Noong 1920s, ang quantum mechanics, ang teorya na sumasailalim sa lahat mula sa pag-uugali ng mga atom hanggang sa pagpapatakbo ng mga quantum computer, ay patungo sa pagkakaroon ng malawakang pagtanggap. Ngunit isang misteryo ang nanatili: kung minsan ang mga bagay na quantum, tulad ng mga electron, atomo at molekula, ay kumikilos tulad ng mga particle, ang iba ay parang mga alon. Minsan sila ay kumikilos na parang mga particle at alon sa parehong oras. Samakatuwid, kapag pinag-aaralan ang mga quantum object na ito, hindi malinaw kung anong diskarte ang dapat gamitin ng mga siyentipiko sa kanilang mga kalkulasyon.
Minsan ang mga siyentipiko ay kailangang ipagpalagay na ang mga bagay na quantum ay mga alon upang makuha ang tamang resulta. Sa ibang mga kaso, kailangan nilang ipagpalagay na ang mga bagay ay talagang mga particle. Minsan ang alinman sa diskarte ay gumana. Ngunit sa ibang mga kaso, isang diskarte lang ang gumawa ng tamang resulta, habang ang isa naman ay nagbalik ng huwad na resulta. Ang kasaysayan ng problemang ito ay bumalik sa malayo, ngunit ang mga kamakailang eksperimento ay nagbigay ng bagong liwanag sa lumang tanong na ito.
Kasaysayan ng kuwantum
Sa double-slit na eksperimento ng parehong pangalan, na unang isinagawa ni Thomas Young noong 1801, ang liwanag ay kumikilos tulad ng mga alon. Sa eksperimentong ito, ang isang laser beam ay nakadirekta sa isang double slit, at pagkatapos ay titingnan ang resultang pattern. Kung ang liwanag ay binubuo ng mga particle, aasahan ng isa ang dalawang hugis hiwa na bloke ng liwanag. Sa halip, ang resulta ay maraming maliliit na bloke ng liwanag na nakaayos sa isang katangiang pattern. Ang paglalagay ng double slit sa agos ng tubig ay magreresulta sa parehong pattern sa ibaba lamang. Kaya ang eksperimentong ito ay humantong sa konklusyon na ang liwanag ay isang alon.
Pagkatapos, noong 1881, gumawa si Heinrich Hertz ng isang nakakatawang pagtuklas. Nang kumuha siya ng dalawang electrodes at inilapat ang isang sapat na mataas na boltahe sa pagitan ng mga ito, lumitaw ang mga spark. Ito ay normal. Ngunit nang lumiwanag ang Hertz sa mga electrodes na ito, nagbago ang boltahe ng spark. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang liwanag knocked electron out sa elektrod materyal. Ngunit, kakaiba, ang pinakamataas na bilis ng mga ejected electron ay hindi nagbago kung ang intensity ng liwanag ay nagbago, ngunit nagbago sa dalas ng liwanag. Imposible ang resultang ito kung totoo ang wave theory. Noong 1905, nagkaroon ng solusyon si Albert Einstein: ang liwanag ay talagang isang butil. Ang lahat ng ito ay hindi kasiya-siya. Mas gusto ng mga siyentipiko ang isang teorya na palaging totoo kaysa sa dalawang teorya na kung minsan ay totoo. At kung ang isang teorya ay totoo lamang minsan, kung gayon ay nais nating masabi sa ilalim ng kung anong mga kundisyon ito ay totoo.
Ngunit ito ang tiyak na problema sa pagtuklas na ito. Hindi alam ng mga physicist kung kailan dapat isaalang-alang ang liwanag o anumang bagay bilang isang alon at kung kailan bilang isang particle. Alam nila na ang ilang bagay ay nagdudulot ng parang alon, gaya ng mga gilid ng mga biyak. Ngunit wala silang malinaw na paliwanag kung bakit ganito o kung kailan gagamit ng anumang teorya.
