ย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 1920 กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นทฤษฎีที่รองรับทุกอย่างตั้งแต่พฤติกรรมของอะตอมไปจนถึงการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม กำลังอยู่ในขั้นตอนที่จะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่สิ่งลึกลับหนึ่งยังคงอยู่: บางครั้งวัตถุควอนตัม เช่น อิเล็กตรอน อะตอม และโมเลกุล ทำตัวเหมือนอนุภาค วัตถุอื่นเหมือนคลื่น บางครั้งพวกเขาก็ทำตัวเหมือนอนุภาคและคลื่นในเวลาเดียวกัน ดังนั้น เมื่อศึกษาวัตถุควอนตัมเหล่านี้ จึงไม่มีความชัดเจนว่านักวิทยาศาสตร์ควรใช้แนวทางใดในการคำนวณ
บางครั้งนักวิทยาศาสตร์ต้องสันนิษฐานว่าวัตถุควอนตัมเป็นคลื่นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ในกรณีอื่นๆ พวกเขาต้องถือว่าวัตถุนั้นเป็นอนุภาคจริงๆ บางครั้งวิธีใดวิธีหนึ่งก็ใช้ได้ผล แต่ในกรณีอื่นๆ มีเพียงวิธีเดียวเท่านั้นที่ให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ในขณะที่อีกวิธีหนึ่งให้ผลลัพธ์ที่หลอกลวง ประวัติของปัญหานี้ย้อนกลับไปได้ไกล แต่การทดลองเมื่อเร็วๆ นี้ทำให้เกิดความกระจ่างในคำถามเก่านี้
ประวัติควอนตัม
ในการทดลองรอยผ่าสองครั้งในชื่อเดียวกัน ดำเนินการครั้งแรกโดยโธมัส ยังในปี 1801 แสงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ในการทดลองนี้ ลำแสงเลเซอร์จะพุ่งไปที่รอยผ่าสองครั้ง จากนั้นจึงพิจารณารูปแบบผลลัพธ์ หากแสงประกอบด้วยอนุภาค เราอาจคาดได้ว่ามีแสงรูปทรงกรีดสองช่อง แต่ผลลัพธ์ที่ได้คือกลุ่มแสงเล็กๆ จำนวนมากที่จัดเรียงในรูปแบบที่มีลักษณะเฉพาะ การวางร่องสองครั้งในกระแสน้ำจะทำให้เกิดรูปแบบเดียวกันด้านล่าง การทดลองนี้จึงได้ข้อสรุปว่าแสงเป็นคลื่น
จากนั้นในปี พ.ศ. 1881 ไฮน์ริช เฮิรตซ์ได้ค้นพบเรื่องตลก เมื่อเขาหยิบอิเล็กโทรดสองอันและใช้ไฟฟ้าแรงสูงเพียงพอระหว่างพวกมัน ประกายไฟก็ปรากฏขึ้น นี่เป็นปกติ. แต่เมื่อเฮิรตซ์ฉายแสงบนอิเล็กโทรดเหล่านี้ แรงดันไฟของประกายไฟก็เปลี่ยนไป สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าแสงผลักอิเล็กตรอนออกจากวัสดุอิเล็กโทรด แต่ที่น่าแปลกก็คือ ความเร็วสูงสุดของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมานั้นไม่เปลี่ยนแปลงหากความเข้มของแสงเปลี่ยนไป แต่เปลี่ยนไปตามความถี่ของแสง ผลลัพธ์นี้จะเป็นไปไม่ได้หากทฤษฎีคลื่นเป็นจริง ในปี ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์มีคำตอบว่า แท้จริงแล้วแสงเป็นอนุภาค ทั้งหมดนี้ไม่เป็นที่น่าพอใจ นักวิทยาศาสตร์ชอบทฤษฎีหนึ่งที่เป็นจริงเสมอสำหรับสองทฤษฎีที่บางครั้งก็จริง และถ้าทฤษฎีหนึ่งเป็นจริงในบางครั้ง อย่างน้อยที่สุดเราก็อยากจะสามารถบอกได้ว่าเป็นจริงภายใต้เงื่อนไขใด
