Davnih 1920-ih, kvantna mehanika, teorija na kojoj se temelji sve, od ponašanja atoma do rada kvantnih računala, bila je na putu da postane široko prihvaćena. Ali jedna misterija je ostala: ponekad se kvantni objekti, poput elektrona, atoma i molekula, ponašaju kao čestice, drugi kao valovi. Ponekad se čak ponašaju kao čestice i valovi u isto vrijeme. Stoga, proučavajući te kvantne objekte, nikada nije bilo jasno koji bi pristup znanstvenici trebali koristiti u svojim izračunima.
Ponekad su znanstvenici morali pretpostaviti da su kvantni objekti valovi kako bi dobili točan rezultat. U drugim slučajevima, morali su pretpostaviti da su objekti zapravo čestice. Ponekad je oba pristupa djelovala. Ali u drugim slučajevima samo je jedan pristup dao točan rezultat, dok je drugi vratio lažni rezultat. Povijest ovog problema seže daleko u prošlost, ali nedavni eksperimenti bacili su novo svjetlo na ovo staro pitanje.
Kvantna povijest
U istoimenom eksperimentu s dvostrukim prorezom, koji je prvi proveo Thomas Young 1801., svjetlost se ponašala poput valova. U ovom eksperimentu, laserska zraka je usmjerena na dvostruki prorez, a zatim se promatra dobiveni uzorak. Da se svjetlost sastoji od čestica, očekivala bi se dva svjetlosna bloka u obliku proreza. Umjesto toga, rezultat su mnogi mali blokovi svjetlosti raspoređeni u karakterističnom uzorku. Postavljanje dvostrukog proreza u struju vode rezultiralo bi istim uzorkom ispod. Tako je ovaj eksperiment doveo do zaključka da je svjetlost val.
Zatim je 1881. Heinrich Hertz došao do smiješno otkrića. Kad je uzeo dvije elektrode i između njih primijenio dovoljno visok napon, pojavile su se iskre. Ovo je normalno. Ali kada je Hertz osvijetlio te elektrode, napon iskre se promijenio. To je objašnjeno činjenicom da je svjetlost izbacila elektrone iz materijala elektrode. Ali, začudo, maksimalna brzina izbačenih elektrona nije se mijenjala ako se mijenja intenzitet svjetlosti, već se mijenjala s frekvencijom svjetlosti. Ovaj rezultat bi bio nemoguć da je valna teorija istinita. Godine 1905. Albert Einstein je imao rješenje: svjetlost je zapravo bila čestica. Sve je to bilo nezadovoljavajuće. Znanstvenici više vole jednu teoriju koja je uvijek istinita nego dvije teorije koje su ponekad istinite. A ako je neka teorija istinita samo ponekad, onda bismo barem voljeli da možemo reći pod kojim uvjetima je istinita.
Ali upravo je to bio problem s ovim otkrićem. Fizičari nisu znali kada svjetlost ili bilo koji drugi objekt promatrati kao val, a kada kao česticu. Znali su da neke stvari uzrokuju valovito ponašanje, poput rubova proreza. No, nisu imali jasno objašnjenje zašto je to tako niti kada koristiti koju teoriju.
Ova zagonetka se zove korpuskularno-valni dualizam, još uvijek je sačuvan. No nova studija mogla bi rasvijetliti situaciju. Znanstvenici s Korea Institute of Basic Sciences pokazali su da svojstva izvora svjetlosti utječu na to koliko je on čestica, a koliko val. S novim pristupom proučavanju ovog problema, utrli su put koji bi čak mogao dovesti do poboljšanja u kvantnom računalstvu. Ili takve nade.
Također zanimljivo: Googleovi kvantni procesori uzimaju vremenske kristale izvan teorije
Kako napraviti čestice i valove
U eksperimentu su znanstvenici koristili polu-reflektirajuće zrcalo kako bi podijelili lasersku zraku na dva dijela. Svaka od tih zraka pogađa kristal, koji zauzvrat proizvodi dva fotona. Emitiraju se ukupno četiri fotona, po dva iz svakog kristala.
