Redan på 1920-talet var kvantmekaniken, teorin som ligger till grund för allt från atomernas beteende till kvantdatorernas funktion, på väg att få bred acceptans. Men ett mysterium återstod: ibland beter sig kvantobjekt, såsom elektroner, atomer och molekyler, som partiklar, andra som vågor. Ibland beter de sig till och med som partiklar och vågor samtidigt. När man studerade dessa kvantobjekt var det därför aldrig klart vilket tillvägagångssätt forskare skulle använda i sina beräkningar.
Ibland var forskare tvungna att anta att kvantobjekt var vågor för att få rätt resultat. I andra fall var de tvungna att anta att föremålen faktiskt var partiklar. Ibland fungerade båda tillvägagångssätten. Men i andra fall gav bara ett tillvägagångssätt det korrekta resultatet, medan det andra gav ett falskt resultat. Historien om detta problem går långt tillbaka i tiden, men nya experiment har kastat nytt ljus över denna gamla fråga.
Kvanthistoria
I dubbelslitsexperimentet med samma namn, som först utfördes av Thomas Young 1801, betedde sig ljus som vågor. I detta experiment riktas en laserstråle mot en dubbel slits, och sedan tittar man på det resulterande mönstret. Om ljus bestod av partiklar skulle man förvänta sig två spaltformade ljusblock. Istället blir resultatet många små ljusblock arrangerade i ett karaktäristiskt mönster. Att placera en dubbel slits i vattenströmmen skulle resultera i samma mönster strax under. Så detta experiment ledde till slutsatsen att ljus är en våg.
Sedan, 1881, gjorde Heinrich Hertz en rolig upptäckt. När han tog två elektroder och lade på en tillräckligt hög spänning mellan dem uppstod gnistor. Det här är normalt. Men när Hertz lyste ljus på dessa elektroder ändrades gnistspänningen. Detta förklarades av det faktum att ljuset slog ut elektroner ur elektrodmaterialet. Men märkligt nog ändrades inte den maximala hastigheten för de utstötta elektronerna om ljusets intensitet ändrades, utan ändrades med ljusets frekvens. Detta resultat skulle vara omöjligt om vågteorin var sann. 1905 hade Albert Einstein en lösning: ljus var faktiskt en partikel. Allt detta var otillfredsställande. Forskare föredrar en teori som alltid är sann framför två teorier som ibland är sanna. Och om en teori bara är sann ibland, så skulle vi åtminstone vilja kunna säga under vilka förutsättningar den är sann.
Men det var just detta som var problemet med denna upptäckt. Fysiker visste inte när de skulle betrakta ljus eller något annat föremål som en våg och när som en partikel. De visste att vissa saker orsakar vågliknande beteende, som kanterna på slitsar. Men de hade ingen tydlig förklaring till varför det är så eller när man ska använda någon teori.
Denna gåta kallas korpuskulär vågdualism, är fortfarande bevarad. Men en ny studie kan kasta lite ljus över situationen. Forskare från Korea Institute of Basic Sciences har visat att ljuskällans egenskaper påverkar hur mycket det är en partikel och hur mycket det är en våg. Med ett nytt tillvägagångssätt för att studera detta problem har de banat en väg som till och med kan leda till förbättringar av kvantberäkningar. Eller sådana förhoppningar.
Också intressant: Googles kvantprocessorer tar tidkristaller bortom teorin
Hur man gör partiklar och vågor
I experimentet använde forskarna en halvreflekterande spegel för att dela laserstrålen i två delar. Var och en av dessa strålar träffar kristallen, som i sin tur producerar två fotoner. Totalt emitteras fyra fotoner, två från varje kristall.
Forskarna skickade en foton från varje kristall in i interferometern. Denna enhet kombinerar två ljuskällor och skapar ett interferensmönster. Detta mönster upptäcktes först av Thomas Young i hans ovannämnda tvåslitsexperiment. Detta är också vad du ser när du kastar två stenar i en damm: krusningar av vatten, varav några förstärker varandra och andra neutraliserar varandra. Med andra ord detekterar interferometern ljusets vågnatur.
Banorna för de andra två fotonerna användes för att bestämma deras korpuskulära egenskaper. Även om författarna till tidningen inte specificerade hur de gjorde detta, görs det vanligtvis genom att föra en foton genom ett material som visar var fotonen tog vägen. Till exempel kan du skjuta en foton genom en gas, som sedan tänds där fotonen passerade. Genom att fokusera på banan snarare än slutdestinationen kan fotonen vara en våg. Detta beror på att om du mäter den exakta platsen för fotonen vid varje tidpunkt, så är den punktlik och kan inte träffa sig själv.
Detta är ett av många exempel inom kvantfysiken där en mätning aktivt påverkar resultatet av nämnda mätning. Därför saknades interferensmönstret i slutet av fotonbanan i denna del av experimentet. Därmed fick forskarna reda på hur en foton kan vara en partikel. Utmaningen nu var att kvantifiera hur mycket av detta som var en partikel och hur mycket som fanns kvar av vågnaturen.
Eftersom båda fotoner av samma kristall produceras tillsammans, bildar de ett enda kvanttillstånd. Det betyder att det är möjligt att hitta en matematisk formel som beskriver båda dessa fotoner samtidigt. Som ett resultat, om forskare kan kvantifiera hur stark "partialiteten" och "våglängden" för två fotoner är, kan den kvantifieringen tillämpas på hela strålen som når kristallen.
