1920-yillarda atomlarning xatti-harakatidan tortib kvant kompyuterlarining ishlashigacha bo'lgan hamma narsaning asosi bo'lgan kvant mexanikasi nazariyasi keng miqyosda qabul qilinish yo'lida edi. Ammo bitta sir saqlanib qoldi: ba'zida kvant ob'ektlari, masalan, elektronlar, atomlar va molekulalar o'zini zarrachalar, boshqalari esa to'lqinlar kabi tutadi. Ba'zan ular bir vaqtning o'zida zarralar va to'lqinlar kabi harakat qilishadi. Shu sababli, ushbu kvant ob'ektlarini o'rganayotganda, olimlar o'z hisob-kitoblarida qanday yondashuvdan foydalanishlari kerakligi hech qachon aniq bo'lmagan.
Ba'zida olimlar to'g'ri natijaga erishish uchun kvant ob'ektlari to'lqinlar deb taxmin qilishlari kerak edi. Boshqa hollarda, ular ob'ektlarni aslida zarrachalar deb hisoblashlari kerak edi. Ba'zida ikkala yondashuv ham ishlagan. Ammo boshqa hollarda, faqat bitta yondashuv to'g'ri natija berdi, ikkinchisi esa soxta natija berdi. Ushbu muammoning tarixi uzoq o'tmishga borib taqaladi, ammo so'nggi tajribalar bu eski savolga yangi oydinlik kiritdi.
Kvant tarixi
Birinchi marta 1801 yilda Tomas Yang tomonidan o'tkazilgan xuddi shu nomdagi ikki yoriqli tajribada yorug'lik to'lqinlar kabi harakat qildi. Ushbu tajribada lazer nuri qo'sh tirqishga yo'naltiriladi, so'ngra hosil bo'lgan naqsh ko'rib chiqiladi. Agar yorug'lik zarrachalardan iborat bo'lsa, ikkita yoriq shaklidagi yorug'lik bloklarini kutish mumkin edi. Buning o'rniga, natijada xarakterli naqshda joylashgan ko'plab kichik yorug'lik bloklari paydo bo'ladi. Suv oqimiga er-xotin tirqish qo'yish xuddi shu naqshga olib keladi. Shunday qilib, bu tajriba yorug'lik to'lqin degan xulosaga keldi.
Keyin, 1881 yilda Geynrix Gerts kulgili kashfiyot qildi. U ikkita elektrodni olib, ular orasiga etarlicha yuqori kuchlanish qo'yganida, uchqunlar paydo bo'ldi. Bu normal holat. Ammo Hertz bu elektrodlarga yorug'lik tushganda, uchqun kuchlanishi o'zgardi. Bu yorug'lik elektrod materialidan elektronlarni urib yuborganligi bilan izohlandi. Ammo, g'alati, yorug'likning intensivligi o'zgarganda, chiqarilgan elektronlarning maksimal tezligi o'zgarmadi, balki yorug'lik chastotasi bilan o'zgaradi. Agar to'lqin nazariyasi to'g'ri bo'lsa, bu natija imkonsiz bo'lar edi. 1905 yilda Albert Eynshteyn yechim topdi: yorug'lik aslida zarracha edi. Bularning barchasi qoniqarsiz edi. Olimlar ba'zan to'g'ri bo'lgan ikkita nazariyaga doimo to'g'ri bo'lgan bitta nazariyani afzal ko'rishadi. Va agar nazariya faqat ba'zan to'g'ri bo'lsa, biz hech bo'lmaganda qanday sharoitlarda haqiqat ekanligini aytishni xohlaymiz.
Ammo bu kashfiyot bilan bog'liq muammo aynan shu edi. Fiziklar qachon yorug'lik yoki boshqa ob'ektni to'lqin, qachon esa zarracha deb hisoblashni bilishmagan. Ular ba'zi narsalar to'lqinga o'xshash xatti-harakatlarga olib kelishini bilishgan, masalan, yoriqlar qirralari. Ammo ular nima uchun bunday bo'lganligi yoki biron bir nazariyani qachon ishlatish kerakligi haqida aniq tushuntirishga ega emas edilar.