แต่นี่เป็นปัญหาของการค้นพบนี้อย่างแน่นอน นักฟิสิกส์ไม่รู้ว่าเมื่อใดควรถือว่าแสงหรือวัตถุอื่นใดเป็นคลื่นและเมื่อเป็นอนุภาค พวกเขารู้ว่าบางสิ่งทำให้เกิดพฤติกรรมคล้ายคลื่น เช่น ขอบของรอยกรีด แต่พวกเขาไม่มีคำอธิบายที่ชัดเจนว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้นหรือเมื่อใดจึงควรใช้ทฤษฎีใดๆ
ปริศนานี้มีชื่อว่า corpuscular-wave dualism, ยังคงสงวนไว้ แต่การศึกษาใหม่อาจทำให้กระจ่างเกี่ยวกับสถานการณ์ นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐานแห่งเกาหลีได้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดแสงส่งผลต่อจำนวนอนุภาคและเป็นคลื่นมากน้อยเพียงใด ด้วยแนวทางใหม่ในการศึกษาปัญหานี้ พวกเขาได้ปูทางที่อาจนำไปสู่การปรับปรุงในการคำนวณควอนตัม หรือความหวังดังกล่าว
ที่น่าสนใจเช่นกัน: ตัวประมวลผลควอนตัมของ Google ต้องใช้เวลาเหนือกว่าทฤษฎี
วิธีทำอนุภาคและคลื่น
ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ใช้กระจกกึ่งสะท้อนแสงเพื่อแยกลำแสงเลเซอร์ออกเป็นสองส่วน แต่ละรังสีเหล่านี้กระทบกับคริสตัล ซึ่งจะสร้างโฟตอนได้สองแบบ มีการปล่อยโฟตอนทั้งหมดสี่โฟตอนสองอันจากแต่ละคริสตัล
นักวิทยาศาสตร์ได้ส่งโฟตอนหนึ่งตัวจากคริสตัลแต่ละอันไปยังอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ อุปกรณ์นี้รวมแหล่งกำเนิดแสงสองแห่งและสร้างรูปแบบการรบกวน รูปแบบนี้ถูกค้นพบครั้งแรกโดย Thomas Young ในการทดลองแบบสองช่องดังกล่าว นี่คือสิ่งที่คุณจะเห็นเมื่อคุณโยนก้อนหินสองก้อนลงไปในบ่อน้ำ: ระลอกน้ำ ซึ่งบางส่วนก็เสริมกำลังซึ่งกันและกัน และบางก้อนทำให้กันและกันเป็นกลาง กล่าวอีกนัยหนึ่งอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์จะตรวจจับลักษณะคลื่นของแสง
เส้นทางของโฟตอนอีกสองเส้นถูกใช้เพื่อกำหนดลักษณะรูปร่างของกล้ามเนื้อ แม้ว่าผู้เขียนบทความนี้ไม่ได้ระบุว่าพวกเขาทำสิ่งนี้อย่างไร แต่ก็มักจะทำโดยการส่งผ่านโฟตอนผ่านวัสดุที่แสดงว่าโฟตอนไปที่ไหน ตัวอย่างเช่น คุณสามารถยิงโฟตอนผ่านก๊าซ ซึ่งจะจุดประกายเมื่อโฟตอนผ่านไป โฟตอนสามารถเป็นคลื่นได้โดยการเพ่งความสนใจไปที่วิถีโคจรมากกว่าจุดหมายปลายทาง เนื่องจากถ้าคุณวัดตำแหน่งที่แน่นอนของโฟตอนในแต่ละช่วงเวลา มันจะเหมือนจุดและไม่สามารถโดนตัวมันเองได้
นี่เป็นหนึ่งในหลายตัวอย่างในฟิสิกส์ควอนตัมที่การวัดส่งผลกระทบอย่างแข็งขันต่อผลลัพธ์ของการวัดดังกล่าว ดังนั้น ในส่วนนี้ของการทดลอง รูปแบบการรบกวนที่ส่วนท้ายของวิถีโฟตอนจึงหายไป ดังนั้น นักวิจัยจึงค้นพบว่าโฟตอนสามารถเป็นอนุภาคได้อย่างไร ความท้าทายในตอนนี้คือการหาปริมาณว่าอนุภาคนี้เป็นอนุภาคเท่าใดและธรรมชาติของคลื่นเหลืออยู่เท่าใด
เนื่องจากโฟตอนทั้งสองของผลึกเดียวกันถูกผลิตขึ้นร่วมกัน จึงเกิดสถานะควอนตัมเดียว ซึ่งหมายความว่าเป็นไปได้ที่จะหาสูตรทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายโฟตอนทั้งสองนี้พร้อม ๆ กัน ด้วยเหตุนี้ หากนักวิจัยสามารถหาปริมาณว่า "ความลำเอียง" และ "ความยาวคลื่น" ของโฟตอนสองโฟตอนมีความแข็งแรงเพียงใด การหาปริมาณนั้นสามารถนำไปใช้กับลำแสงทั้งหมดที่ไปถึงผลึกได้
