V dvajsetih letih 1920. stoletja je bila kvantna mehanika, teorija, ki je osnova vsega, od obnašanja atomov do delovanja kvantnih računalnikov, na poti k splošnemu sprejetju. Toda ena skrivnost je ostala: včasih se kvantni objekti, kot so elektroni, atomi in molekule, obnašajo kot delci, drugi kot valovi. Včasih se celo obnašajo kot delci in valovi hkrati. Zato pri preučevanju teh kvantnih objektov nikoli ni bilo jasno, kakšen pristop bi morali znanstveniki uporabiti pri svojih izračunih.
Včasih so morali znanstveniki domnevati, da so kvantni predmeti valovi, da bi dobili pravilen rezultat. V drugih primerih so morali domnevati, da so predmeti dejansko delci. Včasih je kateri koli pristop deloval. Toda v drugih primerih je samo en pristop dal pravilen rezultat, medtem ko je drugi vrnil lažni rezultat. Zgodovina tega problema sega daleč nazaj, vendar so nedavni poskusi osvetlili to staro vprašanje.
Kvantna zgodovina
V istoimenskem eksperimentu z dvojno režo, ki ga je prvi izvedel Thomas Young leta 1801, se je svetloba obnašala kot valovi. V tem poskusu se laserski žarek usmeri na dvojno režo, nato pa se pogleda nastali vzorec. Če bi svetlobo sestavljali delci, bi pričakovali dva bloka svetlobe v obliki reže. Namesto tega je rezultat veliko majhnih blokov svetlobe, razporejenih v značilen vzorec. Postavitev dvojne reže v vodni tok bi povzročila enak vzorec tik spodaj. Tako je ta poskus vodil do zaključka, da je svetloba val.
Nato je leta 1881 Heinrich Hertz prišel do smešnega odkritja. Ko je vzel dve elektrodi in med njima napel dovolj visoko napetost, so se pojavile iskre. To je normalno. Ko pa je Hertz osvetlil te elektrode, se je napetost iskre spremenila. To je bilo pojasnjeno z dejstvom, da je svetloba izbila elektrone iz materiala elektrode. Toda nenavadno se največja hitrost izbitih elektronov ni spremenila, če se je spremenila intenzivnost svetlobe, ampak se je spremenila s frekvenco svetlobe. Ta rezultat bi bil nemogoč, če bi bila teorija valov resnična. Leta 1905 je Albert Einstein našel rešitev: svetloba je bila pravzaprav delec. Vse to je bilo nezadovoljivo. Znanstveniki imajo raje eno teorijo, ki je vedno resnična, kot dve teoriji, ki sta včasih resnični. In če je teorija resnična le včasih, potem bi vsaj želeli, da bi lahko rekli, pod kakšnimi pogoji je resnična.
Toda ravno v tem je bila težava tega odkritja. Fiziki niso vedeli, kdaj svetlobo ali kateri koli drug predmet obravnavati kot valovanje in kdaj kot delec. Vedeli so, da nekatere stvari povzročajo valovito obnašanje, na primer robovi rež. Niso pa imeli jasne razlage, zakaj je tako in kdaj uporabiti kakšno teorijo.
Ta uganka se imenuje korpuskularno-valovni dualizem, je še ohranjen. Toda nova študija bo morda nekoliko osvetlila situacijo. Znanstveniki s Korejskega inštituta za temeljne znanosti so dokazali, da lastnosti vira svetlobe vplivajo na to, koliko je delec in koliko je val. Z novim pristopom k preučevanju tega problema so utrli pot, ki lahko privede celo do izboljšav kvantnega računalništva. Ali takšni upi.
Zanimivo tudi: Googlovi kvantni procesorji popeljejo časovne kristale onkraj teorije
Kako narediti delce in valove
V poskusu so znanstveniki uporabili polodsevno ogledalo, da so laserski žarek razdelili na dva dela. Vsak od teh žarkov zadene kristal, ta pa proizvede dva fotona. Skupno se oddajajo štirje fotoni, po dva iz vsakega kristala.