Bu topishmoq deyiladi korpuskulyar-to'lqinli dualizm, hozirgacha saqlanib qolgan. Ammo yangi tadqiqot vaziyatga biroz oydinlik kiritishi mumkin. Koreya asosiy fanlar instituti olimlari yorug‘lik manbasining xususiyatlari uning qanchalik zarracha va qanchalik to‘lqin ekanligiga ta’sir qilishini ko‘rsatdi. Ushbu muammoni o'rganishga yangi yondashuv bilan ular hatto kvant hisoblashni yaxshilashga olib kelishi mumkin bo'lgan yo'lni ochib berishdi. Yoki bunday umidlar.
Shuningdek, qiziqarli: Google kvant protsessorlari nazariyadan tashqari vaqt kristallarini oladi
Zarrachalar va to'lqinlarni qanday qilish kerak
Tajribada olimlar yarim aks ettiruvchi oyna yordamida lazer nurini ikki qismga bo‘lishdi. Bu nurlarning har biri kristallga tushadi, bu esa o'z navbatida ikkita foton hosil qiladi. Har bir kristaldan ikkitadan jami to'rtta foton chiqariladi.
Olimlar interferometrga har bir kristaldan bittadan foton yubordilar. Ushbu qurilma ikkita yorug'lik manbasini birlashtiradi va shovqin naqshini yaratadi. Ushbu naqshni birinchi bo'lib Tomas Yang o'zining yuqorida aytib o'tilgan ikki yoriqli tajribasida kashf etgan. Hovuzga ikkita tosh tashlaganingizda ham buni ko'rasiz: suv to'lqinlari, ularning ba'zilari bir-birini mustahkamlaydi, boshqalari esa bir-birini zararsizlantiradi. Boshqacha qilib aytganda, interferometr yorug'likning to'lqinli tabiatini aniqlaydi.
Qolgan ikkita fotonning yo'llari ularning korpuskulyar xususiyatlarini aniqlash uchun ishlatilgan. Maqolaning mualliflari buni qanday amalga oshirganini aniqlamagan bo'lsa-da, bu odatda fotonni foton qaerga ketganini ko'rsatadigan material orqali o'tkazish orqali amalga oshiriladi. Misol uchun, siz gaz orqali fotonni otishingiz mumkin, keyin u foton o'tgan joyda yonadi. Yakuniy manzilga emas, balki traektoriyaga e'tibor qaratish orqali foton to'lqin bo'lishi mumkin. Buning sababi shundaki, agar siz har bir vaqtning har bir daqiqasida fotonning aniq joylashishini o'lchasangiz, u nuqtaga o'xshaydi va o'zini ura olmaydi.
Bu kvant fizikasidagi ko'plab misollardan biridir, bunda o'lchov ushbu o'lchov natijasiga faol ta'sir qiladi. Shuning uchun, tajribaning ushbu qismida foton traektoriyasining oxirida interferentsiya naqshlari yo'q edi. Shunday qilib, tadqiqotchilar foton qanday zarracha bo'lishi mumkinligini aniqladilar. Endi qiyinchilik uning qanchasi zarra ekanligini va qanchasi to'lqin xarakteridan qolganligini aniqlash edi.
Xuddi shu kristalning ikkala fotonlari birgalikda ishlab chiqarilganligi sababli ular bitta kvant holatini hosil qiladi. Bu ikkala fotonni bir vaqtning o'zida tavsiflovchi matematik formulani topish mumkinligini anglatadi. Natijada, agar tadqiqotchilar ikkita fotonning "qismanligi" va "to'lqin uzunligi" qanchalik kuchli ekanligini aniqlay olsalar, bu miqdor kristallga etib boradigan butun nurga qo'llanilishi mumkin.