อันที่จริงนักวิจัยประสบความสำเร็จ พวกเขาวัดว่าโฟตอนเป็นคลื่นเพียงใดโดยการตรวจสอบการมองเห็นของรูปแบบการรบกวน เมื่อทัศนวิสัยสูง โฟตอนจะเหมือนคลื่นมาก เมื่อรูปแบบนั้นแทบจะมองไม่เห็น พวกเขาสรุปว่าโฟตอนจะต้องเหมือนอนุภาคมาก
และการมองเห็นนี้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ เป็นระดับสูงสุดเมื่อคริสตัลทั้งสองได้รับความเข้มของลำแสงเลเซอร์เท่ากัน อย่างไรก็ตาม หากลำแสงจากคริสตัลหนึ่งมีความเข้มข้นมากกว่าอีกคริสตัลหนึ่ง การมองเห็นของลวดลายก็จะจางลงอย่างมาก และโฟตอนก็มีแนวโน้มที่จะดูเหมือนอนุภาคมากขึ้น
ผลลัพธ์นี้น่าประหลาดใจเพราะในการทดลองส่วนใหญ่ แสงจะถูกวัดในรูปของคลื่นหรืออนุภาคเท่านั้น วันนี้ ในการทดลองหลายครั้ง พารามิเตอร์ทั้งสองถูกวัดพร้อมกัน ซึ่งหมายความว่าง่ายต่อการกำหนดว่าแหล่งกำเนิดแสงแต่ละแห่งมีทรัพย์สินเท่าใด
ที่น่าสนใจเช่นกัน: QuTech เปิดตัวเบราว์เซอร์สำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัม
นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีมีความยินดี
ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับการทำนายที่ทำไว้ก่อนหน้านี้โดยนักทฤษฎี ตามทฤษฎีของพวกเขา วัตถุควอนตัมที่มีลักษณะเป็นคลื่นและมีรูปร่างเหมือนคลื่นนั้นขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของแหล่งกำเนิดอย่างไร ความบริสุทธิ์ในบริบทนี้เป็นเพียงวิธีแฟนซีในการแสดงความน่าจะเป็นที่แหล่งกำเนิดผลึกเฉพาะจะเป็นแหล่งกำเนิดแสง สูตรมีดังนี้: V2 + P2 = µ2 โดยที่ V คือการมองเห็นของรูปแบบทิศทาง P คือการมองเห็นเส้นทาง และ µ คือความบริสุทธิ์ของแหล่งที่มา
ซึ่งหมายความว่าวัตถุควอนตัมเช่นแสงสามารถเหมือนคลื่นได้ในระดับหนึ่งและเหมือนอนุภาคในระดับหนึ่ง แต่สิ่งนี้ถูกจำกัดโดยความบริสุทธิ์ของแหล่งกำเนิด วัตถุควอนตัมจะมีลักษณะคล้ายคลื่นหากมองเห็นรูปแบบการรบกวนหรือถ้าค่าของ V ไม่เท่ากับศูนย์ นอกจากนี้ยังเป็นเหมือนอนุภาคหากสังเกตเส้นทางได้หรือถ้า P ไม่ใช่ศูนย์
ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของการทำนายนี้คือความบริสุทธิ์ก็คือถ้าการพัวพันของเส้นทางควอนตัมสูง ความบริสุทธิ์จะต่ำ และในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองแสดงสิ่งนี้ทางคณิตศาสตร์ในงานของพวกเขา โดยการปรับความบริสุทธิ์ของผลึกและการวัดผลลัพธ์ พวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าการทำนายตามทฤษฎีเหล่านี้ถูกต้องอย่างแท้จริง
ที่น่าสนใจเช่นกัน: NASA จะเปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อประมวลผลและจัดเก็บ "ภูเขา" ของข้อมูล
คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เร็วขึ้น?
