Kvantmehaanika on imelik. Teooria, mis kirjeldab väikeste osakeste ja jõudude tööd, tegi kurikuulsalt Albert Einsteini nii rahutuks, et 1935. aastal väitsid tema ja ta kolleegid, et see peab olema puudulik - see oli liiga õudne, et olla reaalne.
Seotud sisu
- Teadlased püüavad Schrödingeri kassi kaamerast kinni
- Seitse lihtsat viisi, kuidas me teame, et Einsteinil oli õigus (praegu)
- Veider füüsika võib muuta nähtamatu kassi nähtavaks
- Lockheed Martinil on hullumeelsed kvantarvutid ja plaanid neid tegelikult kasutada
Probleem on selles, et kvantfüüsika näib trotsivast põhjusliku seose, lokaalsuse ja realismi mõistuse mõistmist. Näiteks teate, et kuu eksisteerib ka siis, kui te seda ei vaata - see on realism. Põhjuslikkus ütleb meile, et kui vilgate tule lülitit, hakkab pirn põlema. Ja tänu valguse kiiruse rangele piirile, kui nüüd mõnda lülitit libistada, ei saanud sellega seotud efekt paikkonniti ilmneda miljon valgusaasta kaugusel. Need põhimõtted lagunevad kvantvaldkonnas. Võib-olla kõige kuulsam näide on kvantne takerdumine, mis ütleb, et universumi vastaskülgedel olevad osakesed võivad olla sisemiselt seotud, nii et nad jagavad teavet koheselt - idee, mis pani Einsteini pilkama.
Kuid 1964. aastal tõestas füüsik John Stewart Bell, et kvantfüüsika oli tegelikult täielik ja toimiv teooria. Tema tulemused, mida nüüd nimetatakse Belli teoreemiks, tõestasid tõhusalt, et kvantomadused nagu takerdumine on sama reaalsed kui kuu ja tänapäeval kasutatakse kvantisüsteemide veidrat käitumist mitmesuguste reaalmaailma rakenduste jaoks. Siin on viis kõige intrigeerivamat:
NIST ja JILA jaanuaris avalikustatud strontsiumkell hoiab täpset aega järgmise 5 miljardi aasta jooksul. (Grupp Ye ja Brad Baxley, JILA) Ülitäpsed kellad
Usaldusväärne ajaarvestus on midagi enamat kui lihtsalt hommikune äratus. Kellad sünkroniseerivad meie tehnoloogilist maailma, hoides näiteks aktsiaturud ja GPS-süsteemid reas. Tavalised kellad kasutavad füüsiliste objektide, näiteks pendlite või kvartskristallide korrapäraseid võnkeid, et tekitada nende puugid ja tokkid. Tänapäeval suudavad maailma kõige täpsemad kellad, aatomkellad, aja mõõtmiseks kasutada kvantteooria põhimõtteid. Nad jälgivad spetsiifilist kiirgussagedust, mis on vajalik elektronide hüppamiseks energiatasemete vahel. USA Colorados asuva USA Riikliku Standardite ja Tehnoloogia Instituudi (NIST) kvantloogikakell kaotab sekundit või kogub seda vaid iga 3, 7 miljardi aasta tagant. Ja selle aasta alguses avalikustatud NIST-i strontsiumkell on sama täpne 5 miljardit aastat - kauem kui Maa praegune vanus. Sellised ülitundlikud aatomkellad aitavad GPS-i navigeerimise, telekommunikatsiooni ja mõõdistamise jaoks.
Aatomkellade täpsus sõltub osaliselt kasutatavate aatomite arvust. Vaakumkambris hoides mõõdab iga aatom iseseisvalt aega ja jälgib juhuslikke kohalikke erinevusi enda ja naabrite vahel. Kui teadlased segavad aatomkellisse 100 korda rohkem aatomeid, muutub see 10 korda täpsemaks, kuid aatomite arvu saab piirata. Teadlaste järgmine suur eesmärk on edukalt kasutada takerdumist täpsuse suurendamiseks. Takerdunud aatomid ei muretseks kohalike erinevuste pärast, vaid mõõdaksid ainult aja möödumist, viies need tõhusalt kokku ühe pendlina. See tähendab, et segatud kella lisamine 100 korda rohkem aatomeid muudab selle 100 korda täpsemaks. Takerdunud kellad võiks olla isegi ühendatud ülemaailmse võrguga, mis mõõdaks aega asukohast sõltumatult.
Vaatlejatel on raske kvantkirjavahetusse tungida. (VOLKER STEGER / Teadusfoto raamatukogu / Corbis) Uncracvable Codes
Traditsiooniline krüptograafia toimib võtmete abil: saatja kasutab teabe kodeerimiseks ühte võtit ja saaja kasutab teist sõnumi dekodeerimiseks. Pealtkuulaja ohtu on raske eemaldada ja võtmed võivad ohtu sattuda. Seda saab fikseerida potentsiaalselt purunematu kvantvõtme jaotuse (QKD) abil. QKD-s saadetakse teave võtme kohta juhuslikult polariseeritud footonite kaudu. See piirab footoni nii, et see vibreerib ainult ühel tasapinnal - näiteks üles ja alla või vasakult paremale. Saaja saab võtme dešifreerimiseks kasutada polariseeritud filtreid ja seejärel kasutada valitud algoritmi sõnumi turvaliseks krüptimiseks. Salajasi andmeid saadetakse endiselt tavaliste sidekanalite kaudu, kuid keegi ei saa sõnumit dekodeerida, kui neil pole täpset kvantvõtit. See on keeruline, sest kvantreeglid näevad ette, et polariseeritud footonite "lugemine" muudab nende olekut alati ja kõik pealtkuulamise katsed hoiatavad suhtlejaid turvarikkumistest.
