1920'lerde, atomların davranışından kuantum bilgisayarların işleyişine kadar her şeyin altında yatan teori olan kuantum mekaniği, yaygın kabul görme yolunda ilerliyordu. Ancak bir gizem kaldı: bazen elektronlar, atomlar ve moleküller gibi kuantum nesneleri parçacıklar gibi davranır, diğerleri ise dalgalar gibi davranır. Hatta bazen aynı anda hem parçacık hem de dalga gibi davranırlar. Bu nedenle, bu kuantum nesneleri incelerken, bilim adamlarının hesaplamalarında hangi yaklaşımı kullanmaları gerektiği hiçbir zaman net değildi.
Bazen bilim adamları, doğru sonucu elde etmek için kuantum nesnelerinin dalga olduğunu varsaymak zorunda kaldılar. Diğer durumlarda, nesnelerin aslında parçacıklar olduğunu varsaymaları gerekiyordu. Bazen her iki yaklaşım da işe yaradı. Ancak diğer durumlarda, yalnızca bir yaklaşım doğru sonucu verirken, diğeri sahte bir sonuç verdi. Bu sorunun tarihi çok eskilere dayanmaktadır, ancak son deneyler bu eski soruya yeni bir ışık tutmuştur.
kuantum tarihi
İlk kez 1801'de Thomas Young tarafından gerçekleştirilen aynı adlı çift yarık deneyinde ışık dalgalar gibi davrandı. Bu deneyde, bir lazer ışını çift yarığa yönlendirilir ve ardından ortaya çıkan desene bakılır. Işık parçacıklardan oluşuyorsa, yarık şeklinde iki ışık bloğu beklenir. Bunun yerine, karakteristik bir düzende düzenlenmiş çok sayıda küçük ışık blokları elde edilir. Su akışına bir çift yarık yerleştirmek, hemen aşağıda aynı desenle sonuçlanacaktır. Böylece bu deney, ışığın bir dalga olduğu sonucuna yol açtı.
Sonra, 1881'de Heinrich Hertz komik bir keşif yaptı. İki elektrot alıp aralarına yeterince yüksek voltaj uyguladığında kıvılcımlar çıktı. Bu normal. Ancak Hertz bu elektrotlara ışık tuttuğunda kıvılcım voltajı değişti. Bu, ışığın elektronları elektrot malzemesinden dışarı vurduğu gerçeğiyle açıklandı. Ancak, garip bir şekilde, ışığın yoğunluğu değiştiyse, çıkarılan elektronların maksimum hızı değişmedi, ancak ışığın frekansı ile değişti. Dalga teorisi doğru olsaydı bu sonuç imkansız olurdu. 1905'te Albert Einstein'ın bir çözümü vardı: ışık aslında bir parçacıktı. Bütün bunlar tatmin edici değildi. Bilim adamları, bazen doğru olan iki teoriye her zaman doğru olan bir teoriyi tercih ederler. Ve eğer bir teori yalnızca bazen doğruysa, o zaman en azından hangi koşullar altında doğru olduğunu söyleyebilmeyi isteriz.
Ancak bu keşifle ilgili sorun tam olarak buydu. Fizikçiler, ışığı veya başka herhangi bir nesneyi ne zaman dalga, ne zaman parçacık olarak ele alacaklarını bilmiyorlardı. Yarıkların kenarları gibi bazı şeylerin dalga benzeri davranışlara neden olduğunu biliyorlardı. Ancak bunun neden böyle olduğuna veya herhangi bir teoriyi ne zaman kullanacaklarına dair net bir açıklamaları yoktu.
Bu bilmece denir parçacık-dalga ikiliği, hala korunmaktadır. Ancak yeni bir çalışma duruma biraz ışık tutabilir. Kore Temel Bilimler Enstitüsü'nden bilim adamları, ışık kaynağının özelliklerinin ne kadar parçacık ve ne kadar dalga olduğunu etkilediğini göstermiştir. Bu sorunu incelemek için yeni bir yaklaşımla, kuantum hesaplamada iyileştirmelere bile yol açabilecek bir yol açtılar. Ya da böyle umutlar.
Ayrıca ilginç: Google'ın kuantum işlemcileri teorinin ötesinde zaman kristalleri alır
Parçacıklar ve dalgalar nasıl yapılır
Deneyde bilim adamları, lazer ışınını iki parçaya bölmek için yarı yansıtıcı bir ayna kullandılar. Bu ışınların her biri kristale çarpar ve bu da iki foton üretir. Her kristalden iki tane olmak üzere toplam dört foton yayılır.
