Новости технологий

100 лет квантовой физики: от теорий 1920-х годов до умопомрачительных компьютеров 2020 года

Краткое описание по статье 100 лет квантовой физики: от теорий 1920-х годов до умопомрачительных компьютеров 2020 года

Название: 100 лет квантовой физики: от теорий 1920-х годов до умопомрачительных компьютеров 2020 года . Краткое описание: ⭐ Еще в 1920-х годах квантовая механ . Дата публикации: 19.01.2022 . Автор: Алишер Валеев .

Для чего создан сайт Novosti-Nedeli.ru

Данный сайт посвящен новостям мира и мира технологий . Также тут вы найдете руководства по различным девайсам.

Сколько лет сайту?

Возраст составляет 3 года


Еще в 1920-х годах квантовая механика, теория, которая лежит в основе всего, от поведения атомов до работы квантовых компьютеров, была на пути к тому, чтобы получить широкое признание. Но осталась одна загадка: иногда квантовые объекты, такие как электроны, атомы и молекулы, ведут себя как частицы, а другие — как волны. Иногда они даже ведут себя как частицы и волны одновременно. Итак, при изучении этих квантовых объектов никогда не было совершенно ясно, какой подход ученым нужно использовать для своих расчетов.

Иногда ученым нужно было предположить, что квантовые объекты были волнами, чтобы получить правильный результат. В других случаях им нужно было предположить, что объекты на самом деле были частицами. Иногда срабатывал любой подход. Но в других случаях только один подход приводил к правильному результату, а другой возвращал фиктивный результат. 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 рисунок, который получается в результате. Если бы свет состоял из частиц, можно было бы ожидать два световых блока в форме щелей. Вместо этого в результате получается множество маленьких блоков света, расположенных в характерном порядке. Размещение двойной щели в потоке воды привело бы к тому же рисунку чуть ниже. Следовательно, этот эксперимент привел к выводу, что свет представляет собой волну.

Есть планы на следующий июнь?

Билеты на TNW 2022 уже в продаже!

ПОЛУЧАТЬ БИЛЕТЫ

Затем, в 1881 году, Генрих Герц сделал забавное открытие. Когда он взял два электрода и подал между ними достаточно высокое напряжение, возникли искры. Все идет 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 менялась, если менялась интенсивность света, а изменялась с частотой света. Этот результат был бы невозможен, если бы волновая теория была верна. В 1905 году у Альберта Эйнштейна было 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, по крайней мере, иметь возможность сказать, при каких условиях она верна.

Но именно в этом и заключалась проблема этого открытия. Физики не знали, когда рассматривать свет или любой 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 теорию использовать.

Эта загадка, называемая корпускулярно-волновым дуализмом, сохраняется и по сей день. 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 улучшениям в квантовых вычислениях. 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. Это 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: перекрывающиеся ряби воды, 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 пропускания фотона через материал, который отмечает, куда пошел фотон. Например, можно выстрелить фотоном через газ, который затем загорится там, где прошел фотон. Фокусируясь на траектории, а не на конечном пункте назначения, фотон не может быть волной. Это потому, что если измерить точное местоположение фотона в каждый момент времени, то он точечный и не может вмешиваться сам в себя.

Это один из многих примеров в квантовой физике, когда измерение активно влияет на результат указанного 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 производятся 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 сильны «частичность» и «волнистость» двух фотонов, то это количественное определение применимо ко всему лучу, достигающему кристалла.

Действительно, исследователям это удалось. Они измерили, насколько волнистым 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 похож на частицу.

И эта видимость не была случайной. Она была наивысшей, когда оба кристалла получали одинаковую интенсивность лазерного луча. Однако, если луч одного кристалла был намного интенсивнее другого, видимость узора становилась очень слабой, и фотоны, скорее всего, были похожи на частицы.

Этот результат впечатляет, потому что в большинстве экспериментов свет измеряется только в виде волн или частиц. На сегодняшний день в нескольких экспериментах измерялись оба параметра одновременно. Это означает, что легче определить, сколько 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 тем, который излучает свет. Формула выглядит следующим образом: V2 + P2 = µ2, где V — видимость диаграммы направленности, P — различимость пути, а µ — чистота источника.

Это означает, что квантовый объект, такой как свет, может быть в какой-то степени волновым, а в какой-то — частицеподобным, но это ограничено чистотой источника. Квантовый объект волнообразен, если видна интерференционная картина или если величина V не равна нулю. Кроме того, он подобен частице, если путь различим или если P не равен нулю.

Другим следствием этого предсказания является то, что чистота состоит в том, что если запутанность квантового пути высока, чистота низка, и наоборот. Ученые, проводившие эксперимент, математически показали это в своей работе. Настроив чистоту кристаллов и измерив результаты, они смогли показать, что эти теоретические предсказания действительно верны.

Более быстрые квантовые компьютеры?

Связь между запутанностью квантового объекта и его корпускулярностью и волнистостью особенно интересна. Квантовые устройства, которые однажды могут привести в действие квантовый интернет, полагаются на запутанность. Квантовый интернет — это квантовая аналогия того, чем Интернет является для классических компьютеров. Соединяя множество квантовых компьютеров вместе и позволяя им обмениваться данными, ученые надеются получить больше мощности, чем мог бы когда-либо достичь один квантовый компьютер.

Но вместо того, чтобы отправлять биты по оптическому волокну, что мы делаем для питания классического интернета, нам нужно запутать кубиты, чтобы сформировать квантовый интернет. Возможность измерять запутанность частицей и волнистостью 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. Согласно предложению исследователей из китайского Университета Цинхуа, можно запустить небольшой квантовый компьютер через многощелевую щель, чтобы увеличить его мощность. Небольшой квантовый компьютер будет состоять из нескольких атомов, которые сами используются в качестве кубитов, и такие устройства уже существуют.

Пропускать эти атомы через многощелевую щель очень похоже на пропускать свет через двойную щель, хотя, конечно, немного сложнее. Это создаст больше возможных квантовых состояний, что, в свою очередь, повысит мощность «выстреленного» компьютера. Математика, стоящая за всем этим, слишком 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 целом быстрее.

Итак, хотя это очень фундаментальное исследование, возможные приложения уже на горизонте. На данный момент это невозможно доказать, но эти открытия могут еще больше ускорить квантовые компьютеры и немного ускорить появление квантового интернета.

Очень фундаментально, но очень увлекательно

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 одну очень интересную вещь: загадка корпускулярно-волнового дуализма не исчезнет в ближайшее время. Наоборот, кажется, что он настолько глубоко укоренен во всех квантовых объектах, что его лучше использовать. С новой количественной основой, связанной с чистотой источника, это будет сделать проще.

Один из первых вариантов использования может произойти в квантовых вычислениях. Как показали ученые, квантовая запутанность и корпускулярно-волновой дуализм связаны. Таким образом, вместо запутанности можно было бы измерять количества волнистости и корпускулярности. Это может помочь ученым, работающим над созданием квантового интернета. Или можно использовать двойственность для улучшения квантовых компьютеров и сделать их еще быстрее. В любом случае, кажется, что захватывающие квантовые времена скоро наступят.

Эта статья изначально была опубликована на сайте Built In. Вы можете прочитать это здесь.


Source: https://thenextweb.com/

Заключение

Вы ознакомились с статьей —
100 лет квантовой физики: от теорий 1920-х годов до умопомрачительных компьютеров 2020 года

Пожалуйста оцените статью, и напишите комментарий.

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»