Znanstvenici su poslali po jedan foton iz svakog kristala u interferometar. Ovaj uređaj kombinira dva izvora svjetlosti i stvara interferencijski uzorak. Ovaj obrazac prvi je otkrio Thomas Young u svom gore spomenutom eksperimentu s dva proreza. To je također ono što vidite kada bacite dva kamena u jezero: valovi vode, od kojih se neki međusobno pojačavaju, a drugi neutraliziraju. Drugim riječima, interferometar otkriva valnu prirodu svjetlosti.
Putanja druga dva fotona korištena su za određivanje njihovih korpuskularnih karakteristika. Iako autori rada nisu precizirali kako su to učinili, to se obično radi prolaskom fotona kroz materijal koji pokazuje kamo je foton otišao. Na primjer, možete ispaliti foton kroz plin, koji će se zatim zapaliti tamo gdje je foton prošao. Usredotočujući se na putanju, a ne na konačno odredište, foton može biti val. To je zato što ako mjerite točnu lokaciju fotona u svakom trenutku vremena, onda je on točkasti i ne može udariti sam sebe.
Ovo je jedan od mnogih primjera u kvantnoj fizici gdje mjerenje aktivno utječe na ishod navedenog mjerenja. Stoga je u ovom dijelu eksperimenta izostao interferencijski uzorak na kraju putanje fotona. Tako su istraživači otkrili kako foton može biti čestica. Izazov je sada bio kvantificirati koliko je od toga čestica, a koliko je ostalo od valnog karaktera.
Budući da se oba fotona istog kristala proizvode zajedno, oni tvore jedno kvantno stanje. To znači da je moguće pronaći matematičku formulu koja opisuje oba ova fotona istovremeno. Kao rezultat toga, ako istraživači mogu kvantificirati koliko su jaki "parcijalnost" i "valna duljina" dvaju fotona, ta se kvantifikacija može primijeniti na cijelu zraku koja doseže kristal.
Doista, istraživači su uspjeli. Mjerili su koliko je foton valovit provjeravajući vidljivost interferencijskog uzorka. Kada je vidljivost bila velika, foton je bio vrlo valovit. Kad je uzorak bio jedva vidljiv, zaključili su da foton mora biti vrlo sličan čestici.
I ta je vidljivost bila slučajna. Bio je najveći kada su oba kristala primila isti intenzitet laserske zrake. Međutim, ako je zraka iz jednog kristala bila mnogo intenzivnija od drugog, vidljivost uzorka postala je vrlo slaba, a fotoni su vjerojatnije izgledali kao čestice.
Ovaj rezultat je iznenađujući jer se u većini eksperimenata svjetlost mjeri samo u obliku valova ili čestica. Danas su u nekoliko eksperimenata oba parametra mjerena istovremeno. To znači da je lako odrediti koliko od svakog svojstva izvor svjetlosti ima.
Također zanimljivo: QuTech pokreće preglednik za kvantni internet
Teorijski fizičari su oduševljeni
Ovaj rezultat odgovara ranijem predviđanju teoretičara. Prema njihovoj teoriji, koliko je valoviti i korpuskularni kvantni objekt ovisi o čistoći izvora. Čistoća je u ovom kontekstu samo otmjen način izražavanja vjerojatnosti da će određeni kristalni izvor biti onaj koji emitira svjetlost. Formula je sljedeća: V2 + P2 = µ2, gdje je V vidljivost smjera, P vidljivost staze, a µ čistoća izvora.
To znači da kvantni objekt kao što je svjetlost može donekle biti sličan valu i donekle sličan čestici, ali to je ograničeno čistoćom izvora. Kvantni objekt je valoviti ako je vidljiv interferencijski uzorak ili ako vrijednost V nije jednaka nuli. Također, nalik je čestici ako je put vidljiv ili ako je P različit od nule.
Još jedna posljedica ovog predviđanja je da je čistoća takva da ako je isprepletenost kvantne staze visoka, čistoća je niska, i obrnuto. Znanstvenici koji su proveli eksperiment to su matematički pokazali u svom radu. Ugađanjem čistoće kristala i mjerenjem rezultata, uspjeli su pokazati da su ta teorijska predviđanja doista točna.
