommene faktisk var korrekte.
Også interessant: NASA vil lansere kvantedatamaskiner for å behandle og lagre "fjell" av data
Raskere kvantedatamaskiner?
Forbindelsen mellom sammenfiltringen av et kvanteobjekt og dets korpuskulærhet og bølgeform er spesielt interessant. Kvanteenhetene som kan drive kvanteinternettet er basert på sammenfiltring. Kvanteinternett er en kvanteanalogi av hva Internett er for klassiske datamaskiner. Ved å koble mange kvantedatamaskiner sammen og la dem dele data, håper forskerne å få mer kraft enn det som kan oppnås med en enkelt kvantedatamaskin.
Men i stedet for å sende biter nedover en optisk fiber, som er det vi gjør for å drive det klassiske internett, må vi vikle qubits for å danne kvanteinternettet. Å kunne måle sammenfiltringen av en partikkel og bølgekraften til et foton betyr at vi kan finne enklere måter å kontrollere kvaliteten på kvanteinternettet.
I tillegg kan kvantedatamaskiner selv bli bedre ved å bruke partikkelbølgedualisme. Ifølge forslag fra forskere fra Kinas Tsinghua-universitet er det mulig å kjøre en liten kvantedatamaskin gjennom et multi-spaltegitter for å øke kraften. En liten kvantedatamaskin vil bestå av noen få atomer som i seg selv brukes som qubits, og slike enheter finnes allerede.
Å føre disse atomene gjennom et flerspaltegitter er veldig likt å føre lys gjennom en dobbel spalte, selv om det selvfølgelig er litt mer komplisert. Dette vil skape flere mulige kvantetilstander, som igjen vil øke kraften til den "avfyrte" datamaskinen. Matematikken bak dette er for komplisert til å forklare i denne oppgaven, men det viktige resultatet er at en slik to-kvantedatamaskin kan være bedre på parallellberegning enn konvensjonelle kvantedatamaskiner. Parallell databehandling er også vanlig i klassisk databehandling og refererer i utgangspunktet til en datamaskins evne til å utføre flere beregninger samtidig, noe som gjør det raskere totalt sett.
Så selv om dette er veldig grunnleggende forskning, er mulige anvendelser allerede i horisonten. For øyeblikket er det umulig å bevise, men disse funnene kan øke hastigheten på kvantedatamaskiner og litt fremskynde fremveksten av kvanteinternettet.
Også interessant: Kina har laget en kvantedatamaskin som er en million ganger kraftigere enn Googles
Veldig grunnleggende, men veldig interessant
Alt dette bør tas med stor skepsis. Forskningen er solid, men den er også veldig grunnleggende. Som vanligvis er tilfellet innen vitenskap og teknologi, er det en lang vei fra grunnforskning til virkelige applikasjoner.
Men forskere fra Korea oppdaget en veldig interessant ting: mysteriet med partikkelbølgedualisme vil ikke forsvinne med det første. Tvert imot, det ser ut til å være så dypt forankret i alle kvanteobjekter at det er bedre å bruke det. Med det nye kvantitative grunnlaget knyttet til renheten til kilden vil dette være lettere å gjøre.
En av de første brukstilfellene kan forekomme i kvanteberegning. Som forskere har vist, er kvantesammenfiltring og partikkelbølgedualisme relatert. Dermed, i stedet for sammenfiltring, kunne mengden av bølgethet og korpuskulæritet måles. Dette kan hjelpe forskere som jobber med å lage et kvanteinternett. Eller du kan bruke dualitet for å forbedre kvantedatamaskiner og gjøre dem raskere. Uansett ser det ut til at spennende kvantetider er rett rundt hjørnet.
Les også:
Takk for artikkelen! "Mulige programmer er allerede i horisonten" - sannsynligvis ikke programmer, men applikasjoner?
Takk, veldig interessant. Flere slike artikler.
Takk skal du ha! Vi skal prøve ;)