Ang bugtong na ito ay tinatawag corpuscular-wave dualism, ay pinapanatili pa rin. Ngunit ang isang bagong pag-aaral ay maaaring magbigay ng kaunting liwanag sa sitwasyon. Ipinakita ng mga siyentipiko mula sa Korea Institute of Basic Sciences na ang mga katangian ng pinagmumulan ng liwanag ay nakakaapekto sa kung gaano ito isang particle at kung gaano ito isang alon. Sa isang bagong diskarte sa pag-aaral ng problemang ito, sila ay naghanda ng isang landas na maaaring humantong sa mga pagpapabuti sa quantum computing. O ganoong pag-asa.
Kawili-wili din: Ang mga quantum processor ng Google ay tumatagal ng mga kristal ng oras na lampas sa teorya
Paano gumawa ng mga particle at alon
Sa eksperimento, gumamit ang mga siyentipiko ng semi-reflective mirror upang hatiin ang laser beam sa dalawang bahagi. Ang bawat isa sa mga sinag na ito ay tumama sa kristal, na gumagawa naman ng dalawang photon. Isang kabuuang apat na photon ang ibinubuga, dalawa mula sa bawat kristal.
Ang mga siyentipiko ay nagpadala ng isang photon mula sa bawat kristal sa interferometer. Pinagsasama ng device na ito ang dalawang light source at gumagawa ng interference pattern. Ang pattern na ito ay unang natuklasan ni Thomas Young sa kanyang nabanggit na two-slit experiment. Ito rin ang nakikita mo kapag naghagis ka ng dalawang bato sa isang lawa: mga alon ng tubig, na ang ilan ay nagpapatibay sa isa't isa at ang iba ay nagne-neutralize sa isa't isa. Sa madaling salita, nakita ng interferometer ang wave nature ng liwanag.
Ang mga landas ng iba pang dalawang photon ay ginamit upang matukoy ang kanilang mga katangian ng corpuscular. Bagaman hindi tinukoy ng mga may-akda ng papel kung paano nila ito ginawa, kadalasang ginagawa ito sa pamamagitan ng pagpasa ng photon sa isang materyal na nagpapakita kung saan napunta ang photon. Halimbawa, maaari kang mag-shoot ng isang photon sa pamamagitan ng isang gas, na pagkatapos ay mag-apoy kung saan dumaan ang photon. Sa pamamagitan ng pagtuon sa tilapon sa halip na sa huling destinasyon, ang photon ay maaaring maging isang alon. Ito ay dahil kung susukatin mo ang eksaktong lokasyon ng photon sa bawat sandali ng oras, ito ay tulad ng punto at hindi matamaan ang sarili nito.
Ito ay isa sa maraming mga halimbawa sa quantum physics kung saan ang isang pagsukat ay aktibong nakakaapekto sa kinalabasan ng nasabing pagsukat. Samakatuwid, sa bahaging ito ng eksperimento, wala ang pattern ng interference sa dulo ng photon trajectory. Kaya, nalaman ng mga mananaliksik kung paano ang isang photon ay maaaring maging isang particle. Ang hamon ngayon ay upang mabilang kung gaano ito karami at kung magkano ang natitira sa kalikasan ng alon.
Dahil ang parehong mga photon ng parehong kristal ay ginawa nang magkasama, bumubuo sila ng isang solong estado ng kabuuan. Nangangahulugan ito na posibleng makahanap ng mathematical formula na naglalarawan sa parehong mga photon na ito nang sabay-sabay. Bilang resulta, kung matutukoy ng mga mananaliksik kung gaano kalakas ang "partiality" at "wavelength" ng dalawang photon, maaaring mailapat ang quantification na iyon sa buong beam na umaabot sa kristal.
