100 лет квантовой физике: От теорий 1920 года к компьютерам
Еще в 1920-х годах квантовая механика, теория, лежащая в основе всего, от поведения атомов до работы квантовых компьютеров была на пути к тому, чтобы получить широкое признание. Но оставалась одна загадка: иногда квантовые объекты, такие как электроны, атомы и молекулы, ведут себя как частицы, иногда как волны. А иногда они даже ведут себя как частицы и волны одновременно. Поэтому при изучении этих квантовых объектов никогда не было понятно, какой подход учёные должны использовать в своих расчетах.
Иногда ученым нужно было предположить, что квантовые объекты это волны, чтобы получить правильный результат. В других случаях им нужно было предположить, что объекты действительно были частицами. Иногда срабатывал любой подход. Но в других случаях только один подход приводил к правильному результату, а другой приводил к фиктивному результату. История этой проблемы уходит далеко в прошлое, но недавние эксперименты пролили новый свет на этот старый вопрос.
Квантовая история
В одноименном эксперименте с двумя щелями, впервые проведенном Томасом Янгом в 1801 году, свет вел себя как волны. В этом эксперименте лазерный луч направляют на двойную щель, а затем смотрят на выходящий в результате рисунок. Если бы свет состоял из частиц, можно было бы ожидать два световых блока в форме щелей. В итоге же получается множество маленьких блоков света, расположенных в характерном порядке. Размещение двойной щели в потоке воды привело бы к такому же рисунку. В результате, этот эксперимент привел к выводу, что свет является волной.
Затем, в 1881 году, Генрих Герц совершил забавное открытие. Когда он взял два электрода и подал между ними достаточно высокое напряжение, появились искры. Это нормально. Но когда Герц посветил на эти электроды, искровое напряжение изменилось. Объяснялось это тем, что свет выбивал электроны из материала электрода. Но, как ни странно, максимальная скорость выбитых электронов не изменялась, если изменялась интенсивность света, а изменялась в соответствии с частотой света. Этот результат был бы невозможен, если бы волновая теория была верна. В 1905 году у Альберта Эйнштейна было другое решение: свет на самом деле был частицей. Все это было неудовлетворительно. Ученые предпочитают одну теорию, которая всегда верна, двум теориям, которые иногда верны. А если теория верна лишь иногда, то мы хотели бы хотя бы иметь возможность сказать, при каких условиях она верна.
Но именно в этом и заключалась проблема открытия. Физики не знали, когда рассматривать свет или какой-либо другой объект как волну, а когда как частицу. Они знали, что некоторые вещи вызывают волнообразное поведение, например края щелей. Но у них не было четкого объяснения, почему это так, или когда какую-нибудь теорию использовать.
Эта загадка, называемая корпускулярно-волновым дуализмом, сохраняется до сих пор. Но новое исследование может немного прояснить ситуацию. Ученые Корейского института фундаментальных наук показали, что свойства источника света влияют на то, насколько он является частицей, а насколько волной. Благодаря новому подходу к изучению этой проблемы они проложили путь, который может даже привести к улучшению квантовых вычислений. Или таковы надежды.
Как сделать частицы и волны
В эксперименте ученые использовали полуотражающее зеркало, чтобы разделить лазерный луч на две части. Каждый из этих лучей попадает на кристалл, который, в свою очередь, производит два фотона. Всего получается четыре фотона, по два от каждого кристалла.
Ученые отправили один фотон из каждого кристалла в интерферометр. Устройство объединяет два источника света и создает интерференционную картину. Такая закономерность была впервые обнаружена Томасом Янгом в его вышеупомянутом эксперименте с двумя щелями. Это также то, что вы видите, когда бросаете два камня в пруд: рябь воды в виде мелких волн, расходящихся кругами, некоторые из которых усиливают друг друга, а другие нейтрализуют друг друга. Другими словами, интерферометр обнаруживает волновую природу света.
Пути двух других фотонов использовались для определения их корпускулярных характеристик. Хотя авторы статьи не уточняют, как они это сделали, обычно это делается путем пропуска фотона через материал, показывающий, куда пошел фотон. Например, можно выстрелить фотоном сквозь газ, который затем вспыхнет там, где прошел фотон. Фокусируясь на траектории, а не на конечном пункте, фотон может быть волной. Это потому, что если измерить точное расположение фотона в каждый момент времени, то он точечный, и не может попасть сам в себя.
Это один из многочисленных примеров в квантовой физике, когда измерение активно влияет на результат самого измерения. Следовательно, в этой части эксперимента интерференционная картина в конце траектории фотона отсутствовала. Таким образом, исследователи выяснили, как фотон может быть частицей. Теперь задача заключалась в том, чтобы количественно определить, насколько это была частица и сколько осталось от волнового характера.
Поскольку оба фотона одного кристалла образуются вместе, они образуют одно квантовое состояние. Это означает, что можно найти математическую формулу, описывающую оба этих фотона одновременно. В результате, если исследователи могут количественно определить, насколько эти два фотона частица и насколько волна, это количественное соотношение можно применить ко всему достигающему кристалла лучу.