Znanstveniki so poslali en foton iz vsakega kristala v interferometer. Ta naprava združuje dva vira svetlobe in ustvarja interferenčni vzorec. Ta vzorec je prvi odkril Thomas Young v svojem prej omenjenem poskusu z dvema režama. To je tudi tisto, kar vidite, ko vržete dva kamna v ribnik: valovanje vode, od katerih se nekateri med seboj krepijo, drugi pa nevtralizirajo. Z drugimi besedami, interferometer zazna valovno naravo svetlobe.
Poti drugih dveh fotonov smo uporabili za določitev njunih korpuskularnih značilnosti. Čeprav avtorji prispevka niso navedli, kako so to storili, se to običajno naredi tako, da se foton spusti skozi material, ki pokaže, kam je šel foton. Na primer, lahko izstrelite foton skozi plin, ki se bo nato vžgal tam, kjer je foton šel. Če se osredotoči na trajektorijo in ne na končni cilj, je lahko foton val. To je zato, ker če izmerite natančno lokacijo fotona v vsakem trenutku, je foton podoben točki in se ne more zadeti.
To je eden od mnogih primerov v kvantni fiziki, kjer meritev aktivno vpliva na izid omenjene meritve. Zato v tem delu poskusa ni bilo interferenčnega vzorca na koncu poti fotona. Tako so raziskovalci ugotovili, kako je lahko foton delec. Zdaj je bil izziv kvantificirati, koliko je od tega delcev in koliko je ostalo valovne narave.
Ker sta oba fotona istega kristala proizvedena skupaj, tvorita eno samo kvantno stanje. To pomeni, da je mogoče najti matematično formulo, ki opisuje oba fotona hkrati. Posledično, če lahko raziskovalci kvantificirajo, kako močna sta "delnost" in "valovna dolžina" dveh fotonov, se lahko ta kvantifikacija uporabi za celoten žarek, ki doseže kristal.
Raziskovalcem je res uspelo. S preverjanjem vidnosti interferenčnega vzorca so izmerili, kako valovit je foton. Ko je bila vidljivost visoka, je bil foton zelo podoben valovanju. Ko je bil vzorec komaj viden, so ugotovili, da mora biti foton zelo podoben delcu.
In ta vidnost je bila naključna. Največja je bila, ko sta oba kristala prejela enako intenzivnost laserskega žarka. Če pa je bil žarek iz enega kristala veliko intenzivnejši od drugega, je vidnost vzorca postala zelo šibka in fotoni so bolj verjetno izgledali kot delci.
Ta rezultat je presenetljiv, saj se v večini poskusov svetloba meri le v obliki valov ali delcev. Danes so v več poskusih merili oba parametra hkrati. To pomeni, da je enostavno določiti, koliko posamezne lastnosti ima vir svetlobe.
Zanimivo tudi: QuTech lansira brskalnik za kvantni internet
Teoretični fiziki so navdušeni
Ta rezultat se ujema s prejšnjo napovedjo teoretikov. Po njihovi teoriji je odvisno od čistosti vira, kako valovit in korpuskularen je kvantni objekt. Čistost je v tem kontekstu le domišljen način izražanja verjetnosti, da bo določen kristalni vir tisti, ki oddaja svetlobo. Formula je naslednja: V2 + P2 = µ2, kjer je V vidnost smernega vzorca, P vidnost poti in µ čistost vira.
To pomeni, da je lahko kvantni objekt, kot je svetloba, do neke mere podoben valovanju in do neke mere podoben delcu, vendar je to omejeno s čistostjo vira. Kvantni objekt je valovit, če je viden interferenčni vzorec ali če vrednost V ni enaka nič. Prav tako je podoben delcu, če je pot opazna ali če je P različen od nič.
Druga posledica te napovedi je, da je čistost, da če je prepletenost kvantne poti visoka, je čistost nizka in obratno. Znanstveniki, ki so izvedli poskus, so to matematično pokazali v svojem delu. Z uravnavanjem čistosti kristalov in merjenjem rezultatov so lahko pokazali, da so bile te teoretične napovedi res pravilne.
