Још двадесетих година прошлог века, квантна механика, теорија која лежи у основи свега, од понашања атома до рада квантних рачунара, била је на путу да задобије широко прихватање. Али једна мистерија је остала: понекад се квантни објекти, као што су електрони, атоми и молекули, понашају као честице, други као таласи. Понекад се чак и понашају као честице и таласи у исто време. Стога, приликом проучавања ових квантних објеката, никада није било јасно који приступ научници треба да користе у својим прорачунима.
Понекад су научници морали да претпоставе да су квантни објекти таласи да би добили тачан резултат. У другим случајевима, морали су да претпоставе да су објекти заправо честице. Понекад је оба приступа успела. Али у другим случајевима, само један приступ је дао тачан резултат, док је други вратио лажни резултат. Историја овог проблема сеже далеко у прошлост, али недавни експерименти су бацили ново светло на ово старо питање.
Квантна историја
У истоименом експерименту са двоструким прорезом, који је први спровео Томас Јанг 1801. године, светлост се понашала као таласи. У овом експерименту, ласерски зрак се усмерава на двоструки прорез, а затим се посматра резултујући образац. Када би се светлост састојала од честица, очекивали би се два светлосна блока у облику прореза. Уместо тога, резултат је много малих блокова светлости распоређених у карактеристичном узорку. Постављање двоструког прореза у водени ток резултирало би истим обрасцем одмах испод. Дакле, овај експеримент је довео до закључка да је светлост талас.
Затим је 1881. Хајнрих Херц дошао до смешног открића. Када је узео две електроде и између њих применио довољно висок напон, појавиле су се варнице. То је нормално. Али када је Херц осветлио ове електроде, напон варнице се променио. Ово се објашњава чињеницом да је светлост избацила електроне из материјала електроде. Али, зачудо, максимална брзина избачених електрона се није променила ако се интензитет светлости променио, већ се променио са фреквенцијом светлости. Овај резултат би био немогућ да је теорија таласа тачна. Године 1905. Алберт Ајнштајн је имао решење: светлост је заправо била честица. Све ово је било незадовољавајуће. Научници више воле једну теорију која је увек тачна од две теорије које су понекад тачне. А ако је нека теорија истинита само понекад, онда бисмо бар желели да можемо да кажемо под којим условима је тачна.
Али управо је то био проблем овог открића. Физичари нису знали када светлост или било који други објекат сматрају таласом, а кога честицом. Знали су да неке ствари изазивају таласасто понашање, као што су ивице прореза. Али нису имали јасно објашњење зашто је то тако или када користити било коју теорију.
Ова загонетка се зове корпускуларно-таласни дуализам, и даље је сачувана. Али нова студија би могла бацити светло на ситуацију. Научници са корејског института основних наука показали су да својства извора светлости утичу на то колико је честица, а колико талас. Са новим приступом проучавању овог проблема, они су утрли пут који чак може довести до побољшања у квантном рачунарству. Или такве наде.
Такође занимљиво: Гоогле-ови квантни процесори узимају временске кристале изван теорије
Како направити честице и таласе
У експерименту, научници су користили полурефлективно огледало да поделе ласерски зрак на два дела. Сваки од ових зрака погађа кристал, који заузврат производи два фотона. Емитују се укупно четири фотона, по два из сваког кристала.
Научници су послали по један фотон из сваког кристала у интерферометар. Овај уређај комбинује два извора светлости и ствара образац интерференције. Овај образац је први открио Томас Јанг у свом претходно поменутом експерименту са два прореза. То је и оно што видите када баците два камена у језерце: таласи воде, од којих неки појачавају један другог, а други неутралишу један другог. Другим речима, интерферометар детектује таласну природу светлости.
Путања друга два фотона су коришћена за одређивање њихових корпускуларних карактеристика. Иако аутори рада нису прецизирали како су то урадили, то се обично ради пропуштањем фотона кроз материјал који показује куда је фотон отишао. На пример, можете испалити фотон кроз гас, који ће се онда запалити тамо где је фотон прошао. Фокусирајући се на путању, а не на коначно одредиште, фотон може бити талас. То је зато што ако мерите тачну локацију фотона у сваком тренутку времена, онда је он тачкаст и не може да удари сам себе.
Ово је један од многих примера у квантној физици где мерење активно утиче на исход поменутог мерења. Дакле, у овом делу експеримента, образац интерференције на крају путање фотона је изостао. Тако су истраживачи открили како фотон може бити честица. Изазов је сада био да се квантификује колико је ово била честица, а колико је остало од таласне природе.
Пошто се оба фотона истог кристала производе заједно, они формирају једно квантно стање. То значи да је могуће пронаћи математичку формулу која описује оба ова фотона истовремено. Као резултат тога, ако истраживачи могу квантификовати колико су јаке "парцијалност" и "таласна дужина" два фотона, та квантификација се може применити на цео сноп који стиже до кристала.
Заиста, истраживачи су успели. Измерили су колико је фотон таласаст проверавањем видљивости интерферентног узорка. Када је видљивост била велика, фотон је био веома таласаст. Када је образац био једва видљив, закључили су да фотон мора бити веома сличан честици.
