În anii 1920, mecanica cuantică, teoria care stă la baza tuturor lucrurilor, de la comportamentul atomilor până la funcționarea computerelor cuantice, era pe cale să obțină o acceptare pe scară largă. Dar a rămas un mister: uneori obiectele cuantice, cum ar fi electronii, atomii și moleculele, se comportă ca niște particule, altele ca undele. Uneori chiar se comportă ca particule și unde în același timp. Prin urmare, atunci când studiau aceste obiecte cuantice, nu a fost niciodată clar ce abordare ar trebui să folosească oamenii de știință în calculele lor.
Uneori, oamenii de știință trebuiau să presupună că obiectele cuantice erau unde pentru a obține rezultatul corect. În alte cazuri, au trebuit să presupună că obiectele erau de fapt particule. Uneori, oricare abordare a funcționat. Dar în alte cazuri, doar o abordare a produs rezultatul corect, în timp ce cealaltă a returnat un rezultat fals. Istoria acestei probleme datează de mult, dar experimentele recente au aruncat o lumină nouă asupra acestei vechi întrebări.
Istoria cuantică
În experimentul cu dublă fantă cu același nume, condus pentru prima dată de Thomas Young în 1801, lumina s-a comportat ca undele. În acest experiment, un fascicul laser este îndreptat către o fantă dublă, iar apoi modelul rezultat este privit. Dacă lumina ar consta din particule, ne-am aștepta la două blocuri de lumină în formă de fante. În schimb, rezultatul sunt multe blocuri mici de lumină aranjate într-un model caracteristic. Plasarea unei fante duble în curentul de apă ar avea ca rezultat același model chiar dedesubt. Deci acest experiment a condus la concluzia că lumina este o undă.
Apoi, în 1881, Heinrich Hertz a făcut o descoperire amuzantă. Când a luat doi electrozi și a aplicat o tensiune suficient de mare între ei, au apărut scântei. Asta este normal. Dar când Hertz a luminat acești electrozi, tensiunea scânteii s-a schimbat. Acest lucru a fost explicat prin faptul că lumina a scos electroni din materialul electrodului. Dar, destul de ciudat, viteza maximă a electronilor ejectați nu s-a schimbat dacă se schimba intensitatea luminii, ci s-a schimbat odată cu frecvența luminii. Acest rezultat ar fi imposibil dacă teoria undelor ar fi adevărată. În 1905, Albert Einstein a avut o soluție: lumina era de fapt o particule. Toate acestea au fost nesatisfăcătoare. Oamenii de știință preferă o teorie care este întotdeauna adevărată față de două teorii care sunt uneori adevărate. Și dacă o teorie este adevărată doar uneori, atunci am dori măcar să putem spune în ce condiții este adevărată.
Dar tocmai aceasta a fost problema acestei descoperiri. Fizicienii nu știau când să considere lumina sau orice alt obiect ca o undă și când ca o particule. Ei știau că unele lucruri provoacă un comportament asemănător valurilor, cum ar fi marginile fantelor. Dar ei nu au avut o explicație clară a motivului pentru care este așa sau când să folosească vreo teorie.
Această ghicitoare se numește dualism corpuscular-undă, se mai păstrează. Dar un nou studiu poate arunca puțină lumină asupra situației. Oamenii de știință de la Institutul Coreean de Științe de bază au arătat că proprietățile sursei de lumină afectează cât de mult este o particulă și cât de mult este o undă. Cu o nouă abordare a studiului acestei probleme, au deschis o cale care poate duce chiar la îmbunătățiri în calculul cuantic. Sau astfel de speranțe.
Interesant de asemenea: Procesoarele cuantice de la Google iau cristale de timp dincolo de teorie
Cum să faci particule și unde
În experiment, oamenii de știință au folosit o oglindă semi-reflectorizantă pentru a împărți fasciculul laser în două părți. Fiecare dintre aceste raze lovește cristalul, care la rândul său produce doi fotoni. Sunt emiși în total patru fotoni, câte doi din fiecare cristal.
