Ще в 1920-х роках квантова механіка, теорія, яка лежить в основі всього, від поведінки атомів до роботи квантових комп’ютерів була на шляху до того, щоб отримати широке визнання. Але залишилася одна загадка: іноді квантові об’єкти, такі як електрони, атоми та молекули, поводяться як частинки, інші — як хвилі. Іноді вони навіть поводяться як частинки та хвилі одночасно. Тому при вивченні цих квантових об’єктів ніколи не було зрозуміло, який підхід вчені повинні використовуватиме у своїх розрахунках.
Іноді вченим треба було припустити, що квантові об’єкти були хвилями, щоби отримати правильний результат. В інших випадках їм потрібно було припустити, що об’єкти насправді були частинками. Іноді спрацьовував будь-який підхід. Але в інших випадках лише один підхід приводив до правильного результату, а інший повертав фіктивний результат. Історія цієї проблеми йде далеко в минуле, але недавні експерименти пролили нове світло на це старе питання.
Квантова історія
У однойменному експерименті з двома щілинами, вперше проведеному Томасом Янгом в 1801 році, світло поводилося як хвилі. У цьому експерименті лазерний промінь направляють на подвійну щілину, а потім дивляться на малюнок, що виходить в результаті. Якби світло складалося з частинок, можна було б очікувати два світлові блоки у формі щілин. Натомість у результаті виходить безліч маленьких блоків світла, розташованих у характерному порядку. Розміщення подвійної щілини в потоці води призвело б до того ж малюнку трохи нижче. Отже, цей експеримент привів до висновку, що світло є хвилею.
Потім, в 1881 році, Генріх Герц зробив кумедне відкриття. Коли він узяв два електроди і подав між ними досить високу напругу, з’явилися іскри. Це нормально. Але коли Герц посвітив на ці електроди, іскрове напруження змінилося. Пояснювалося це тим, що світло вибивало електрони з матеріалу електрода. Але, як не дивно, максимальна швидкість вибитих електронів не змінювалася, якщо змінювалася інтенсивність світла, а змінювалася із частотою світла. Цей результат був би неможливий, якби хвильова теорія була вірною. У 1905 році Альберт Ейнштейн мав рішення: світло насправді було частинкою. Все це було незадовільно. Вчені вважають за краще одну теорію, яка завжди вірна, двом теоріям, які іноді вірні. А якщо теорія вірна лише іноді, то ми хотіли б принаймні мати можливість сказати, за яких умов вона вірна.
Але саме в цьому й полягала проблема цього відкриття. Фізики не знали, коли розглядати світло чи будь-який інший об’єкт як хвилю, а коли як частинку. Вони знали, що деякі речі викликають хвилеподібну поведінку, наприклад, краї щілин. Але у них не було чіткого пояснення, чому це так чи коли якусь теорію використовувати.
Ця загадка, звана корпускулярно-хвильовим дуалізмом, зберігається й досі. Але нове дослідження може трохи прояснити ситуацію. Вчені Корейського інституту фундаментальних наук показали, що властивості джерела світла впливають на те, наскільки воно є частинкою, а наскільки хвилею. Завдяки новому підходу до вивчення цієї проблеми вони проклали шлях, який може навіть призвести до покращень у квантових обчисленнях. Або такі сподівання.
Теж цікаво: Квантові процесори Google виводять кристали часу за рамки теорії
Як зробити частки та хвилі
В експерименті вчені використовували напіввідбивне дзеркало, щоб розділити лазерний промінь на дві частини. Кожен із цих променів потрапляє на кристал, який, у свою чергу, виробляє два фотони. Усього виходить чотири фотони, по два від кожного кристала.
Вчені відправили один фотон із кожного кристала в інтерферометр. Цей пристрій об’єднує два джерела світла та створює інтерференційну картину. Така закономірність була вперше виявлена Томасом Янгом у його вищезгаданому експерименті з двома щілинами. Це також те, що ви бачите, коли кидаєте два камені в ставок: брижі води, деякі з яких посилюють одна одну, а інші нейтралізують одна одну. Іншими словами, інтерферометр виявляє хвильову природу світла.
Шляхи двох інших фотонів використовувалися для визначення їх корпускулярних характеристик. Хоча автори статті не уточнюють, як вони це зробили, зазвичай це робиться шляхом пропускання фотона через матеріал, який показує, куди пішов фотон. Наприклад, можна вистрілити фотоном через газ, який потім спалахне там, де пройшов фотон. Фокусуючись на траєкторії, а не на кінцевому пункті призначення, фотон може бути хвилею. Це тому, що якщо виміряти точне розташування фотона в кожний момент часу, то він точковий і не може влучити сам у себе.
Це один із багатьох прикладів у квантовій фізиці, коли вимір активно впливає на результат зазначеного виміру. Отже, у цій частині експерименту інтерференційна картина наприкінці траєкторії фотона була відсутня. Таким чином, дослідники з’ясували, як фотон може бути часткою. Тепер завдання полягало в тому, щоб кількісно визначити, наскільки це була частка і скільки залишилося від хвильового характеру.
Оскільки обидва фотона одного кристала утворюються разом, вони утворюють один квантовий стан. Це означає, що можна знайти математичну формулу, що описує обидва ці фотони одночасно. В результаті, якщо дослідники можуть кількісно визначити, наскільки сильні «частковість» і «хвилястість» двох фотонів, це кількісне визначення можна затосувати до всього променя, що досягає кристала.
Справді, дослідникам це вдалося. Вони виміряли, наскільки хвилястим був фотон, перевіривши видимість інтерференційної картини. Коли видимість була високою, фотон був дуже хвилеподібним. Коли візерунок було ледве видно, вони дійшли висновку, що фотон має бути дуже схожим на частинку.