Darhaqiqat, tadqiqotchilar muvaffaqiyatga erishdilar. Ular interferentsiya naqshining ko'rinishini tekshirish orqali fotonning qanchalik to'lqinli ekanligini o'lchashdi. Ko'rinish yuqori bo'lganida, foton juda to'lqinga o'xshardi. Naqsh zo'rg'a ko'rinib qolganda, ular foton zarrachaga juda o'xshash bo'lishi kerak degan xulosaga kelishdi.
Va bu ko'rinish tasodifiy edi. Ikkala kristal ham lazer nurining bir xil intensivligini olganida bu eng yuqori ko'rsatkich edi. Biroq, agar bitta kristallning nuri boshqasiga qaraganda ancha kuchliroq bo'lsa, naqshning ko'rinishi juda zaif bo'lib qoldi va fotonlar zarrachalarga o'xshab ko'rinadi.
Bu natija hayratlanarli, chunki ko'pgina tajribalarda yorug'lik faqat to'lqinlar yoki zarralar shaklida o'lchanadi. Bugungi kunda bir nechta tajribalarda ikkala parametr bir vaqtning o'zida o'lchandi. Bu shuni anglatadiki, yorug'lik manbasining har bir xususiyati qanchalik ko'p ekanligini aniqlash oson.
Shuningdek, qiziqarli: QuTech kvant interneti uchun brauzerni ishga tushiradi
Nazariy fiziklar xursand
Bu natija nazariyotchilar tomonidan ilgari aytilgan bashoratga mos keladi. Ularning nazariyasiga ko'ra, kvant ob'ektining qanchalik to'lqinsimon va korpuskulyar bo'lishi manbaning tozaligiga bog'liq. Bu kontekstda soflik ma'lum bir kristall manba yorug'lik chiqaradigan bo'lish ehtimolini ifodalashning ajoyib usulidir. Formula quyidagicha: V2 + P2 = µ2, bu erda V - yo'nalish naqshining ko'rinishi, P - yo'lning ko'rinishi va µ - manbaning tozaligi.
Bu shuni anglatadiki, yorug'lik kabi kvant ob'ekti ma'lum darajada to'lqinga o'xshash va ma'lum darajada zarrachaga o'xshash bo'lishi mumkin, ammo bu manbaning tozaligi bilan cheklangan. Kvant ob'ekti, agar interferentsiya naqshi ko'rinadigan bo'lsa yoki V qiymati nolga teng bo'lmasa, to'lqinga o'xshaydi. Bundan tashqari, agar yo'l kuzatiladigan bo'lsa yoki P nolga teng bo'lmasa, u zarrachaga o'xshaydi.
Bu bashoratning yana bir natijasi shundaki, poklik kvant yo'lining chigalligi yuqori bo'lsa, tozaligi past bo'ladi va aksincha. Tajriba o'tkazgan olimlar buni o'z ishlarida matematik tarzda ko'rsatdilar. Kristallarning tozaligini sozlash va natijalarni o'lchash orqali ular ushbu nazariy bashoratlarning haqiqatan ham to'g'ri ekanligini ko'rsatishga muvaffaq bo'lishdi.
Shuningdek, qiziqarli: NASA ma'lumotlarning "tog'larini" qayta ishlash va saqlash uchun kvant kompyuterlarini ishga tushiradi
Tezroq kvant kompyuterlari?
Kvant ob'ektining chigallashishi bilan uning korpuskulyarligi va to'lqinliligi o'rtasidagi bog'liqlik ayniqsa qiziqarli. Kvant internetini quvvatlay oladigan kvant qurilmalari chalkashlikka asoslangan. Kvant Internet klassik kompyuterlar uchun Internet nima ekanligini kvant analogiyasidir. Ko'plab kvant kompyuterlarini bir-biriga ulash va ularga ma'lumot almashish imkonini berish orqali olimlar bitta kvant kompyuteridan ko'ra ko'proq quvvat olishga umid qilmoqdalar.
