A kvantummechanika furcsa. Az apró részecskék és erők működését leíró elmélet Albert Einsteint a hírhedten annyira nyugtalanítóvá tette, hogy 1935-ben kollégáival azt állította, hogy ennek hiányosnak kell lennie - túlságosan „kísérteties” volt ahhoz, hogy valódi legyen.
kapcsolodo tartalom
- A tudósok Schrödinger macskáját rögzítik a kamerába
- Hét egyszerű módszer, amiről tudjuk, hogy Einsteinnek igaza volt (egyelőre)
- A furcsa fizika láthatatlanná teheti a macskát
- Lockheed Martin őrült gyors kvantumszámítógépekkel rendelkezik, és terveket állítana való használatra
A probléma az, hogy a kvantumfizika látszólag megkérdőjelezi az okozati összefüggések, a lokalitás és a realizmus józan ész fogalmait. Például, tudod, hogy a hold akkor is létezik, ha nem néz rá - ez a realizmus. Az okozati összefüggés azt mondja nekünk, hogy ha megvillan egy fénykapcsolót, az izzó világít. És a fénysebesség kemény korlátjának köszönhetően, ha most egy kapcsolót rázkódik, a kapcsolódó hatás a helyszín szerint egymillió fényév távolságra nem fordulhat elő azonnal. Ezek az elvek azonban lebontják a kvantum birodalmat. Talán a leghíresebb példa a kvantum-összefonódás, amely szerint az univerzum másik oldalán levő részecskék belsőleg összekapcsolhatók úgy, hogy azonnal megosszák az információkat - ez egy ötlet, amely Einsteint megrázta.
De John Stewart Bell fizikus 1964-ben bizonyította, hogy a kvantumfizika valójában teljes és működőképes elmélet. Eredményei, amelyeket most Bell-tételnek hívnak, hatékonyan bebizonyították, hogy a kvantumtulajdonságok, mint például az összefonódás, ugyanolyan valósak, mint a hold, és ma a kvantumrendszerek furcsa viselkedését számos különféle valós alkalmazásban alkalmazzák. Íme öt a legérdekesebb:
A NIST és a JILA januárban bemutatott stronciumórája pontos időt fog tartani a következő 5 milliárd évben. (A Ye csoport és Brad Baxley, JILA) Ultra-pontos órák
A megbízható időmérés több, mint a reggeli riasztás. Az órák szinkronizálják technológiai világunkat, és a dolgok, például a tőzsdék és a GPS rendszerek egymással összhangban vannak. A standard órák a fizikai tárgyak, például inga vagy kvarckristályok rendszeres rezgéseit használják, hogy „kullancsukat” és „tokkjaikat” hozzák létre. Manapság a világ legpontosabb órái, az atomórák képesek kvantumelmélet alapelveit használni az idő mérésére. Figyelembe veszik a fajlagos sugárzási frekvenciát, amely az elektronok energiaszintek közötti ugrásához szükséges. A USA Colorado Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetének (NIST) kvantum-logikai órája csak 3, 7 milliárd év alatt veszít el vagy nyer másodpercet. És a NIST stroncium óra, amelyet az év elején mutattak be, 5 milliárd évig lesz pontosan pontos - hosszabb, mint a Föld jelenlegi kora. Az ilyen szuperérzékeny atomórák segítenek a GPS navigációban, a távközlésben és a földmérésben.
Az atomi órák pontossága részben a felhasznált atomok számán múlik. Vakuumkamrában tartva minden atom függetlenül méri az időt, és figyelemmel kíséri a saját és szomszédai közötti véletlenszerű helyi különbségeket. Ha a tudósok százszor annyi atomot szúrnak be egy atomóraba, akkor tízszeresére pontosabbá válik - de korlátozott lehet az, hogy hány atomot tud benyomni. A kutatók következő nagy célja az, hogy sikeresen alkalmazzák az összefonódást a pontosság fokozása érdekében. Az összefonódott atomok nem foglalkoznának a helyi különbségekkel, hanem inkább csak az idő múlását mérnék, ténylegesen egyetlen ingaként összehozva őket. Ez azt jelenti, hogy százszor annyi atomot ad hozzá egy belegabalyodott órába, ez százszor pontosabbá teszi. Az összefonódott órák összekapcsolhatók egy globális hálózattal, amely az időt mérheti, függetlenül a helyétől.
A megfigyelőknek nehéz idő lesz a kvantum-levelezésbe való behatolás. (VOLKER STEGER / Tudományos fotókönyvtár / Corbis) Nem rejthető kódok
A hagyományos kriptográfia kulcsok használatával működik: A feladó egy kulcsot használ az információ kódolására, a címzett pedig egy másik használja az üzenet dekódolására. A lehallgató kockázatát azonban nehéz eltávolítani, és a kulcsok veszélybe kerülhetnek. Ez kijavítható a potenciálisan törhetetlen kvantumkulcs-eloszlás (QKD) segítségével. A QKD-ben a kulcsra vonatkozó információkat véletlenszerűen polarizált fotonok útján továbbítják. Ez korlátozza a fotont, hogy csak egy síkban rezegjen - például fel és le, vagy balról jobbra. A címzett polarizált szűrőkkel megfejti a kulcsot, majd egy kiválasztott algoritmust használhat az üzenet biztonságos titkosításához. A titkos adatokat továbbra is normál kommunikációs csatornákon küldik el, de senki sem tudja dekódolni az üzenetet, ha nem rendelkezik pontos kvantumkulccsal. Ez trükkös, mert a kvantumszabályok azt írják elő, hogy a polarizált fotonok "olvasása" mindig megváltoztatja állapotát, és minden lehallgatási kísérlet figyelmezteti a kommunikátorokat a biztonsági szabályok megsértésére.