Действительно, исследователям это удалось. Они измерили, насколько «волнообразным» был фотон, проверив видимость интерференционной картины. Когда видимость была высокой, фотон был очень волнообразным. Когда узор был едва виден, они пришли к выводу, что фотон должен быть очень похожим на частицу.
И эта видимость была случайной. Она была самой высокой, когда оба кристалла получали одинаковую интенсивность лазерного луча. Однако, если луч одного кристалла был гораздо интенсивнее другого, видимость узора становилась очень слабой, и фотоны, скорее всего, были похожими на частицы.
Этот результат поражает, потому что в большинстве экспериментов свет измеряется только в виде волн или частиц. На сегодняшний день в нескольких экспериментах измерялись оба параметра одновременно. Это значит, что легко определить, какое количество каждого свойства имеет источник света.
Физики-теоретики в восторге
Этот результат соответствует прогнозу, сделанному ранее теоретиками. Согласно их теории, насколько волновым и корпускулярным является квантовый объект, зависит от чистоты источника. Чистота в этом контексте — просто причудливый способ выразить вероятность того, что конкретный кристаллический источник будет излучающим свет. Формула выглядит следующим образом: V2 + P2 = µ2, где V – видимость диаграммы направленности, P – заметность пути, а µ – чистота источника.
Это означает, что квантовый объект, такой как свет, может быть в некоторой степени волновым, а в какой-то частицеобразным, но это определяется чистотой источника. Квантовый объект волнообразный, если видна интерференционная картина или если величина V не равна нулю. Кроме того, он подобен частице, если путь заметен или если P не равен нулю.
Другим следствием этого предположения является то, что чистота состоит в том, что если запутанность квантового пути высокая, чистота низкая, и наоборот. Ученые, проводившие эксперимент, математически показали это в своей работе. Настроив чистоту кристаллов и измерив результаты, они смогли показать, что эти теоретические предположения действительно верны.
Читайте также: Телепортация с научной точки зрения и ее будущее
Более быстрые квантовые компьютеры?
Связь между запутанностью квантового объекта и его корпускулярностью и волнистостью особенно интересна. Квантовые устройства, которые могут привести в действие квантовый интернет, основаны на запутанности. Квантовый интернет – это квантовая аналогия того, чем Интернет является для классических компьютеров. Объединяя множество квантовых компьютеров вместе и позволяя им обмениваться данными, ученые надеются получить больше мощности, чем можно было бы достичь с одним квантовым компьютером.
Но вместо того чтобы отправлять биты по оптическому волокну, что мы делаем в случае классического Интернета, нам нужно запутать кубиты, чтобы сформировать квантовый Интернет. Возможность измерять запутанность частицей и волной фотона означает, что мы можем найти более простые способы контроля качества квантового Интернета.
Кроме того, сами квантовые компьютеры могут стать лучше, используя корпускулярно-волновой дуализм. По предложению исследователей из китайского Университета Цинхуа, можно запустить небольшой квантовый компьютер через многощелевую решетку, чтобы увеличить его мощность. Небольшой квантовый компьютер будет состоять из нескольких атомов, которые сами используются как кубиты, и такие устройства уже существуют.
Пропускать эти атомы через многощелевую решетку очень похоже на то, как пропускать свет через двойную щель, хотя, конечно, немного сложнее. Это создаст больше возможных квантовых состояний, что в свою очередь повысит мощность «выстрелившего» компьютера. Следующая за этим математика очень сложна для объяснения в этой статье, но важный результат заключается в том, что такой двухквантовый компьютер может быть лучше в параллельных вычислениях, чем обычные квантовые компьютеры. Параллельные вычисления также распространены в классических вычислениях и в основном относятся к способности компьютера выполнять несколько вычислений одновременно, что делает его в общем более быстрым.
Итак, хотя это очень фундаментальное исследование, возможные программы уже на горизонте. Сейчас это невозможно доказать, но эти открытия могут ускорить квантовые компьютеры и немного ускорить появление квантового интернета.
Очень фундаментально, но очень интересно
Все это следует воспринимать с большой долей скептицизма. Исследование солидное, но оно также очень фундаментальное. Как это обычно бывает в науке и технологиях, от фундаментальных исследований до реальных приложений очень далеко.
Но исследователи из Кореи обнаружили очень интересную вещь: загадка корпускулярно-волнового дуализма не исчезнет в ближайшее время. Напротив, кажется, что он настолько глубоко укоренен во всех квантовых объектах, что его лучше использовать. С новым количественным основанием, связанным с чистотой источника, это будет сделать проще.
Один из первых вариантов использования может произойти в квантовых вычислениях. Как показали ученые, квантовая запутанность и корпускулярно-волновый дуализм связаны. Таким образом, вместо запутанности можно измерять количество волнистости и корпускулярности. Это может помочь ученым, работающим над созданием квантового Интернета. Или можно использовать двойственность для улучшения квантовых компьютеров и сделать их быстрее. В любом случае, кажется, что интересные квантовые времена скоро наступят.
Читайте также: О квантовых компьютерах простыми словами
Post 100 лет квантовой физике: От теорий 1920 года к компьютерам at Root Nation.