Bilim adamları, interferometreye her kristalden bir foton gönderdi. Bu cihaz iki ışık kaynağını birleştirir ve bir girişim deseni oluşturur. Bu model ilk olarak Thomas Young tarafından yukarıda bahsedilen iki yarık deneyinde keşfedildi. Bir gölete iki taş attığınızda da bunu görürsünüz: Bazıları birbirini güçlendiren, bazıları da birbirini nötralize eden su dalgaları. Başka bir deyişle, interferometre ışığın dalga yapısını algılar.
Diğer iki fotonun yörüngeleri, onların cisimcik özelliklerini belirlemek için kullanıldı. Makalenin yazarları bunu nasıl yaptıklarını belirtmemiş olsalar da, genellikle fotonun nereye gittiğini gösteren bir materyalden bir foton geçirilerek yapılır. Örneğin, bir gazın içinden bir foton çekebilirsiniz, bu daha sonra fotonun geçtiği yeri tutuşturur. Foton, nihai hedef yerine yörüngeye odaklanarak bir dalga olabilir. Bunun nedeni, fotonun zamanın her anında tam konumunu ölçerseniz, o zaman nokta gibidir ve kendi kendine çarpamaz.
Bu, bir ölçümün söz konusu ölçümün sonucunu aktif olarak etkilediği kuantum fiziğindeki birçok örnekten biridir. Bu nedenle, deneyin bu bölümünde, foton yörüngesinin sonundaki girişim deseni yoktu. Böylece araştırmacılar bir fotonun nasıl parçacık olabileceğini keşfettiler. Şimdiki zorluk, bunun ne kadarının parçacık olduğunu ve ne kadarının dalga doğasından kaldığını ölçmekti.
Aynı kristalin her iki fotonu birlikte üretildiğinden, tek bir kuantum durumu oluştururlar. Bu, bu fotonların her ikisini de aynı anda tanımlayan matematiksel bir formül bulmanın mümkün olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, araştırmacılar iki fotonun "kısmiliğinin" ve "dalga boyunun" ne kadar güçlü olduğunu ölçebilirse, bu niceleme kristale ulaşan tüm ışına uygulanabilir.
Gerçekten de, araştırmacılar başardı. Girişim deseninin görünürlüğünü kontrol ederek fotonun ne kadar dalgalı olduğunu ölçtüler. Görünürlük yüksek olduğunda, foton çok dalgalıydı. Desen zar zor görünür olduğunda, fotonun bir parçacık gibi olması gerektiği sonucuna vardılar.
Ve bu görünürlük tesadüfiydi. Her iki kristal de aynı lazer ışını yoğunluğunu aldığında en yüksek değerdi. Bununla birlikte, bir kristalden gelen ışın diğerinden çok daha yoğunsa, desenin görünürlüğü çok zayıf hale geldi ve fotonların parçacık gibi görünme olasılığı daha yüksekti.
Bu sonuç şaşırtıcıdır çünkü çoğu deneyde ışık yalnızca dalgalar veya parçacıklar biçiminde ölçülür. Günümüzde birçok deneyde her iki parametre de aynı anda ölçülmüştür. Bu, bir ışık kaynağının her bir özelliğinin ne kadarına sahip olduğunu belirlemenin kolay olduğu anlamına gelir.
Ayrıca ilginç: QuTech, kuantum internet için bir tarayıcı başlattı
Teorik fizikçiler memnun
Bu sonuç, teorisyenlerin daha önce yaptığı tahminle örtüşmektedir. Teorilerine göre, bir kuantum nesnesinin ne kadar dalgalı ve parçacıklı olduğu, kaynağın saflığına bağlıdır. Bu bağlamda saflık, ışığı yayan belirli bir kristal kaynağın olma olasılığını ifade etmenin süslü bir yoludur. Formül aşağıdaki gibidir: V2 + P2 = µ2, burada V, yönlü desenin görünürlüğü, P yolun görünürlüğü ve µ kaynağın saflığıdır.
Bu, ışık gibi bir kuantum nesnesinin bir dereceye kadar dalga benzeri ve bir dereceye kadar parçacık benzeri olabileceği anlamına gelir, ancak bu, kaynağın saflığı ile sınırlıdır. Bir girişim deseni görünürse veya V'nin değeri sıfıra eşit değilse, bir kuantum nesnesi dalga benzeridir. Ayrıca, yolun gözlemlenebilir olması veya P'nin sıfırdan farklı olması parçacık benzeridir.
Bu tahminin bir başka sonucu da, saflığın, kuantum yolunun dolaşıklığı yüksekse, saflığın düşük olması ve bunun tersi olmasıdır. Deneyi yapan bilim adamları, çalışmalarında bunu matematiksel olarak gösterdiler. Kristallerin saflığını ayarlayarak ve sonuçları ölçerek, bu teorik tahminlerin gerçekten doğru olduğunu gösterebildiler.