Visserligen lyckades forskarna. De mätte hur vågig fotonen var genom att kontrollera synligheten av interferensmönstret. När sikten var hög var fotonen väldigt vågliknande. När mönstret knappt var synligt drog de slutsatsen att fotonen måste vara väldigt lik en partikel.
Och denna sikt var oavsiktlig. Det var högst när båda kristallerna fick samma intensitet som laserstrålen. Men om strålen från en kristall var mycket mer intensiv än den andra, blev mönstrets synlighet mycket svag, och fotonerna var mer benägna att se ut som partiklar.
Detta resultat är överraskande eftersom ljus i de flesta experiment endast mäts i form av vågor eller partiklar. Idag, i flera experiment, mättes båda parametrarna samtidigt. Det gör att det är lätt att avgöra hur mycket av varje egenskap en ljuskälla har.
Också intressant: QuTech lanserar en webbläsare för kvantinternet
Teoretiska fysiker är förtjusta
Detta resultat motsvarar den förutsägelse som tidigare gjorts av teoretiker. Enligt deras teori beror hur våglikt och korpuskulärt ett kvantobjekt är på källans renhet. Renhet i detta sammanhang är bara ett fint sätt att uttrycka sannolikheten att en viss kristallin källa kommer att vara den som sänder ut ljuset. Formeln är följande: V2 + P2 = µ2, där V är synligheten för riktningsmönstret, P är synligheten för banan och µ är källans renhet.
Det betyder att ett kvantobjekt som ljus kan vara våglikt till viss del och partikellikt till viss del, men detta begränsas av källans renhet. Ett kvantobjekt är våglikt om ett interferensmönster är synligt eller om värdet på V inte är lika med noll. Den är också partikelliknande om banan är observerbar eller om P inte är noll.
En annan konsekvens av denna förutsägelse är att renheten är att om kvantvägens intrassling är hög så är renheten låg och vice versa. Forskarna som genomförde experimentet visade detta matematiskt i sitt arbete. Genom att ställa in kristallernas renhet och mäta resultaten kunde de visa att dessa teoretiska förutsägelser verkligen var korrekta.
Också intressant: NASA kommer att lansera kvantdatorer för att bearbeta och lagra "berg" av data
Snabbare kvantdatorer?
Sambandet mellan ett kvantobjekts intrassling och dess korpuskularitet och vågighet är särskilt intressant. Kvantenheterna som kan driva kvantinternet är baserade på intrassling. Kvantinternet är en kvantanalogi av vad internet är för klassiska datorer. Genom att koppla ihop många kvantdatorer och låta dem dela data hoppas forskarna få mer kraft än vad som kan uppnås med en enda kvantdator.
Men istället för att skicka bitar ner i en optisk fiber, vilket är vad vi gör för att driva det klassiska internet, måste vi trassla in qubits för att bilda kvantinternet. Att kunna mäta intrasslingen av en partikel och vågigheten hos en foton gör att vi kan hitta enklare sätt att kontrollera kvaliteten på kvantinternet.
Dessutom kan kvantdatorer själva bli bättre genom att använda partikelvågsdualism. Enligt förslag från forskare från Kinas Tsinghua-universitet är det möjligt att köra en liten kvantdator genom ett multislitsgitter för att öka dess kraft. En liten kvantdator skulle bestå av ett fåtal atomer som själva används som qubits, och sådana enheter finns redan.
Att passera dessa atomer genom ett multispaltgitter är mycket likt att passera ljus genom en dubbel slits, även om det förstås är lite mer komplicerat. Detta kommer att skapa fler möjliga kvanttillstånd, vilket i sin tur kommer att öka kraften hos den "avfyrade" datorn. Matematiken bakom detta är för komplicerad för att förklara i denna artikel, men det viktiga resultatet är att en sådan tvåkvantdator kan vara bättre på parallell beräkning än konventionella kvantdatorer. Parallell beräkning är också vanligt inom klassisk beräkning och hänvisar i grunden till en dators förmåga att utföra flera beräkningar samtidigt, vilket gör det snabbare totalt sett.
Så även om detta är mycket grundläggande forskning, finns möjliga tillämpningar redan vid horisonten. För tillfället är det omöjligt att bevisa, men dessa upptäckter kan påskynda kvantdatorer och något påskynda framväxten av kvantinternet.
Också intressant: Kina har skapat en kvantdator som är en miljon gånger kraftfullare än Googles
Mycket grundläggande, men mycket intressant
Allt detta ska tas med stor skepsis. Forskningen är gedigen, men den är också väldigt grundläggande. Som vanligtvis är fallet inom vetenskap och teknik är det långt från grundforskning till verkliga tillämpningar.
Men forskare från Korea upptäckte en mycket intressant sak: mysteriet med partikelvågsdualism kommer inte att försvinna när som helst snart. Tvärtom, det verkar vara så djupt rotat i alla kvantobjekt att det är bättre att använda det. Med den nya kvantitativa basen relaterad till källans renhet blir detta lättare att göra.
Ett av de första användningsfallen kan inträffa inom kvantberäkning. Som forskare har visat är kvantintrång och partikelvågsdualism relaterade. Sålunda, istället för intrassling, kunde mängden vågighet och korpuskularitet mätas. Detta kan hjälpa forskare som arbetar med att skapa ett kvantinternet. Eller så kan du använda dualitet att förbättra kvantdatorer och göra dem snabbare. Hur som helst, det ser ut som att spännande kvanttider är precis runt hörnet.
Läs också:
Tack för artikeln! "Möjliga program är redan vid horisonten" - förmodligen inte program, men applikationer?
Tack, mycket intressant. Fler sådana artiklar.
Tack! Vi ska försöka ;)