Manapság olyan cégek, mint a BBN Technologies, a Toshiba és az ID Quantique, a QKD-t használják rendkívül biztonságos hálózatok tervezésére. 2007-ben Svájc kipróbálta az ID Quantique terméket, hogy a választások során bebizonyítsa az illetéktelen szavazási rendszert. És az összefonódott QKD-vel történő első banki átutalás 2004-ben zajlott Ausztriában. Ez a rendszer ígéretesnek bizonyul nagyon biztonságosnak, mert ha a fotonok belekapaszkodnak, az interpolátorok kvantumállapotukban bekövetkező bármilyen változása azonnal látható lesz bárki számára, aki megfigyeli a kulcs-viszonyt. részecskéket. De ez a rendszer még nem működik nagy távolságokon. Eddig az összefonódott fotonokat legfeljebb 88 mérföld távolságon továbbították.
Vértes D-Wave One számítógépes chip. (D-Wave Systems, Inc.) Nagy teljesítményű számítógépek
A szokásos számítógép bináris számjegyként vagy bitként kódolja az információkat. A kvantum számítógépek feltöltik a feldolgozási teljesítményt, mert kvantum biteket vagy kviteket használnak, amelyek az állapotok szuperpozíciójában léteznek - mindaddig, amíg meg nem mérik, a kvitek lehetnek egyszerre "1" és "0".
Ez a terület még fejlesztés alatt áll, de lépéseket tett a helyes irányba. 2011-ben a D-Wave Systems bemutatta a 128-bites processzort a D-Wave One-t, egy évvel később pedig az 512-bites D-Wave Two-ot. A vállalat szerint ezek a világon a kereskedelemben elsőként elérhető kvantumszámítógépek. Ennek ellenére ezt az állítást szkepticizmussal fogadták el, részben azért, mert továbbra sem világos, hogy a D-Wave kvótái összefonódtak-e. A májusban kiadott tanulmányok bizonyítékot találtak a belegabalyodásra, de csak a számítógép kviteinek kis részében. Az is bizonytalan, hogy a chipek megbízható kvantumsebességet mutatnak-e. Ennek ellenére a NASA és a Google összeállt a D-hullám kettőn alapuló Quantum Mesterséges Intelligencia Laboratóriummal. És a Bristoli Egyetem tudósai tavaly összekapcsolták az egyik hagyományos kvantum-chipet az internetre, hogy bárki böngészővel megtanulhassa a kvantumkódolást.
Szem előtt tartva az összefonódást. (Ono et al., Arxiv.org) Továbbfejlesztett mikroszkópok
Februárban a japán Hokkaido Egyetem kutatócsoportja kifejlesztette a világ első beillesztéssel javított mikroszkópját, diffferenciális interferencia kontrasztmikroszkópia néven ismert technikával. Ez a fajta mikroszkóp két fotonnyalábot bocsát ki az anyagnál, és méri a visszavert fények által létrehozott interferenciamintázatot - a minta attól függ, hogy sima vagy egyenetlen felületet érnek-e. Az összefonódott fotonok használata jelentősen megnöveli az információ mennyiségét, amelyet a mikroszkóp összegyűjthet, mivel egy összegabalyodott foton mérése információkat szolgáltat partneréről.
A Hokkaido csapatnak sikerült egy vésett "Q" -et ábrázolni, amely mindössze 17 nanométer volt a háttér felett, példátlan élességgel. Hasonló technikákat lehetne használni az interferométernek nevezett csillagászati eszközök felbontásának javítására, amelyek különböző fényhullámokat vetnek egymásra, hogy jobban elemezzék tulajdonságaikat. Az interferométereket extoláris bolygók vadászatához használják, a közeli csillagok érzékeltetéséhez és a gravitációs hullámoknak nevezett űridőben hullámok kereséséhez.
Az európai vörösbegy kvantum-természetes lehet. (Andrew Parkinson / Corbis) Biológiai iránytűk
Az emberek nem csak a kvantummechanikát használják. Az egyik vezető elmélet azt sugallja, hogy a madarak, mint például az európai vörösbegy, a kísérteties cselekvést követik nyomon, amikor vándorolnak. A módszer kriptokrómnak nevezett fényérzékeny fehérjét tartalmaz, amely összefonódott elektronokat tartalmazhat. Amint a fotonok bejutnak a szembe, eltalálják a kriptokróm molekulákat, és elegendő energiát tudnak szolgáltatni, hogy szétváljanak, két reaktív molekulát vagy gyököt képezve, pár nélkül, de még mindig összefonódott elektronokkal. A madár körülvevő mágneses mező befolyásolja, hogy ezen kriptokrómgyökök milyen hosszú ideig tartanak. Úgy gondolják, hogy a madár retina sejtjei nagyon érzékenyek az összefonódott gyökök jelenlétére, lehetővé téve az állatok számára, hogy hatékonyan "látják" a molekulák alapján mágneses térképet.
Ezt a folyamatot azonban nem értik meg teljesen, és van egy másik lehetőség: a madarak mágneses érzékenysége annak köszönhető, hogy a csőrükben kis mágneses ásványi kristályok vannak. Mégis, ha az összefonódás ténylegesen játékban van, a kísérletek azt sugallják, hogy a kényes állapotnak sokkal hosszabb ideig kell tartania a madártávlatban, még a legjobb mesterséges rendszereknél is. A mágneses iránytű alkalmazható bizonyos gyíkokra, rákfélékre, rovarokra és még néhány emlősre is. Például a legyek mágneses navigációjához használt kriptokróm egyik formáját szintén megtaláltak az emberi szemben, bár nem világos, hogy vajon egyszer használatos-e hasonló célra.