Također zanimljivo: NASA će lansirati kvantna računala za obradu i pohranu "planina" podataka
Brža kvantna računala?
Posebno je zanimljiva veza između isprepletenosti kvantnog objekta i njegove korpuskularnosti i valovitosti. Kvantni uređaji koji bi mogli pokretati kvantni internet temelje se na isprepletenosti. Kvantni Internet je kvantna analogija onoga što je Internet za klasična računala. Povezivanjem mnogih kvantnih računala zajedno i dopuštanjem da dijele podatke, znanstvenici se nadaju da će dobiti više snage nego što bi se moglo postići s jednim kvantnim računalom.
Ali umjesto slanja bitova niz optičko vlakno, što radimo za napajanje klasičnog interneta, moramo ispreplesti kubite da formiramo kvantni internet. Mogućnost mjerenja isprepletenosti čestica i valovitosti fotona znači da možemo pronaći jednostavnije načine za kontrolu kvalitete kvantnog interneta.
Osim toga, sama kvantna računala mogu postati bolja korištenjem dualizma čestičnog vala. Prema prijedlogu istraživača s kineskog sveučilišta Tsinghua, moguće je malo kvantno računalo pokrenuti kroz rešetku s više proreza kako bi se povećala njegova snaga. Malo kvantno računalo sastojalo bi se od nekoliko atoma koji se sami koriste kao kubiti, a takvi uređaji već postoje.
Prolazak ovih atoma kroz rešetku s više proreza vrlo je sličan prolasku svjetlosti kroz dvostruki prorez, iako je, naravno, malo kompliciraniji. To će stvoriti više mogućih kvantnih stanja, što će, pak, povećati snagu "ispaljenog" računala. Matematika koja stoji iza ovoga je previše komplicirana da bi se objasnila u ovom radu, ali važan rezultat je da takvo dvokvantno računalo može biti bolje u paralelnom računanju od konvencionalnih kvantnih računala. Paralelno računanje također je uobičajeno u klasičnom računalstvu i u osnovi se odnosi na sposobnost računala da izvodi više izračuna istovremeno, što ga ukupno čini bržim.
Dakle, iako je ovo vrlo osnovno istraživanje, moguće primjene već su na pomolu. Trenutačno je to nemoguće dokazati, no ova bi otkrića mogla ubrzati kvantna računala i malo ubrzati nastanak kvantnog interneta.
Također zanimljivo: Kina je napravila kvantno računalo koje je milijun puta snažnije od Googleovog
Vrlo fundamentalno, ali vrlo zanimljivo
Sve ovo treba uzeti s velikom dozom skepse. Istraživanje je solidno, ali je i vrlo osnovno. Kao što je to obično slučaj u znanosti i tehnologiji, dug je put od temeljnih istraživanja do stvarnih aplikacija.
Ali istraživači iz Koreje otkrili su jednu vrlo zanimljivu stvar: misterij dualizma čestičnog vala neće tako skoro nestati. Naprotiv, čini se da je toliko duboko ukorijenjen u svim kvantnim objektima da ga je bolje koristiti. S novom kvantitativnom osnovom koja se odnosi na čistoću izvora to će biti lakše učiniti.
Jedan od prvih slučajeva uporabe mogao bi se pojaviti u kvantnom računalstvu. Kao što su znanstvenici pokazali, kvantna isprepletenost i dualizam čestičnog vala povezani su. Tako bi se umjesto isprepletenosti mogla mjeriti količina valovitosti i korpuskularnosti. To bi moglo pomoći znanstvenicima koji rade na stvaranju kvantnog interneta. Ili možete koristiti dvojnost poboljšati kvantna računala i učiniti ih bržima. U svakom slučaju, čini se da su uzbudljiva kvantna vremena pred vratima.
Pročitajte također:
Hvala na članku! „Mogući programi su već na vidiku“ – vjerojatno ne programi, već aplikacije?
Hvala, vrlo zanimljivo. Više takvih članaka.
Hvala vam! Probat ćemo ;)