Mechanika kwantowa jest dziwna. Teoria, która opisuje działanie drobnych cząstek i sił, notorycznie sprawiała, że Albert Einstein był tak niespokojny, że w 1935 roku on i jego koledzy twierdzili, że musi być niekompletny - był zbyt „straszny”, aby był prawdziwy.
powiązana zawartość
- Naukowcy łapią kota Schrödingera w aparacie
- Siedem prostych sposobów, o których wiemy, że Einstein miał rację (na razie)
- Dziwna fizyka może sprawić, że niewidoczny kot będzie widoczny
- Lockheed Martin ma szalone, szybkie komputery kwantowe i planuje ich rzeczywiste wykorzystanie
Problem polega na tym, że fizyka kwantowa zdaje się przeciwstawiać zdroworozsądkowemu pojęciu przyczynowości, lokalności i realizmu. Na przykład wiesz, że księżyc istnieje nawet wtedy, gdy na niego nie patrzysz - to realizm. Przyczynowość mówi nam, że jeśli włączysz włącznik światła, żarówka się zaświeci. A dzięki twardemu ograniczeniu prędkości światła, jeśli teraz włączysz przełącznik, powiązany efekt nie może pojawić się natychmiast w odległości miliona lat świetlnych, zależnie od lokalizacji. Jednak zasady te rozpadają się w dziedzinie kwantowej. Być może najbardziej znanym przykładem jest splątanie kwantowe, które mówi, że cząstki po przeciwnych stronach wszechświata mogą być wewnętrznie powiązane, dzięki czemu natychmiast dzielą się informacjami - pomysł, który doprowadził Einsteina do szyderstwa.
Ale w 1964 roku fizyk John Stewart Bell udowodnił, że fizyka kwantowa była w rzeczywistości kompletną i praktyczną teorią. Jego wyniki, zwane obecnie Twierdzeniem Bella, skutecznie udowodniły, że właściwości kwantowe, takie jak splątanie, są tak realne jak księżyc, a dziś dziwaczne zachowania układów kwantowych są wykorzystywane do różnych zastosowań w świecie rzeczywistym. Oto pięć najbardziej intrygujących:
Zegar strontowy, odsłonięty przez NIST i JILĘ w styczniu, zachowa dokładny czas przez następne 5 miliardów lat. (Grupa Ye i Brad Baxley, JILA) Ultra-precyzyjne zegary
Niezawodny pomiar czasu to coś więcej niż tylko poranny alarm. Zegary synchronizują nasz świat technologiczny, utrzymując porządek na giełdach i systemach GPS. Standardowe zegary wykorzystują regularne oscylacje obiektów fizycznych, takich jak wahadło lub kryształy kwarcu, do wytwarzania swoich „tyknięć” i „zegarów”. Obecnie najbardziej precyzyjne zegary na świecie, zegary atomowe, są w stanie wykorzystywać zasady teorii kwantowej do mierzenia czasu. Monitorują określoną częstotliwość promieniowania potrzebną do skoku elektronów między poziomami energii. Zegar kwantowo-logiczny w amerykańskim National Institute of Standards and Technology (NIST) w Kolorado traci sekundę lub zyskuje sekundę co 3, 7 miliarda lat. A zegar strontowy NIST, zaprezentowany na początku tego roku, będzie tak dokładny przez 5 miliardów lat - dłużej niż obecny wiek Ziemi. Takie superczułe zegary atomowe pomagają w nawigacji GPS, telekomunikacji i pomiarach.
Precyzja zegarów atomowych zależy częściowo od liczby użytych atomów. Przechowywany w komorze próżniowej, każdy atom niezależnie mierzy czas i obserwuje losowe lokalne różnice między sobą a sąsiadami. Jeśli naukowcy wpychają 100 razy więcej atomów w zegar atomowy, staje się on 10 razy bardziej precyzyjny - ale istnieje ograniczenie liczby atomów, które można wcisnąć. Kolejnym wielkim celem badaczy jest skuteczne wykorzystanie splątania w celu zwiększenia precyzji. Splątane atomy nie byłyby zajęte lokalnymi różnicami, a zamiast tego mierzyłyby jedynie upływ czasu, skutecznie łącząc je w jedno wahadło. Oznacza to, że dodanie 100 razy więcej atomów do splątanego zegara uczyniłoby go 100 razy bardziej precyzyjnym. Zaplątane zegary można nawet połączyć w sieć ogólnoświatową, która mierzy czas niezależnie od lokalizacji.
Obserwatorzy będą mieli trudności z włamaniem się do korespondencji kwantowej. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Niekodowalne kody
Tradycyjna kryptografia działa przy użyciu kluczy: nadawca używa jednego klucza do kodowania informacji, a odbiorca używa innego do dekodowania wiadomości. Trudno jednak usunąć ryzyko podsłuchu, a klucze mogą zostać naruszone. Można to naprawić za pomocą potencjalnie nie do złamania kwantowej dystrybucji klucza (QKD). W QKD informacje o kluczu są wysyłane za pomocą fotonów, które zostały losowo spolaryzowane. Ogranicza to foton tak, że wibruje tylko w jednej płaszczyźnie - na przykład w górę i w dół lub od lewej do prawej. Odbiorca może użyć filtrów spolaryzowanych do odszyfrowania klucza, a następnie użyć wybranego algorytmu do bezpiecznego szyfrowania wiadomości. Tajne dane wciąż są przesyłane zwykłymi kanałami komunikacyjnymi, ale nikt nie może odkodować wiadomości, chyba że ma dokładny klucz kwantowy. To trudne, ponieważ reguły kwantowe nakazują, aby „czytanie” spolaryzowanych fotonów zawsze zmieniało swoje stany, a każda próba podsłuchu ostrzega komunikatory o naruszeniu bezpieczeństwa.