Oamenii de știință au trimis câte un foton din fiecare cristal în interferometru. Acest dispozitiv combină două surse de lumină și creează un model de interferență. Acest model a fost descoperit pentru prima dată de Thomas Young în experimentul său cu două fante menționat mai sus. Așa vezi și când arunci două pietre într-un iaz: valuri de apă, dintre care unele se întăresc reciproc, iar altele se neutralizează reciproc. Cu alte cuvinte, interferometrul detectează natura ondulatorie a luminii.
Căile celorlalți doi fotoni au fost folosite pentru a determina caracteristicile lor corpusculare. Deși autorii lucrării nu au precizat cum au făcut acest lucru, de obicei se face prin trecerea unui foton printr-un material care arată unde a mers fotonul. De exemplu, puteți trage un foton printr-un gaz, care apoi se va aprinde pe unde a trecut fotonul. Prin concentrarea mai degrabă pe traiectorie decât pe destinația finală, fotonul poate fi un val. Acest lucru se datorează faptului că, dacă măsurați locația exactă a fotonului în fiecare moment de timp, atunci este ca punct și nu se poate lovi singur.
Acesta este unul dintre multele exemple din fizica cuantică în care o măsurătoare afectează în mod activ rezultatul măsurării respective. Prin urmare, în această parte a experimentului, modelul de interferență la sfârșitul traiectoriei fotonului a fost absent. Astfel, cercetătorii au descoperit cum un foton poate fi o particule. Provocarea acum a fost de a cuantifica cât de mult din aceasta era o particulă și cât a mai rămas din caracterul valului.
Deoarece ambii fotoni ai aceluiași cristal sunt produși împreună, ei formează o singură stare cuantică. Aceasta înseamnă că este posibil să găsiți o formulă matematică care să descrie ambii acești fotoni simultan. Ca rezultat, dacă cercetătorii pot cuantifica cât de puternice sunt „parțialitatea” și „lungimea de undă” a doi fotoni, acea cuantificare poate fi aplicată întregului fascicul care ajunge la cristal.
Într-adevăr, cercetătorii au reușit. Ei au măsurat cât de ondulat a fost fotonul verificând vizibilitatea modelului de interferență. Când vizibilitatea era mare, fotonul era foarte ondulat. Când modelul era abia vizibil, au ajuns la concluzia că fotonul trebuie să fie foarte asemănător cu o particulă.
Și această vizibilitate a fost întâmplătoare. A fost cea mai mare atunci când ambele cristale au primit aceeași intensitate a fasciculului laser. Cu toate acestea, dacă fasciculul de la un cristal a fost mult mai intens decât celălalt, vizibilitatea modelului a devenit foarte slabă, iar fotonii erau mai probabil să arate ca particule.
Acest rezultat este surprinzător deoarece în majoritatea experimentelor lumina este măsurată doar sub formă de unde sau particule. Astăzi, în mai multe experimente, ambii parametri au fost măsurați simultan. Aceasta înseamnă că este ușor să determinați cât de mult din fiecare proprietate are o sursă de lumină.
Interesant de asemenea: QuTech lansează un browser pentru internetul cuantic
Fizicienii teoreticieni sunt încântați
Acest rezultat corespunde predicției făcute mai devreme de teoreticieni. Conform teoriei lor, cât de ondulat și corpuscular este un obiect cuantic depinde de puritatea sursei. Puritatea în acest context este doar un mod fantezist de a exprima probabilitatea ca o anumită sursă cristalină să fie cea care emite lumina. Formula este următoarea: V2 + P2 = µ2, unde V este vizibilitatea modelului direcțional, P este vizibilitatea traseului și µ este puritatea sursei.
Aceasta înseamnă că un obiect cuantic, cum ar fi lumina, poate fi, într-o oarecare măsură, ca undă și într-o oarecare măsură, ca particule, dar acest lucru este limitat de puritatea sursei. Un obiect cuantic este asemănător undelor dacă un model de interferență este vizibil sau dacă valoarea lui V nu este egală cu zero. De asemenea, este asemănător unei particule dacă calea este observabilă sau dacă P este diferit de zero.
O altă consecință a acestei predicții este că puritatea este că, dacă încrucișarea căii cuantice este mare, puritatea este scăzută și invers. Oamenii de știință care au condus experimentul au arătat acest lucru matematic în munca lor. Prin reglarea purității cristalelor și măsurarea rezultatelor, ei au putut să arate că aceste predicții teoretice erau într-adevăr corecte.