И ова видљивост је била случајна. Био је највећи када су оба кристала добила исти интензитет ласерског зрака. Међутим, ако је сноп са једног кристала био много интензивнији од другог, видљивост узорка је постала веома слаба, а фотони су вероватније изгледали као честице.
Овај резултат је изненађујући јер се у већини експеримената светлост мери само у облику таласа или честица. Данас су у неколико експеримената оба параметра мерена истовремено. То значи да је лако одредити колико сваког својства има извор светлости.
Такође занимљиво: КуТецх лансира претраживач за квантни интернет
Теоретски физичари су одушевљени
Овај резултат одговара претходном предвиђању теоретичара. Према њиховој теорији, колико је квантни објекат таласаст и корпускуларан зависи од чистоће извора. Чистоћа у овом контексту је само фенси начин да се изрази вероватноћа да ће одређени кристални извор бити онај који емитује светлост. Формула је следећа: В2 + П2 = µ2, где је В видљивост узорка правца, П је видљивост путање, а µ је чистоћа извора.
То значи да квантни објекат као што је светлост може бити таласаст до неке мере и честица, али то је ограничено чистоћом извора. Квантни објекат је таласаст ако је видљив интерферентни образац или ако вредност В није једнака нули. Такође, сличан је честицама ако је путања видљива или ако је П различит од нуле.
Још једна последица овог предвиђања је та да је чистоћа да ако је запетљаност квантног пута велика, чистоћа је ниска, и обрнуто. Научници који су спровели експеримент то су математички показали у свом раду. Подешавањем чистоће кристала и мерењем резултата, успели су да покажу да су ова теоријска предвиђања заиста тачна.
Такође занимљиво: НАСА ће лансирати квантне рачунаре за обраду и складиштење „планина“ података
Бржи квантни рачунари?
Посебно је интересантна веза између испреплетености квантног објекта и његове корпускуларности и таласастости. Квантни уређаји који би могли да напајају квантни интернет засновани су на заплету. Квантни Интернет је квантна аналогија онога што је Интернет за класичне рачунаре. Повезујући многе квантне рачунаре заједно и омогућавајући им да деле податке, научници се надају да ће добити више снаге него што би се могло постићи са једним квантним рачунаром.
Али уместо слања битова низ оптичко влакно, што је оно што радимо за напајање класичног интернета, морамо да заплетемо кубите да бисмо формирали квантни интернет. Могућност да измеримо запетљаност честице и таласастост фотона значи да можемо пронаћи једноставније начине за контролу квалитета квантног интернета.
Поред тога, сами квантни рачунари могу постати бољи коришћењем дуализма честица-талас. Према предлогу истраживача са кинеског универзитета Тсингхуа, могуће је покренути мали квантни рачунар кроз решетку са више прореза како би се повећала његова снага. Мали квантни рачунар би се састојао од неколико атома који се и сами користе као кубити, а такви уређаји већ постоје.
Пролазак ових атома кроз решетку са више прореза је веома сличан проласку светлости кроз двоструки прорез, иако је, наравно, мало компликованији. Ово ће створити више могућих квантних стања, што ће, заузврат, повећати снагу "испаљеног" рачунара. Математика иза овога је сувише компликована да би се објаснила у овом раду, али важан резултат је да такав двоквантни рачунар може бити бољи у паралелном рачунарству од конвенционалних квантних рачунара. Паралелно рачунарство је такође уобичајено у класичном рачунарству и у основи се односи на способност рачунара да обавља више прорачуна истовремено, чинећи га свеукупно бржим.
Дакле, иако је ово веома основно истраживање, могуће примене су већ на хоризонту. Тренутно је то немогуће доказати, али ова открића би могла да убрзају квантне рачунаре и мало убрзају појаву квантног интернета.
Такође занимљиво: Кина је створила квантни рачунар који је милион пута моћнији од Гуглова
Веома фундаментално, али веома занимљиво
Све ово треба схватити са великом дозом скепсе. Истраживање је солидно, али је такође веома основно. Као што је обично случај у науци и технологији, дуг је пут од основних истраживања до примене у стварном свету.
Али истраживачи из Кореје открили су једну веома занимљиву ствар: мистерија дуализма честица-талас неће ускоро нестати. Напротив, чини се да је толико дубоко укорењен у свим квантним објектима да је боље користити га. Са новом квантитативном основом која се односи на чистоћу извора, то ће бити лакше урадити.
Један од првих случајева употребе може се појавити у квантном рачунарству. Као што су научници показали, квантна запетљаност и дуализам честица-талас су повезани. Тако би се уместо испреплетености могла мерити количина таласастости и корпускуларности. Ово би могло помоћи научницима који раде на стварању квантног интернета. Или можете користити двојност да побољшамо квантне рачунаре и учинимо их бржим. У сваком случају, изгледа да су узбудљива квантна времена одмах иза угла.
Прочитајте такође:
Хвала на чланку! „Могући програми су већ на видику“ – вероватно не програми, већ апликације?
Хвала, веома занимљиво. Још оваквих чланака.
Хвала вам! Ми ћемо покушати ;)