V 1920-tych rokoch minulého storočia bola kvantová mechanika, teória, ktorá je základom všetkého od správania sa atómov až po fungovanie kvantových počítačov, na ceste k širokému prijatiu. Jedna záhada však zostala: niekedy sa kvantové objekty, ako sú elektróny, atómy a molekuly, správajú ako častice, iné ako vlny. Niekedy sa dokonca správajú ako častice a vlny zároveň. Preto pri štúdiu týchto kvantových objektov nebolo nikdy jasné, aký prístup by mali vedci pri výpočtoch použiť.
Niekedy museli vedci predpokladať, že kvantové objekty sú vlny, aby získali správny výsledok. V iných prípadoch museli predpokladať, že objekty sú v skutočnosti častice. Niekedy fungoval jeden alebo druhý prístup. Ale v iných prípadoch iba jeden prístup priniesol správny výsledok, zatiaľ čo druhý vrátil falošný výsledok. História tohto problému siaha ďaleko do minulosti, ale nedávne experimenty vrhli nové svetlo na túto starú otázku.
Kvantová história
V rovnomennom experimente s dvojitou štrbinou, ktorý prvýkrát uskutočnil Thomas Young v roku 1801, sa svetlo správalo ako vlny. V tomto experimente je laserový lúč nasmerovaný na dvojitú štrbinu a potom sa pozerá na výsledný vzor. Ak by sa svetlo skladalo z častíc, človek by očakával dva bloky svetla v tvare štrbiny. Namiesto toho je výsledkom veľa malých blokov svetla usporiadaných do charakteristického vzoru. Umiestnenie dvojitej štrbiny do prúdu vody by viedlo k rovnakému vzoru tesne pod ním. Takže tento experiment viedol k záveru, že svetlo je vlna.
Potom, v roku 1881, Heinrich Hertz urobil vtipný objav. Keď vzal dve elektródy a priviedol medzi ne dostatočne vysoké napätie, objavili sa iskry. Toto je normálne. Ale keď Hertz posvietil na tieto elektródy, napätie iskry sa zmenilo. To bolo vysvetlené skutočnosťou, že svetlo vyrazilo elektróny z materiálu elektródy. Ale napodiv, maximálna rýchlosť vyvrhnutých elektrónov sa nezmenila, ak sa zmenila intenzita svetla, ale zmenila sa s frekvenciou svetla. Tento výsledok by bol nemožný, keby bola vlnová teória pravdivá. V roku 1905 mal Albert Einstein riešenie: svetlo bola v skutočnosti častica. Toto všetko bolo neuspokojivé. Vedci uprednostňujú jednu teóriu, ktorá je vždy pravdivá, pred dvoma teóriami, ktoré sú niekedy pravdivé. A ak je nejaká teória pravdivá len niekedy, tak by sme chceli aspoň vedieť povedať, za akých podmienok je pravdivá.
Ale práve toto bol problém tohto objavu. Fyzici nevedeli, kedy považovať svetlo alebo akýkoľvek iný objekt za vlnu a kedy za časticu. Vedeli, že niektoré veci spôsobujú vlnové správanie, ako napríklad okraje štrbín. Nemali ale jasné vysvetlenie, prečo to tak je, ani kedy použiť nejakú teóriu.
Táto hádanka sa nazýva korpuskulárno-vlnový dualizmus, je stále zachovaný. Nová štúdia však môže vniesť trochu svetla do situácie. Vedci z Kórejského inštitútu základných vied ukázali, že vlastnosti svetelného zdroja ovplyvňujú, nakoľko ide o časticu a nakoľko o vlnu. S novým prístupom k štúdiu tohto problému vydláždili cestu, ktorá môže dokonca viesť k zlepšeniu kvantových výpočtov. Alebo také nádeje.
Tiež zaujímavé: Kvantové procesory Google berú časové kryštály nad rámec teórie
Ako vyrobiť častice a vlny
V experimente vedci použili poloreflexné zrkadlo na rozdelenie laserového lúča na dve časti. Každý z týchto lúčov dopadá na kryštál, ktorý zase vytvára dva fotóny. Celkovo sú emitované štyri fotóny, dva z každého kryštálu.