Sa katunayan, nagtagumpay ang mga mananaliksik. Sinukat nila kung gaano kulot ang photon sa pamamagitan ng pagsuri sa visibility ng pattern ng interference. Kapag mataas ang visibility, ang photon ay parang alon. Kapag ang pattern ay halos hindi nakikita, napagpasyahan nila na ang photon ay dapat na katulad ng isang particle.
At ang visibility na ito ay hindi sinasadya. Ito ang pinakamataas kapag ang parehong mga kristal ay nakatanggap ng parehong intensity ng laser beam. Gayunpaman, kung ang sinag mula sa isang kristal ay mas matindi kaysa sa isa, ang kakayahang makita ng pattern ay naging napakahina, at ang mga photon ay mas malamang na magmukhang mga particle.
Ang resultang ito ay nakakagulat dahil sa karamihan ng mga eksperimento ang liwanag ay sinusukat lamang sa anyo ng mga alon o mga particle. Ngayon, sa ilang mga eksperimento, ang parehong mga parameter ay sinusukat nang sabay-sabay. Nangangahulugan ito na madaling matukoy kung gaano karami ang bawat ari-arian ng isang pinagmumulan ng liwanag.
Kawili-wili din: Naglulunsad ang QuTech ng browser para sa quantum internet
Ang mga teoretikal na pisiko ay nalulugod
Ang resultang ito ay tumutugma sa hula na ginawa ng mga theorist. Ayon sa kanilang teorya, kung gaano wavelike at corpuscular ang isang quantum object ay depende sa kadalisayan ng pinagmulan. Ang kadalisayan sa kontekstong ito ay isang magarbong paraan lamang ng pagpapahayag ng posibilidad na ang isang partikular na mala-kristal na pinagmulan ay ang naglalabas ng liwanag. Ang formula ay ang sumusunod: V2 + P2 = µ2, kung saan ang V ay ang visibility ng directional pattern, ang P ay ang visibility ng path, at µ ay ang kadalisayan ng source.
Nangangahulugan ito na ang isang quantum object tulad ng liwanag ay maaaring maging parang alon sa ilang lawak at parang particle sa ilang lawak, ngunit ito ay nalilimitahan ng kadalisayan ng pinagmulan. Ang isang quantum object ay parang alon kung ang isang pattern ng interference ay nakikita o kung ang halaga ng V ay hindi katumbas ng zero. Gayundin, ito ay parang butil kung ang landas ay nakikita o kung ang P ay hindi zero.
Ang isa pang kahihinatnan ng hulang ito ay ang kadalisayan ay kung ang pagkakasalubong ng quantum path ay mataas, ang kadalisayan ay mababa, at kabaliktaran. Ang mga siyentipiko na nagsagawa ng eksperimento ay nagpakita nito sa matematika sa kanilang trabaho. Sa pamamagitan ng pag-tune ng kadalisayan ng mga kristal at pagsukat ng mga resulta, naipakita nila na ang mga teoretikal na hula ay talagang tama.
Kawili-wili din: Ilulunsad ng NASA ang mga quantum computer para magproseso at mag-imbak ng "mga bundok" ng data
Mas mabilis na quantum computer?
Partikular na kawili-wili ang koneksyon sa pagitan ng pagkakabuhol ng isang quantum object at ang corpuscularity at waviness nito. Ang mga quantum device na maaaring magpagana sa quantum internet ay nakabatay sa gusot. Ang quantum Internet ay isang quantum analogy ng kung ano ang Internet para sa mga klasikal na computer. Sa pamamagitan ng pagkonekta ng maraming quantum computer nang sama-sama at pagpapahintulot sa kanila na magbahagi ng data, umaasa ang mga siyentipiko na makakuha ng higit na kapangyarihan kaysa sa maaaring makamit sa isang solong quantum computer.
Ngunit sa halip na magpadala ng mga piraso pababa ng isang optical fiber, na kung ano ang ginagawa namin upang paganahin ang klasikal na internet, kailangan naming isali ang mga qubit upang mabuo ang quantum internet. Ang kakayahang masukat ang pagkakabuhol ng isang particle at ang waviness ng isang photon ay nangangahulugan na makakahanap tayo ng mga mas simpleng paraan upang makontrol ang kalidad ng quantum internet.