І ця видимість була випадковою. Вона була найвищою, коли обидва кристали отримували однакову інтенсивність лазерного променя. Однак, якщо промінь одного кристала був набагато інтенсивніший за інший, видимість візерунка ставала дуже слабкою, і фотони, швидше за все, були схожі на частинки.
Цей результат вражає, тому що в більшості експериментів світло вимірюється лише у вигляді хвиль або частинок. Насьогодні у кількох експериментах вимірювалися обидва параметри одночасно. Це означає, що легко визначити, скільки кожної властивості має джерело світла.
Теж цікаво: QuTech запускає браузер для квантового Інтернету
Фізики-теоретики у захваті
Цей результат відповідає прогнозу, зробленому раніше теоретиками. Згідно з їхньою теорією, наскільки хвильовим і корпускулярним є квантовий об’єкт, залежить від чистоти джерела. Чистота в цьому контексті — просто химерний спосіб висловити ймовірність того, що конкретне кристалічне джерело буде тим, що випромінює світло. Формула виглядає наступним чином: V2 + P2 = µ2, де V – видимість діаграми спрямованості, P – помітність шляху, а µ – чистота джерела.
Це означає, що квантовий об’єкт, такий як світло, може бути певною мірою хвильовим, а в якійсь частинкоподібним, але це обмежено чистотою джерела. Квантовий об’єкт хвилеподібний, якщо видно інтерференційну картину або якщо величина V не дорівнює нулю. Крім того, він подібний до частинки, якщо шлях помітний або якщо P не дорівнює нулю.
Іншим наслідком цього передбачення є те, що чистота полягає в тому, що якщо заплутаність квантового шляху є високою, чистота низька, і навпаки. Вчені, які проводили експеримент, математично показали це у своїй роботі. Налаштувавши чистоту кристалів і вимірявши результати, вони змогли показати, що ці теоретичні передбачення справді вірні.
Теж цікаво: У NASA запустять квантові комп’ютери, щоб обробляти та зберігати «гори» даних
Швидші квантові комп’ютери?
Зв’язок між заплутаністю квантового об’єкта та його корпускулярністю та хвилястістю особливо цікавий. Квантові пристрої, які можуть привести в дію квантовий інтернет, засновані на заплутаності. Квантовий інтернет – це квантова аналогія того, чим Інтренет є для класичних комп’ютерів. Поєднуючи безліч квантових комп’ютерів разом і дозволяючи їм обмінюватися даними, вчені сподіваються отримати більше потужності, ніж міг би досягти з одним квантовим комп’ютером.
Але замість того, щоб відправляти біти по оптичному волокну, що ми робимо для живлення класичного Інтернету, нам потрібно заплутати кубіти, щоб сформувати квантовий Інтернет. Можливість вимірювати заплутаність частинкою та хвилястістю фотона означає, що ми можемо знайти простіші способи контролю якості квантового Інтернету.
Крім того, самі квантові комп’ютери можуть стати кращими, використовуючи корпускулярно-хвильовий дуалізм. За пропозицією дослідників з китайського Університету Цинхуа, можна запустити невеликий квантовий комп’ютер через багатощілинну решітку, щоб збільшити його потужність. Невеликий квантовий комп’ютер складатиметься з кількох атомів, які самі використовуються як кубіти, і такі пристрої вже існують.
Пропускати ці атоми через багатощілинну решітку дуже схоже пропускати світло через подвійну щілину, хоча, звичайно, трохи складніше. Це створить більше можливих квантових станів, що, своєю чергою, підвищить потужність «вистріленого» комп’ютера. Математика, яка стоїть за цим, дуже складна для пояснення в цій статті, але важливий результат полягає в тому, що такий двоквантовий комп’ютер може бути краще в паралельних обчисленнях, ніж звичайні квантові комп’ютери. Паралельні обчислення також поширені у класичних обчисленнях і в основному відносяться до здатності комп’ютера виконувати кілька обчислень одночасно, що робить його загалом швидше.
Отже, хоча це дуже фундаментальне дослідження, можливі програми вже на горизонті. На даний момент це неможливо довести, але ці відкриття можуть прискорити квантові комп’ютери і трохи прискорити появу квантового інтернету.
Теж цікаво: У Китаї створили квантовий комп’ютер, в мільйон разів потужніший, ніж у Google
Дуже фундаментально, але дуже цікаво
Все це слід сприймати з великою часткою скептицизму. Дослідження солідне, але воно також дуже фундаментальне. Як це зазвичай буває в науці та технологіях, від фундаментальних досліджень до реальних застосунків дуже далеко.
Але дослідники з Кореї виявили одну дуже цікаву річ: загадка корпускулярно-хвильового дуалізму не зникне найближчим часом. Навпаки, здається, що він настільки глибоко вкорінений у всіх квантових об’єктах, що його краще використати. З новою кількісною основою, пов’язаною із чистотою джерела, це буде зробити простіше.
Один із перших варіантів використання може статися у квантових обчисленнях. Як показали вчені, квантова заплутаність та корпускулярно-хвильовий дуалізм пов’язані. Таким чином, замість заплутаності можна було б вимірювати кількість хвилястості та корпускулярності. Це може допомогти вченим, які працюють над створенням квантового Інтернету. Або можна використовувати двійкість для поліпшення квантових комп’ютерів і зробити їх швидше. У будь-якому випадку, здається, що захоплюючі квантові часи незабаром настануть.
Читайте також:
Дякую за статтю! “Можливі програми вже на горизонті” – малось на увазі, мабуть, не програми, а застосування?
Дякую, дуже цікаво. Побільше таких статей.
Дякую! Будемо намагатися ;)