Vedci poslali jeden fotón z každého kryštálu do interferometra. Toto zariadenie kombinuje dva svetelné zdroje a vytvára interferenčný obrazec. Tento vzor prvýkrát objavil Thomas Young vo svojom spomínanom dvojštrbinovom experimente. To je tiež to, čo vidíte, keď hodíte dva kamene do jazierka: vlnky vody, z ktorých niektoré sa navzájom posilňujú a iné neutralizujú. Inými slovami, interferometer zisťuje vlnovú povahu svetla.
Dráhy ďalších dvoch fotónov sa použili na určenie ich korpuskulárnych charakteristík. Hoci autori článku nešpecifikovali, ako to urobili, zvyčajne sa to robí prechodom fotónu cez materiál, ktorý ukazuje, kam sa fotón dostal. Môžete napríklad vystreliť fotón cez plyn, ktorý sa potom zapáli tam, kde fotón prešiel. Zameraním sa na trajektóriu a nie na konečný cieľ môže byť fotón vlna. Je to preto, že ak zmeriate presnú polohu fotónu v každom okamihu času, potom je bodový a nemôže zasiahnuť sám seba.
Toto je jeden z mnohých príkladov v kvantovej fyzike, kde meranie aktívne ovplyvňuje výsledok uvedeného merania. Preto v tejto časti experimentu chýbal interferenčný obrazec na konci trajektórie fotónu. Vedci teda zistili, ako môže byť fotón časticou. Úlohou teraz bolo kvantifikovať, koľko z toho bola častica a koľko zostalo z vlnovej povahy.
Keďže oba fotóny toho istého kryštálu vznikajú spoločne, tvoria jeden kvantový stav. To znamená, že je možné nájsť matematický vzorec, ktorý popisuje oba tieto fotóny súčasne. Výsledkom je, že ak výskumníci dokážu kvantifikovať, aká silná je „partialita“ a „vlnová dĺžka“ dvoch fotónov, táto kvantifikácia sa môže aplikovať na celý lúč dosahujúci kryštál.
Výskumníkom sa to skutočne podarilo. Merali vlnitý fotón kontrolou viditeľnosti interferenčného vzoru. Keď bola viditeľnosť vysoká, fotón bol veľmi vlnitý. Keď bol vzor sotva viditeľný, dospeli k záveru, že fotón musí byť veľmi podobný častici.
A táto viditeľnosť bola náhodná. Najvyššia bola vtedy, keď oba kryštály dostali rovnakú intenzitu laserového lúča. Ak bol však lúč z jedného kryštálu oveľa intenzívnejší ako z druhého, viditeľnosť vzoru bola veľmi slabá a fotóny s väčšou pravdepodobnosťou vyzerali ako častice.
Tento výsledok je prekvapivý, pretože vo väčšine experimentov sa svetlo meria iba vo forme vĺn alebo častíc. Dnes sa v niekoľkých experimentoch merali oba parametre súčasne. To znamená, že je ľahké určiť, koľko z každej vlastnosti má svetelný zdroj.
Tiež zaujímavé: QuTech spúšťa prehliadač pre kvantový internet
Teoretickí fyzici sú potešení
Tento výsledok zodpovedá skoršej predpovedi teoretikov. Podľa ich teórie to, aký vlnový a korpuskulárny je kvantový objekt, závisí od čistoty zdroja. Čistota je v tomto kontexte len ozdobný spôsob vyjadrenia pravdepodobnosti, že určitý kryštalický zdroj bude vyžarovať svetlo. Vzorec je nasledujúci: V2 + P2 = µ2, kde V je viditeľnosť smerového vzoru, P je viditeľnosť cesty a µ je čistota zdroja.
To znamená, že kvantový objekt, akým je svetlo, môže byť do určitej miery vlnový a do určitej miery podobný časticiam, čo je však obmedzené čistotou zdroja. Kvantový objekt je vlnový, ak je viditeľný interferenčný vzor alebo ak sa hodnota V nerovná nule. Tiež je to ako častice, ak je dráha pozorovateľná alebo ak P je nenulové.
Ďalším dôsledkom tejto predpovede je, že čistota je taká, že ak je zapletenie kvantovej cesty vysoké, čistota je nízka a naopak. Vedci, ktorí experiment uskutočnili, to matematicky ukázali vo svojej práci. Vyladením čistoty kryštálov a meraním výsledkov sa im podarilo ukázať, že tieto teoretické predpovede boli skutočne správne.
