Az 1920-as években a kvantummechanika, az az elmélet, amely az atomok viselkedésétől a kvantumszámítógépek működéséig minden alapját képezi, széles körben elterjedt. De egy rejtély maradt: néha a kvantumobjektumok, például az elektronok, atomok és molekulák részecskékként, mások hullámként viselkednek. Néha részecskeként és hullámként is viselkednek egyszerre. Ezért a kvantumobjektumok tanulmányozása során soha nem volt világos, hogy a tudósoknak milyen megközelítést kell alkalmazniuk számításaikban.
A tudósoknak néha azt kellett feltételezniük, hogy a kvantumobjektumok hullámok, hogy megkapják a helyes eredményt. Más esetekben azt kellett feltételezniük, hogy a tárgyak valójában részecskék. Néha bármelyik megközelítés működött. Más esetekben azonban csak az egyik megközelítés adott helyes eredményt, míg a másik hamis eredményt adott. A probléma története messzire nyúlik vissza, de a közelmúltban végzett kísérletek új megvilágításba helyezték ezt a régi kérdést.
Kvantumtörténet
Az azonos nevű kettős réses kísérletben, amelyet először Thomas Young végzett 1801-ben, a fény hullámként viselkedett. Ebben a kísérletben lézersugarat irányítanak egy kettős résbe, majd megnézik a kapott mintát. Ha a fény részecskékből állna, két rés alakú fénytömbre számíthatunk. Ehelyett az eredmény sok kis fénytömb jellegzetes mintázatba rendeződik. Dupla rés elhelyezése a vízsugárban ugyanazt a mintát eredményezné közvetlenül alatta. Tehát ez a kísérlet arra a következtetésre vezetett, hogy a fény hullám.
Aztán 1881-ben Heinrich Hertz vicces felfedezést tett. Amikor két elektródát vett, és kellően nagy feszültséget kapcsolt közéjük, szikrák jelentek meg. Ez normális. De amikor a Hertz megvilágította ezeket az elektródákat, a szikrafeszültség megváltozott. Ezt azzal magyarázták, hogy a fény elektronokat ütött ki az elektród anyagából. De furcsa módon a kilökött elektronok maximális sebessége nem változott, ha a fény intenzitása változott, hanem a fény frekvenciájával. Ez az eredmény lehetetlen lenne, ha a hullámelmélet igaz lenne. 1905-ben Albert Einsteinnek volt egy megoldása: a fény valójában részecske volt. Mindez nem volt kielégítő. A tudósok előnyben részesítenek egy elméletet, amely mindig igaz, mint két olyan elméletet, amelyek néha igazak. És ha egy elmélet csak néha igaz, akkor legalább azt szeretnénk megmondani, hogy milyen feltételek mellett igaz.
De éppen ez volt a probléma ezzel a felfedezéssel. A fizikusok nem tudták, mikor tekintsék a fényt vagy bármely más tárgyat hullámnak, és mikor részecskét. Tudták, hogy bizonyos dolgok hullámszerű viselkedést okoznak, például a rések szélei. De nem volt egyértelmű magyarázatuk arra, hogy miért van ez így, vagy mikor kell használni bármilyen elméletet.
Ezt a rejtvényt úgy hívják korpuszkuláris-hullám dualizmus, máig őrzik. De egy új tanulmány némi fényt deríthet a helyzetre. A Koreai Alaptudományok Intézetének tudósai kimutatták, hogy a fényforrás tulajdonságai befolyásolják, hogy mennyire részecske és mennyire hullám. A probléma tanulmányozásának új megközelítésével olyan utat nyitottak ki, amely akár a kvantumszámítástechnika fejlesztéséhez is vezethet. Vagy ilyen reményeket.
Szintén érdekes: A Google kvantumprocesszorai túlmutatnak az elméleten
Hogyan készítsünk részecskéket és hullámokat
A kísérlet során a tudósok félig visszaverő tükröt használtak, hogy a lézersugarat két részre bontsák. Ezen sugarak mindegyike eléri a kristályt, amely viszont két fotont termel. Összesen négy foton bocsát ki, mindegyik kristályból kettő.
A tudósok minden kristályból egy fotont küldtek az interferométerbe. Ez az eszköz két fényforrást kombinál, és interferenciamintát hoz létre. Ezt a mintát először Thomas Young fedezte fel a fent említett kétrés kísérletében. Ezt látod akkor is, amikor két követ dobsz egy tóba: a víz hullámai, amelyek egy része erősíti, mások pedig semlegesítik. Más szóval, az interferométer érzékeli a fény hullámtermészetét.