Obecnie firmy takie jak BBN Technologies, Toshiba i ID Quantique używają QKD do projektowania ultra bezpiecznych sieci. W 2007 r. Szwajcaria wypróbowała produkt ID Quantique, który zapewnia system głosowania odporny na manipulacje podczas wyborów. Pierwszy przelew bankowy wykorzystujący zaplątaną QKD odbył się w Austrii w 2004 r. Ten system zapowiada się bardzo bezpiecznie, ponieważ jeśli splątane są fotony, wszelkie zmiany ich stanów kwantowych dokonane przez intruzów byłyby natychmiast widoczne dla każdego, kto monitorowałby kluczowanie cząsteczki Ale ten system nie działa jeszcze na duże odległości. Do tej pory splątane fotony były transmitowane na maksymalną odległość około 88 mil.
Zbliżenie układu komputerowego D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Super-potężne komputery
Standardowy komputer koduje informacje jako ciąg cyfr binarnych lub bitów. Komputery kwantowe doładowują moc przetwarzania, ponieważ używają bitów kwantowych lub kubitów, które istnieją w superpozycji stanów - dopóki nie zostaną zmierzone, kubity mogą być jednocześnie „1” i „0” w tym samym czasie.
Ta dziedzina jest wciąż w fazie rozwoju, ale poczyniono kroki we właściwym kierunku. W 2011 roku D-Wave Systems ujawnił D-Wave One, 128-kubitowy procesor, a rok później 512-qubit D-Wave Two. Firma twierdzi, że są to pierwsze na świecie dostępne na rynku komputery kwantowe. Jednak twierdzenie to spotkało się ze sceptycyzmem, częściowo dlatego, że nadal nie jest jasne, czy kubity D-Wave są splątane. Badania opublikowane w maju znalazły dowody uwikłania, ale tylko w niewielkiej części kubitów komputera. Nie ma również pewności, czy chipy wykazują jakiekolwiek niezawodne przyspieszenie kwantowe. Mimo to NASA i Google połączyły siły, aby utworzyć Laboratorium Sztucznej Inteligencji Kwantowej oparte na D-Wave Two. A naukowcy z University of Bristol w zeszłym roku podłączyli jeden ze swoich tradycyjnych układów kwantowych do Internetu, aby każdy, kto ma przeglądarkę internetową, mógł nauczyć się kodowania kwantowego.
Śledzenie uwikłania. (Ono i in., Arxiv.org) Ulepszone mikroskopy
W lutym zespół naukowców z japońskiego Uniwersytetu Hokkaido opracował pierwszy na świecie mikroskop z ulepszonym splątaniem, wykorzystujący technikę znaną jako różnicowa mikroskopia kontrastowa interferencyjna. Ten typ mikroskopu strzela dwie wiązki fotonów w substancję i mierzy wzór interferencji utworzony przez odbite wiązki - wzór zmienia się w zależności od tego, czy uderzą one w płaską, czy nierówną powierzchnię. Używanie splątanych fotonów znacznie zwiększa ilość informacji, które może zebrać mikroskop, ponieważ pomiar jednego splątanego fotonu dostarcza informacji o jego partnerze.
Zespołowi Hokkaido udało się sfotografować wygrawerowane „Q”, które stało zaledwie 17 nanometrów nad tłem z niespotykaną ostrością. Podobne techniki można zastosować do poprawy rozdzielczości narzędzi astronomicznych zwanych interferometrami, które nakładają różne fale światła w celu lepszej analizy ich właściwości. Interferometry są używane do polowania na planety pozasłoneczne, do badania pobliskich gwiazd i wyszukiwania fal w czasoprzestrzeni zwanych falami grawitacyjnymi.
Europejski rudzik może być kwantowo naturalny. (Andrew Parkinson / Corbis) Kompasy biologiczne
Ludzie nie są jedynymi, którzy korzystają z mechaniki kwantowej. Jedna z wiodących teorii sugeruje, że ptaki takie jak rudzik europejski wykorzystują upiorne działania, aby śledzić migrację. Metoda obejmuje wrażliwe na światło białko zwane kryptochromem, które może zawierać splątane elektrony. Gdy fotony dostają się do oka, uderzają w cząsteczki kryptochromu i mogą dostarczyć wystarczającą ilość energii, aby je rozdzielić, tworząc dwie reaktywne cząsteczki lub rodniki z niesparowanymi, ale wciąż splątanymi elektronami. Pole magnetyczne otaczające ptaka wpływa na czas działania tych rodników kryptochromowych. Uważa się, że komórki siatkówki ptaków są bardzo wrażliwe na obecność zaplątanych rodników, umożliwiając zwierzętom skuteczne „zobaczenie” mapy magnetycznej opartej na cząsteczkach.
Proces ten nie jest jednak w pełni zrozumiały i istnieje inna opcja: wrażliwość magnetyczna ptaków może wynikać z małych kryształów minerałów magnetycznych w dziobach. Mimo to, jeśli naprawdę istnieje uwikłanie, eksperymenty sugerują, że delikatny stan musi trwać znacznie dłużej w ptasim oku niż w nawet najlepszych sztucznych systemach. Kompas magnetyczny może być również stosowany do niektórych jaszczurek, skorupiaków, owadów, a nawet niektórych ssaków. Na przykład w ludzkim oku znaleziono również formę kryptochromu używaną do nawigacji magnetycznej u much, chociaż nie jest jasne, czy jest lub kiedyś była przydatna do podobnego celu.