ความเชื่อมโยงระหว่างการพัวพันของวัตถุควอนตัมกับรูปร่างและความเป็นคลื่นของวัตถุนั้นน่าสนใจเป็นพิเศษ อุปกรณ์ควอนตัมที่สามารถขับเคลื่อนอินเทอร์เน็ตควอนตัมนั้นขึ้นอยู่กับสิ่งกีดขวาง อินเทอร์เน็ตควอนตัมเป็นการเปรียบเทียบแบบควอนตัมของอินเทอร์เน็ตสำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ด้วยการเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมหลายเครื่องเข้าด้วยกันและอนุญาตให้แบ่งปันข้อมูล นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้รับพลังมากกว่าที่จะทำได้ด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องเดียว
แต่แทนที่จะส่งบิตลงไฟเบอร์ออปติก ซึ่งเป็นสิ่งที่เราทำเพื่อขับเคลื่อนอินเทอร์เน็ตแบบคลาสสิก เราจำเป็นต้องพัวพันคิวบิตเพื่อสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัม ความสามารถในการวัดการพัวพันของอนุภาคและความโค้งของโฟตอนหมายความว่าเราสามารถหาวิธีที่ง่ายกว่าในการควบคุมคุณภาพของอินเทอร์เน็ตควอนตัม
นอกจากนี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเองก็สามารถดีขึ้นได้โดยใช้คลื่นอนุภาคคู่ ตามข้อเสนอของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Tsinghua ของจีน เป็นไปได้ที่จะใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กผ่านตาข่ายแบบหลายช่องเพื่อเพิ่มพลัง คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กจะประกอบด้วยอะตอมสองสามตัวที่ใช้เป็น qubits และอุปกรณ์ดังกล่าวมีอยู่แล้ว
การส่งผ่านอะตอมเหล่านี้ผ่านโครงตาข่ายหลายช่องนั้นคล้ายกับการส่งผ่านแสงผ่านช่องผ่าสองช่อง แม้ว่าจะซับซ้อนกว่าเล็กน้อยก็ตาม สิ่งนี้จะสร้างสถานะควอนตัมที่เป็นไปได้มากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มพลังของคอมพิวเตอร์ที่ "ถูกไล่ออก" คณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังสิ่งนี้ซับซ้อนเกินกว่าจะอธิบายในบทความนี้ แต่ผลลัพธ์ที่สำคัญก็คือคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบสองควอนตัมดังกล่าวสามารถคำนวณแบบขนานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทั่วไป การคำนวณแบบขนานเป็นเรื่องปกติในการคำนวณแบบคลาสสิกและโดยทั่วไปหมายถึงความสามารถของคอมพิวเตอร์ในการคำนวณหลายรายการพร้อมกัน ทำให้โดยรวมเร็วขึ้น
ดังนั้น แม้ว่านี่จะเป็นการวิจัยขั้นพื้นฐาน แต่การใช้งานที่เป็นไปได้นั้นใกล้จะถึงแล้ว ในขณะนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะพิสูจน์ แต่การค้นพบเหล่านี้สามารถเร่งความเร็วคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเร่งการเกิดขึ้นของอินเทอร์เน็ตควอนตัมได้เล็กน้อย
ที่น่าสนใจเช่นกัน: ประเทศจีนได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพมากกว่าของ Google ล้านเท่า
พื้นฐานมาก แต่น่าสนใจมาก
ทั้งหมดนี้ควรดำเนินการด้วยความสงสัยอย่างมาก การวิจัยนั้นแข็งแกร่ง แต่ก็เป็นพื้นฐานมากเช่นกัน ตามปกติแล้วในทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มีทางยาวไกลตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานไปจนถึงการใช้งานจริง
แต่นักวิจัยจากเกาหลีค้นพบสิ่งที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง: ความลึกลับของคลื่นอนุภาคคู่จะไม่หายไปในเร็ว ๆ นี้ ในทางตรงกันข้าม ดูเหมือนว่าจะหยั่งรากลึกในออบเจกต์ควอนตัมทั้งหมดจึงดีกว่าที่จะใช้ ด้วยพื้นฐานเชิงปริมาณใหม่ที่เกี่ยวข้องกับความบริสุทธิ์ของแหล่งที่มา สิ่งนี้จะทำได้ง่ายขึ้น
กรณีการใช้งานครั้งแรกอาจเกิดขึ้นในการคำนวณควอนตัม ตามที่นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็น ความพัวพันกับควอนตัมและความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาคมีความสัมพันธ์กัน ดังนั้นแทนที่จะต้องพัวพันกัน จึงสามารถวัดปริมาณของคลื่นและรูปร่างของกล้ามเนื้อได้ สิ่งนี้สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัม หรือจะใช้ก็ได้ ความเป็นคู่ เพื่อปรับปรุงคอมพิวเตอร์ควอนตัมและทำให้เร็วขึ้น ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ดูเหมือนว่าเวลาควอนตัมที่น่าตื่นเต้นอยู่ใกล้แค่เอื้อม
อ่าน:
ขอบคุณสำหรับบทความ! "โปรแกรมที่เป็นไปได้อยู่บนขอบฟ้าแล้ว" - อาจไม่ใช่โปรแกรม แต่เป็นแอปพลิเคชัน?
ขอบคุณครับ น่าสนใจมาก บทความดังกล่าวเพิ่มเติม
ขอขอบคุณ! เราจะพยายาม ;)