Bilang karagdagan, ang mga quantum computer mismo ay maaaring maging mas mahusay sa pamamagitan ng paggamit ng particle-wave dualism. Ayon sa panukala ng mga mananaliksik mula sa Tsinghua University ng China, posibleng magpatakbo ng isang maliit na quantum computer sa pamamagitan ng multi-slit lattice upang mapataas ang kapangyarihan nito. Ang isang maliit na quantum computer ay bubuo ng ilang mga atom na ginagamit mismo bilang mga qubit, at umiiral na ang mga naturang device.
Ang pagpasa sa mga atomo na ito sa pamamagitan ng isang multislit na sala-sala ay halos kapareho sa pagpasa ng liwanag sa isang double slit, bagaman siyempre mas kumplikado. Ito ay lilikha ng mas maraming posibleng quantum states, na, sa turn, ay magpapataas ng kapangyarihan ng "fired" na computer. Ang matematika sa likod nito ay masyadong kumplikado upang ipaliwanag sa papel na ito, ngunit ang mahalagang resulta ay ang naturang two-quantum computer ay maaaring maging mas mahusay sa parallel computing kaysa sa conventional quantum computers. Ang parallel computing ay karaniwan din sa classical computing at karaniwang tumutukoy sa kakayahan ng isang computer na magsagawa ng maraming kalkulasyon nang sabay-sabay, na ginagawa itong mas mabilis sa pangkalahatan.
Kaya, habang ito ay napakapangunahing pananaliksik, ang mga posibleng aplikasyon ay nasa abot-tanaw na. Sa sandaling ito ay imposibleng patunayan, ngunit ang mga pagtuklas na ito ay maaaring mapabilis ang mga quantum computer at bahagyang mapabilis ang paglitaw ng quantum internet.
Kawili-wili din: Gumawa ang China ng isang quantum computer na isang milyong beses na mas malakas kaysa sa Google
Napakapangunahing, ngunit napaka-interesante
Ang lahat ng ito ay dapat kunin nang may malaking pag-aalinlangan. Ang pananaliksik ay solid, ngunit ito rin ay napaka-basic. Gaya ng kadalasang nangyayari sa agham at teknolohiya, may mahabang paraan mula sa pangunahing pananaliksik hanggang sa mga aplikasyon sa totoong mundo.
Ngunit natuklasan ng mga mananaliksik mula sa Korea ang isang napaka-kagiliw-giliw na bagay: ang misteryo ng particle-wave dualism ay hindi mawawala anumang oras sa lalong madaling panahon. Sa kabaligtaran, ito ay tila napakalalim na nakaugat sa lahat ng mga bagay na quantum na mas mahusay na gamitin ito. Gamit ang bagong quantitative na batayan na may kaugnayan sa kadalisayan ng pinagmulan, ito ay magiging mas madaling gawin.
Ang isa sa mga unang kaso ng paggamit ay maaaring mangyari sa quantum computing. Gaya ng ipinakita ng mga siyentipiko, magkaugnay ang quantum entanglement at particle-wave dualism. Kaya, sa halip na gusot, ang dami ng waviness at corpuscularity ay maaaring masukat. Makakatulong ito sa mga siyentipiko na nagtatrabaho sa paglikha ng isang quantum internet. O maaari mong gamitin duality upang mapabuti ang mga quantum computer at gawing mas mabilis ang mga ito. Alinmang paraan, mukhang malapit na ang mga kapana-panabik na quantum times.
Basahin din:
Salamat sa artikulo! "Ang mga posibleng programa ay nasa abot-tanaw na" - marahil hindi mga programa, ngunit mga aplikasyon?
Salamat, napaka-interesante. Higit pang mga naturang artikulo.
Salamat! Susubukan namin ;)