Ammo biz klassik internetni quvvatlantirish uchun qiladigan optik tolali bitlarni yuborish o'rniga, kvant internetini yaratish uchun kubitlarni o'rashimiz kerak. Zarrachaning chigallashishini va fotonning to'lqinliligini o'lchay olish, biz kvant internet sifatini boshqarishning oddiy usullarini topishimiz mumkinligini anglatadi.
Bundan tashqari, kvant kompyuterlarining o'zlari zarracha-to'lqinli dualizmdan foydalangan holda yaxshilanishi mumkin. Xitoyning Tsinxua universiteti tadqiqotchilari taklifiga ko‘ra, kichik kvant kompyuterini quvvatini oshirish uchun ko‘p yoriqli panjara orqali boshqarish mumkin. Kichkina kvant kompyuteri kubit sifatida ishlatiladigan bir necha atomlardan iborat bo'ladi va bunday qurilmalar allaqachon mavjud.
Ushbu atomlarni ko'p yoriqli panjara orqali o'tkazish yorug'likni qo'sh tirqish orqali o'tkazishga juda o'xshaydi, lekin, albatta, biroz murakkabroq. Bu ko'proq mumkin bo'lgan kvant holatlarini yaratadi, bu esa, o'z navbatida, "o't o'chirilgan" kompyuterning quvvatini oshiradi. Buning ortidagi matematikani ushbu maqolada tushuntirish juda murakkab, ammo muhim natija shundaki, bunday ikki kvantli kompyuter oddiy kvant kompyuterlariga qaraganda parallel hisoblashda yaxshiroq bo'lishi mumkin. Parallel hisoblash klassik hisoblashda ham keng tarqalgan bo'lib, asosan kompyuterning bir vaqtning o'zida bir nechta hisob-kitoblarni bajarish qobiliyatini anglatadi, bu esa uni umuman tezroq qiladi.
Shunday qilib, bu juda asosiy tadqiqot bo'lsa-da, mumkin bo'lgan ilovalar allaqachon ufqda. Hozirda buni isbotlab bo'lmaydi, lekin bu kashfiyotlar kvant kompyuterlarini tezlashtirishi va kvant internetining paydo bo'lishini biroz tezlashtirishi mumkin.
Shuningdek, qiziqarli: Xitoy Googlenikidan million marta kuchliroq kvant kompyuterini yaratdi
Juda fundamental, lekin juda qiziq
Bularning barchasini katta shubha bilan qabul qilish kerak. Tadqiqot mustahkam, lekin u ham juda asosiy. Odatda ilm-fan va texnologiyada bo'lgani kabi, asosiy tadqiqotlardan haqiqiy dunyo ilovalarigacha uzoq yo'l bor.
Ammo koreyalik tadqiqotchilar juda qiziq bir narsani aniqladilar: zarracha-to'lqin dualizmining sirlari yaqin orada yo'qolmaydi. Aksincha, u barcha kvant ob'ektlarida shunchalik chuqur ildiz otganga o'xshaydiki, undan foydalanish yaxshiroqdir. Manbaning tozaligi bilan bog'liq yangi miqdoriy asos bilan buni qilish osonroq bo'ladi.
Birinchi foydalanish holatlaridan biri kvant hisoblashda yuz berishi mumkin. Olimlar ko'rsatganidek, kvant chigalligi va zarracha-to'lqin dualizmi o'zaro bog'liqdir. Shunday qilib, chalkashlik o'rniga, to'lqinlilik va korpuskulyarlik miqdorini o'lchash mumkin edi. Bu kvant internetini yaratish ustida ishlayotgan olimlarga yordam berishi mumkin. Yoki foydalanishingiz mumkin ikkilik kvant kompyuterlarini yaxshilash va ularni tezroq qilish. Qanday bo'lmasin, hayajonli kvant vaqtlari yaqinlashib qolganga o'xshaydi.
Shuningdek o'qing:
Maqola uchun rahmat! "Imumkin dasturlar allaqachon ufqda" - ehtimol dasturlar emas, balki ilovalar?
Rahmat, juda qiziq. Yana shunday maqolalar.
Rahmat! Biz harakat qilamiz;)