Interesant de asemenea: NASA va lansa calculatoare cuantice pentru a procesa și stoca „munte” de date
Calculatoare cuantice mai rapide?
Legătura dintre încurcarea unui obiect cuantic și corpuscularitatea și ondulația acestuia este deosebit de interesantă. Dispozitivele cuantice care ar putea alimenta internetul cuantic se bazează pe întricare. Internetul cuantic este o analogie cuantică a ceea ce este Internetul pentru computerele clasice. Conectând mai multe computere cuantice împreună și permițându-le să partajeze date, oamenii de știință speră să câștige mai multă putere decât s-ar putea obține cu un singur computer cuantic.
Dar în loc să trimitem biți pe o fibră optică, ceea ce facem pentru a alimenta internetul clasic, trebuie să încurcăm qubiții pentru a forma internetul cuantic. Capacitatea de a măsura încurcarea unei particule și ondulația unui foton înseamnă că putem găsi modalități mai simple de a controla calitatea internetului cuantic.
În plus, computerele cuantice în sine pot deveni mai bune prin utilizarea dualismului particule-undă. Conform propunerii cercetătorilor de la Universitatea Tsinghua din China, este posibil să rulați un mic computer cuantic printr-o rețea cu mai multe fante pentru a-i crește puterea. Un computer cuantic mic ar consta din câțiva atomi care sunt ei înșiși utilizați ca qubiți, iar astfel de dispozitive există deja.
Trecerea acestor atomi printr-o rețea multislit este foarte asemănătoare cu trecerea luminii printr-o fantă dublă, deși, desigur, puțin mai complicată. Acest lucru va crea mai multe stări cuantice posibile, care, la rândul lor, vor crește puterea computerului „declanșat”. Matematica din spatele acestui lucru este prea complicată pentru a fi explicată în această lucrare, dar rezultatul important este că un astfel de computer cu doi cuantici poate fi mai bun la calcul paralel decât calculatoarele cuantice convenționale. Calculul paralel este, de asemenea, comun în calculul clasic și se referă, practic, la capacitatea unui computer de a efectua mai multe calcule simultan, făcându-l mai rapid în general.
Deci, deși aceasta este o cercetare de bază, posibile aplicații sunt deja la orizont. Momentan este imposibil de demonstrat, dar aceste descoperiri ar putea grăbi calculatoarele cuantice și ar putea accelera ușor apariția internetului cuantic.
Interesant de asemenea: China a creat un computer cuantic care este de un milion de ori mai puternic decât cel al Google
Foarte fundamental, dar foarte interesant
Toate acestea ar trebui luate cu mult scepticism. Cercetarea este solidă, dar este și foarte de bază. Așa cum este de obicei cazul în știință și tehnologie, există o cale lungă de la cercetarea de bază la aplicațiile din lumea reală.
Dar cercetătorii din Coreea au descoperit un lucru foarte interesant: misterul dualismului particule-undă nu va dispărea prea curând. Dimpotrivă, pare să fie atât de adânc înrădăcinat în toate obiectele cuantice, încât este mai bine să-l folosești. Cu noua bază cantitativă legată de puritatea sursei, acest lucru va fi mai ușor de realizat.
Unul dintre primele cazuri de utilizare poate apărea în calculul cuantic. După cum au arătat oamenii de știință, întreruperea cuantică și dualismul particule-undă sunt legate. Astfel, în loc de încurcare, ar putea fi măsurată cantitatea de ondulație și corpuscularitate. Acest lucru ar putea ajuta oamenii de știință care lucrează la crearea unui internet cuantic. Sau poți folosi dualitate pentru a îmbunătăți calculatoarele cuantice și a le face mai rapide. Oricum, se pare că vremurile cuantice incitante sunt chiar după colț.
Citeste si:
Multumesc pentru articol! „Programe posibile sunt deja la orizont” – probabil nu programe, ci aplicații?
Multumesc, foarte interesant. Mai multe astfel de articole.
Mulțumesc! Vom încerca ;)