Ayrıca ilginç: NASA, verilerin "dağlarını" işlemek ve depolamak için kuantum bilgisayarları başlatacak
Daha hızlı kuantum bilgisayarlar?
Bir kuantum nesnesinin dolanıklığı ile parçacıklılığı ve dalgalılığı arasındaki bağlantı özellikle ilginçtir. Kuantum internete güç sağlayabilecek kuantum cihazları, dolaşıklığa dayanıyor. Kuantum İnternet, internetin klasik bilgisayarlar için ne olduğuna dair kuantum bir benzetmedir. Bilim adamları, birçok kuantum bilgisayarı birbirine bağlayarak ve veri paylaşmalarına izin vererek, tek bir kuantum bilgisayarla elde edilebilecek güçten daha fazlasını elde etmeyi umuyorlar.
Ancak klasik interneti güçlendirmek için yaptığımız şey olan bir optik fibere bitler göndermek yerine, kuantum interneti oluşturmak için kübitleri dolaştırmamız gerekiyor. Bir parçacığın dolaşıklığını ve bir fotonun dalgalılığını ölçebilmek, kuantum internetin kalitesini kontrol etmenin daha basit yollarını bulabileceğimiz anlamına geliyor.
Ek olarak, kuantum bilgisayarların kendileri parçacık-dalga ikiliğini kullanarak daha iyi hale gelebilirler. Çin'in Tsinghua Üniversitesi'nden araştırmacıların önerisine göre, gücünü artırmak için küçük bir kuantum bilgisayarı çok yarıklı bir kafes içinden çalıştırmak mümkün. Küçük bir kuantum bilgisayar, kendileri kübit olarak kullanılan birkaç atomdan oluşacaktı ve bu tür cihazlar zaten var.
Bu atomları çok yarıklı bir kafesten geçirmek, ışığı çift yarıktan geçirmeye çok benzer, ancak elbette biraz daha karmaşıktır. Bu, daha olası kuantum durumları yaratacak ve bu da "ateşlenen" bilgisayarın gücünü artıracaktır. Bunun arkasındaki matematik bu yazıda açıklanamayacak kadar karmaşıktır, ancak önemli sonuç, böyle iki kuantumlu bir bilgisayarın paralel hesaplamada geleneksel kuantum bilgisayarlardan daha iyi olabileceğidir. Paralel hesaplama, klasik hesaplamada da yaygındır ve temel olarak, bir bilgisayarın aynı anda birden fazla hesaplama gerçekleştirerek genel olarak daha hızlı hale getirme yeteneğini ifade eder.
Dolayısıyla, bu çok temel bir araştırma olsa da, olası uygulamalar şimdiden ufukta görünüyor. Şu anda kanıtlamak imkansız, ancak bu keşifler kuantum bilgisayarları hızlandırabilir ve kuantum internetin ortaya çıkışını biraz hızlandırabilir.
Ayrıca ilginç: Çin, Google'ınkinden bir milyon kat daha güçlü bir kuantum bilgisayar yarattı
Çok temel, ama çok ilginç
Bütün bunlar büyük bir şüphecilikle ele alınmalıdır. Araştırma sağlam, ama aynı zamanda çok basit. Bilim ve teknolojide genellikle olduğu gibi, temel araştırmalardan gerçek dünya uygulamalarına kadar uzun bir yol vardır.
Ancak Kore'den araştırmacılar çok ilginç bir şey keşfettiler: Parçacık-dalga ikiliğinin gizemi yakın zamanda ortadan kalkmayacak. Aksine, tüm kuantum nesnelerine o kadar derinden kök salmış görünüyor ki, onu kullanmak daha iyi. Kaynağın saflığına ilişkin yeni nicel temel ile bunu yapmak daha kolay olacaktır.
İlk kullanım durumlarından biri kuantum hesaplamada ortaya çıkabilir. Bilim adamlarının gösterdiği gibi, kuantum dolaşıklığı ve parçacık-dalga ikiliği birbiriyle ilişkilidir. Böylece dolaşıklık yerine dalgalılık ve parçacıklık miktarı ölçülebilirdi. Bu, bilim insanlarının kuantum internet yaratmaya çalışmasına yardımcı olabilir. Veya kullanabilirsiniz ikilik kuantum bilgisayarları geliştirmek ve daha hızlı hale getirmek için. Her iki durumda da, heyecan verici kuantum zamanları hemen köşede görünüyor.
Ayrıca okuyun:
Makale için teşekkürler! "Olası programlar zaten ufukta" - muhtemelen programlar değil, uygulamalar?
Teşekkürler, çok ilginç. Daha fazla bu tür makaleler.
Teşekkürler! Deneyeceğiz ;)