A másik két foton útvonalát használtuk a korpuszkuláris jellemzőik meghatározására. Bár a cikk szerzői nem részletezték, hogyan tették ezt, ez általában úgy történik, hogy egy fotont vezetnek át egy olyan anyagon, amely megmutatja, hová ment a foton. Például egy fotont lőhet át egy gázon, amely aztán meggyullad ott, ahol a foton áthaladt. Ha a végcél helyett a pályára fókuszál, a foton hullám lehet. Ennek az az oka, hogy ha minden pillanatban megmérjük a foton pontos helyét, akkor az pontszerű, és nem tudja eltalálni magát.
Ez egyike a kvantumfizika számos példájának, ahol a mérés aktívan befolyásolja a mérés eredményét. Ezért a kísérlet ezen részében hiányzott a fotonpálya végén lévő interferenciamintázat. Így a kutatók rájöttek, hogyan lehet egy foton részecske. A kihívás most az volt, hogy számszerűsítsük, mennyi volt ebből a részecske, és mennyi maradt meg a hullám karakteréből.
Mivel ugyanannak a kristálynak a két fotonja együtt keletkezik, egyetlen kvantumállapotot alkotnak. Ez azt jelenti, hogy lehetséges olyan matematikai képletet találni, amely mindkét fotont egyszerre írja le. Ennek eredményeként, ha a kutatók számszerűsíteni tudják, hogy két foton "részlegessége" és "hullámhossza" mennyire erős, akkor ez a számszerűsítés alkalmazható a kristályt elérő teljes nyalábra.
Valóban, a kutatóknak sikerült. Megmérték, mennyire hullámos a foton az interferenciamintázat láthatóságának ellenőrzésével. Amikor a látótávolság magas volt, a foton nagyon hullámszerű volt. Amikor a minta alig volt látható, arra a következtetésre jutottak, hogy a fotonnak nagyon hasonlónak kell lennie egy részecskéhez.
És ez a láthatóság véletlen volt. Akkor volt a legmagasabb, amikor mindkét kristály ugyanolyan intenzitást kapott a lézersugárból. Ha azonban az egyik kristály sugara sokkal intenzívebb volt, mint a másik, a mintázat láthatósága nagyon halványsá vált, és a fotonok nagyobb valószínűséggel részecskéknek látszottak.
Ez az eredmény azért meglepő, mert a legtöbb kísérletben a fényt csak hullámok vagy részecskék formájában mérik. Ma több kísérletben mindkét paramétert egyszerre mérték. Ez azt jelenti, hogy könnyen meghatározható, hogy az egyes tulajdonságokból mennyi van egy fényforrásban.
Szintén érdekes: A QuTech elindít egy böngészőt a kvantuminternethez
Az elméleti fizikusok örülnek
Ez az eredmény megfelel a teoretikusok korábban megfogalmazott előrejelzésének. Elméletük szerint az, hogy egy kvantumobjektum mennyire hullámszerű és korpuszkuláris, a forrás tisztaságától függ. A tisztaság ebben az összefüggésben csak egy divatos módja annak, hogy kifejezzük annak valószínűségét, hogy egy bizonyos kristályforrás lesz a fényt kibocsátó. A képlet a következő: V2 + P2 = µ2, ahol V az irányminta láthatósága, P az út láthatósága, és µ a forrás tisztasága.
Ez azt jelenti, hogy egy kvantumobjektum, például a fény, bizonyos mértékig lehet hullámszerű, és bizonyos mértékig részecskeszerű, de ennek a forrás tisztasága korlátozza. A kvantumobjektum akkor hullámszerű, ha interferenciaminta látható, vagy ha V értéke nem egyenlő nullával. Szintén részecskeszerű, ha az útvonal megfigyelhető, vagy ha P nem nulla.
Ennek az előrejelzésnek egy másik következménye, hogy a tisztaság az, hogy ha a kvantumút összefonódása nagy, akkor a tisztaság alacsony, és fordítva. A kísérletet végző tudósok ezt matematikailag kimutatták munkájuk során. A kristályok tisztaságának hangolásával és az eredmények mérésével meg tudták mutatni, hogy ezek az elméleti előrejelzések valóban helyesek.