Tiež zaujímavé: NASA spustí kvantové počítače na spracovanie a uloženie „hory“ údajov
Rýchlejšie kvantové počítače?
Zaujímavá je najmä súvislosť medzi spletením kvantového objektu a jeho korpuskulárnosťou a vlnitosťou. Kvantové zariadenia, ktoré by mohli poháňať kvantový internet, sú založené na prepletení. Kvantový internet je kvantovou obdobou toho, čím je internet pre klasické počítače. Vedci dúfajú, že spojením mnohých kvantových počítačov dohromady a umožnením ich zdieľania údajov získajú viac energie, než by sa dalo dosiahnuť pomocou jediného kvantového počítača.
Ale namiesto posielania bitov po optickom vlákne, čo robíme, aby sme napájali klasický internet, musíme qubity prepojiť, aby sme vytvorili kvantový internet. Schopnosť zmerať zapletenie častice a zvlnenie fotónu znamená, že môžeme nájsť jednoduchšie spôsoby, ako kontrolovať kvalitu kvantového internetu.
Okrem toho sa samotné kvantové počítače môžu zlepšiť pomocou dualizmu častíc a vĺn. Podľa návrhu výskumníkov z čínskej univerzity Tsinghua je možné spustiť malý kvantový počítač cez viacštrbinovú mriežku, aby sa zvýšil jeho výkon. Malý kvantový počítač by pozostával z niekoľkých atómov, ktoré sa samy používajú ako qubity a takéto zariadenia už existujú.
Prechod týchto atómov cez mriežku s viacerými štrbinami je veľmi podobný prechodu svetla cez dvojitú štrbinu, aj keď je to samozrejme trochu komplikovanejšie. Tým sa vytvorí viac možných kvantových stavov, ktoré naopak zvýšia výkon „vystreleného“ počítača. Matematika, ktorá je za tým, je príliš komplikovaná na to, aby sa dala vysvetliť v tomto článku, ale dôležitým výsledkom je, že takýto dvojkvantový počítač môže byť lepší v paralelnom výpočte ako konvenčné kvantové počítače. Paralelné výpočty sú bežné aj v klasickej výpočtovej technike a v podstate sa týkajú schopnosti počítača vykonávať viacero výpočtov súčasne, čím je celkovo rýchlejší.
Takže, aj keď ide o veľmi základný výskum, možné aplikácie sú už na obzore. Momentálne to nie je možné dokázať, ale tieto objavy by mohli urýchliť kvantové počítače a mierne urýchliť vznik kvantového internetu.
Tiež zaujímavé: Čína vytvorila kvantový počítač, ktorý je miliónkrát výkonnejší ako ten od Googlu
Veľmi zásadné, ale veľmi zaujímavé
Toto všetko treba brať s veľkou dávkou skepsy. Výskum je solídny, ale je tiež veľmi základný. Ako to už vo vede a technike býva, od základného výskumu k aplikáciám v reálnom svete je dlhá cesta.
Vedci z Kórey však zistili jednu veľmi zaujímavú vec: záhada dualizmu častíc a vĺn tak skoro nezmizne. Naopak, zdá sa, že je tak hlboko zakorenený vo všetkých kvantových objektoch, že je lepšie ho použiť. S novým kvantitatívnym základom súvisiacim s čistotou zdroja to bude jednoduchšie.
Jeden z prvých prípadov použitia môže nastať v kvantovej výpočtovej technike. Ako vedci ukázali, kvantové zapletenie a dualizmus častice a vlny spolu súvisia. Namiesto zapletenia sa teda dalo merať množstvo vlnitosti a korpuskulárnosti. To by mohlo pomôcť vedcom pracujúcim na vytvorení kvantového internetu. Alebo môžete použiť dualita zlepšiť kvantové počítače a zrýchliť ich. Tak či onak, vyzerá to tak, že vzrušujúce kvantové časy sú hneď za rohom.
Prečítajte si tiež:
Ďakujem za článok! "Možné programy sú už na obzore" - pravdepodobne nie programy, ale aplikácie?
Ďakujem, veľmi zaujímavé. Viac takýchto článkov.
Ďakujem! Skúsime ;)