Zanimivo tudi: NASA bo lansirala kvantne računalnike za obdelavo in shranjevanje "gor" podatkov
Hitrejši kvantni računalniki?
Posebej zanimiva je povezava med prepletenostjo kvantnega objekta in njegovo korpuskularnostjo ter valovitostjo. Kvantne naprave, ki bi lahko napajale kvantni internet, temeljijo na prepletenosti. Kvantni internet je kvantna analogija tega, kar je internet za klasične računalnike. Znanstveniki upajo, da bodo s povezovanjem številnih kvantnih računalnikov skupaj in omogočanjem izmenjave podatkov pridobili več moči, kot bi jo lahko dosegli z enim samim kvantnim računalnikom.
Toda namesto pošiljanja bitov po optičnih vlaknih, kar počnemo za napajanje klasičnega interneta, moramo zaplesti kubite, da tvorimo kvantni internet. Možnost merjenja prepletenosti delca in valovitosti fotona pomeni, da lahko najdemo preprostejše načine za nadzor kakovosti kvantnega interneta.
Poleg tega lahko sami kvantni računalniki postanejo boljši z uporabo dualizma delcev in valov. Po predlogu raziskovalcev s kitajske univerze Tsinghua je možno pognati majhen kvantni računalnik skozi rešetko z več režami in tako povečati njegovo moč. Majhen kvantni računalnik bi bil sestavljen iz nekaj atomov, ki se sami uporabljajo kot kubiti, in takšne naprave že obstajajo.
Prehajanje teh atomov skozi mrežo z več režami je zelo podobno prehajanju svetlobe skozi dvojno režo, čeprav je seveda malo bolj zapleteno. To bo ustvarilo več možnih kvantnih stanj, kar bo posledično povečalo moč "odpuščenega" računalnika. Matematika, ki stoji za tem, je preveč zapletena, da bi jo razložili v tem članku, vendar je pomemben rezultat ta, da je lahko tak dvokvantni računalnik boljši pri vzporednem računanju kot običajni kvantni računalniki. Vzporedno računalništvo je pogosto tudi v klasičnem računalništvu in se v bistvu nanaša na zmožnost računalnika, da izvede več izračunov hkrati, zaradi česar je na splošno hitrejši.
Torej, čeprav je to zelo osnovna raziskava, so možne aplikacije že na obzorju. Trenutno je to nemogoče dokazati, a ta odkritja bi lahko pospešila kvantne računalnike in nekoliko pospešila nastanek kvantnega interneta.
Zanimivo tudi: Kitajska je ustvarila kvantni računalnik, ki je milijonkrat močnejši od Googlovega
Zelo temeljno, a zelo zanimivo
Vse to je treba jemati z veliko mero skepse. Raziskava je solidna, vendar je tudi zelo osnovna. Kot je običajno v znanosti in tehnologiji, je od temeljnih raziskav do aplikacij v resničnem svetu dolga pot.
Toda raziskovalci iz Koreje so odkrili eno zelo zanimivo stvar: skrivnost dualizma delcev in valov še ne bo kmalu izginila. Nasprotno, zdi se, da je tako globoko zakoreninjen v vseh kvantnih objektih, da ga je bolje uporabiti. Z novo kvantitativno osnovo, povezano s čistostjo vira, bo to lažje izvedljivo.
Eden od prvih primerov uporabe se lahko pojavi v kvantnem računalništvu. Kot so pokazali znanstveniki, sta kvantna zapletenost in dualizem delcev in valov povezana. Tako bi namesto prepletenosti lahko izmerili količino valovitosti in korpuskularnosti. To bi lahko pomagalo znanstvenikom, ki delajo na ustvarjanju kvantnega interneta. Lahko pa uporabite dvojnost izboljšati kvantne računalnike in jih narediti hitrejše. Kakor koli že, zdi se, da so razburljivi kvantni časi tik za vogalom.
Preberite tudi:
Hvala za članek! "Možni programi so že na obzorju" - verjetno ne programi, ampak aplikacije?
Hvala, zelo zanimivo. Več takih člankov.
Hvala vam! Bomo poskusili ;)