Szintén érdekes: A NASA kvantumszámítógépeket indít az adatok "hegyeinek" feldolgozására és tárolására
Gyorsabb kvantumszámítógépek?
Különösen érdekes a kvantumobjektum összefonódása és korpuszkulárissága és hullámossága közötti kapcsolat. A kvantuminternet működtetésére alkalmas kvantumeszközök az összefonódáson alapulnak. A kvantuminternet kvantum-analógiája annak, amit az Internet a klasszikus számítógépek számára jelent. A sok kvantumszámítógép összekapcsolásával és az adatok megosztásával a tudósok azt remélik, hogy nagyobb teljesítményre tesznek szert, mint amit egyetlen kvantumszámítógéppel elérhetnénk.
De ahelyett, hogy biteket küldenénk le egy optikai szálon, amit a klasszikus internet táplálása érdekében teszünk, a kvantuminternet létrehozásához qubiteket kell összefonnunk. A részecske összefonódásának és a foton hullámosságának mérése azt jelenti, hogy egyszerűbb módszereket találhatunk a kvantuminternet minőségének szabályozására.
Ráadásul maguk a kvantumszámítógépek is jobbá válhatnak a részecske-hullám dualizmus használatával. A kínai Tsinghua Egyetem kutatóinak javaslata szerint lehetséges egy kis kvantumszámítógépet többréses rácson keresztül futtatni, hogy növelje a teljesítményét. Egy kis kvantumszámítógép néhány atomból állna, amelyeket maguk is kvbitként használnak, és már léteznek ilyen eszközök.
Ezeknek az atomoknak a többrésű rácson való átengedése nagyon hasonló a fény átengedéséhez egy kettős résen, bár persze kicsit bonyolultabb. Ez több lehetséges kvantumállapotot hoz létre, ami viszont növeli a "kigyújtott" számítógép teljesítményét. Az e mögött meghúzódó matematika túl bonyolult ahhoz, hogy ebben a cikkben elmagyarázzuk, de a fontos eredmény az, hogy egy ilyen kétkvantumszámítógép jobb lehet a párhuzamos számításokban, mint a hagyományos kvantumszámítógépek. A párhuzamos számítástechnika a klasszikus számítástechnikában is elterjedt, és alapvetően arra utal, hogy a számítógép képes egyidejűleg több számítást végrehajtani, így összességében gyorsabb.
Tehát bár ez nagyon alapkutatás, a lehetséges alkalmazások már a látóhatáron vannak. Jelenleg lehetetlen bizonyítani, de ezek a felfedezések felgyorsíthatják a kvantumszámítógépeket és némileg felgyorsíthatják a kvantuminternet megjelenését.
Szintén érdekes: Kína olyan kvantumszámítógépet hozott létre, amely milliószor erősebb, mint a Google-é
Nagyon alapvető, de nagyon érdekes
Mindezt nagy szkepticizmussal kell felfogni. A kutatás szilárd, de egyben nagyon alapvető is. Ahogy az általában a tudomány és a technológia területén, az alapkutatástól a valós alkalmazásokig hosszú út vezet.
A koreai kutatók azonban felfedeztek egy nagyon érdekes dolgot: a részecske-hullám dualizmus rejtélye nem tűnik el egyhamar. Éppen ellenkezőleg, úgy tűnik, hogy olyan mélyen gyökerezik minden kvantumobjektumban, hogy jobb használni. A forrás tisztaságára vonatkozó új mennyiségi alappal ez könnyebben megtehető.
Az egyik első felhasználási eset a kvantumszámítástechnikában fordulhat elő. Amint azt a tudósok kimutatták, a kvantumösszefonódás és a részecske-hullám dualizmus összefügg. Így az összefonódás helyett a hullámosság és a korpuszkulárisság mértékét lehetett mérni. Ez segítheti a kvantuminternet létrehozásán dolgozó tudósokat. Vagy használhatod kettősség a kvantumszámítógépek fejlesztésére és gyorsabbá tételére. Akárhogy is, úgy tűnik, hogy az izgalmas kvantumidők a sarkon vannak.
Olvassa el még:
Köszönöm a cikket! "A lehetséges programok már a láthatáron" - valószínűleg nem programok, hanem alkalmazások?
Köszönöm, nagyon érdekes. Még több ilyen cikk.
Köszönöm! Meg fogjuk próbálni ;)