Tänapäeval kasutavad sellised ettevõtted nagu BBN Technologies, Toshiba ja ID Quantique QKD-d üliturvaliste võrkude kujundamiseks. 2007. aastal proovis Šveits ID Quantique toodet, et pakkuda valimiste ajal võltsimiskindlat hääletussüsteemi. Ja esimene pangaülekanne takerdunud QKD abil tehti Austrias 2004. aastal. See süsteem tõotab osutuda ülimalt turvaliseks, sest kui footonid on takerdunud, siis näevad kõik klahvide kandmist jälgivad koheselt kõik interpoleerijate tehtud muudatused nende kvant olekus osakesed. Kuid see süsteem ei tööta veel suurte vahemaade tagant. Siiani on takerdunud footonid edastatud maksimaalselt 88 miili kaugusel.
D-Wave One arvutikiibi lähivõte. (D-Wave Systems, Inc.) Ülivõimsad arvutid
Tavaline arvuti kodeerib teabe kahendarvude või bittide jadana. Kvantarvutid töötlevad ülelaadimisega laadimist, kuna nad kasutavad olekute superpositsioonis eksisteerivaid kvantbitte ehk kvite, sest kuni nende mõõtmiseni võivad kvbitid olla korraga nii "1" kui ka "0".
See valdkond on alles arendamisel, kuid on tehtud samme õiges suunas. 2011. aastal tõi D-Wave Systems välja 128-bbitise protsessori D-Wave One, millele järgnes aasta hiljem 512-bbitine D-Wave Two. Ettevõtte sõnul on need maailmas esimesed müügil olevad kvantarvutid. Kuid see väide on vastu võetud skeptitsismiga, osaliselt seetõttu, et endiselt pole selge, kas D-Laine vutid on takerdunud. Mais avaldatud uuringud leidsid tõendeid takerdumisest, kuid ainult väheses alamhulgas arvuti vuttidest. Samuti on ebamäärane, kas kiibid näitavad usaldusväärseid kvantkiirusi. Sellegipoolest on NASA ja Google kokku saanud, et moodustada tehisintellekti kvantlabor, mis põhineb D-Wave teisel. Ja Bristoli ülikooli teadlased ühendasid möödunud aastal ühe oma traditsioonilise kvantkiibi Internetti, et igaüks, kellel on veebibrauser, saaks kvantkodeerimist õppida.
Jälgime takerdumist teravalt. (Ono jt, arxiv.org) Täiustatud mikroskoobid
Veebruaris töötas Jaapani Hokkaido ülikooli teadlaste meeskond välja maailma esimese takerdumisega täiustatud mikroskoobi, kasutades tehnikat, mida nimetatakse diferentsiaalsete häirete kontrastsuse mikroskoopiaks. Seda tüüpi mikroskoop vallandab ainel kaks footoni kiirt ja mõõdab peegeldunud kiirte tekitatavat häiremustrit - muster muutub sõltuvalt sellest, kas nad löövad tasasele või ebatasasele pinnale. Takerdunud footonite kasutamine suurendab märkimisväärselt teabe hulka, mida mikroskoop võib koguda, kuna ühe takerdunud footoni mõõtmine annab teavet tema partneri kohta.
Hokkaido meeskonnal õnnestus kujutleda graveeritud "Q", mis asus enneolematu teravusega taustal vaid 17 nanomeetrit kõrgemal. Sarnaseid tehnikaid võiks kasutada interferomeetriteks kutsutavate astronoomiariistade eraldusvõime parandamiseks, mis asetavad erinevad valguse lained nende omaduste paremaks analüüsimiseks üksteisele. Interferomeetreid kasutatakse ekstrasolaarsete planeetide jahil, lähedalasuvate tähtede sondimiseks ja kosmose ajal gravitatsioonilainetena kutsutavate vibratsioonide otsimiseks.
Euroopa robin võib olla kvantlooduslik. (Andrew Parkinson / Corbis) Bioloogilised kompassid
Inimesed pole ainsad, kes kasutavad kvantmehaanikat. Üks juhtiv teooria soovitab lindudel, nagu euroopa robin, kasutada rännaku ajal jälitamiseks õudset tegevust. Meetod hõlmab valgustundlikku valku, mida nimetatakse krüptokroomiks, mis võib sisaldada takerdunud elektrone. Kui footonid sisenevad silma, tabavad nad krüptokroomimolekule ja suudavad neid eraldada piisavalt energiat, moodustades paaris, kuid siiski takerdunud elektronidega kaks reageerivat molekuli ehk radikaali. Lindu ümbritsev magnetväli mõjutab seda, kui kaua need krüptokroomradikaalid kestavad. Arvatakse, et linnu võrkkesta rakud on takerdunud radikaalide olemasolu suhtes väga tundlikud, võimaldades loomadel tõhusalt 'näha' molekulidel põhinevat magnetkaarti.
See protsess pole siiski täielikult mõistetav ja on veel üks võimalus: lindude magnetiline tundlikkus võib olla tingitud nende nokades olevate väikeste magnetiliste mineraalide kristallidest. Siiski, kui takerdumine on tõesti mängus, viitavad eksperimendid sellele, et delikaatne olek peab linnusilmas kestma palju kauem kui isegi kõige paremate kunstlike süsteemide korral. Magnetkompass võib olla rakendatav ka teatud sisalike, koorikloomade, putukate ja isegi mõne imetaja puhul. Näiteks on inimese silmast leitud krüptokromi vormi, mida kasutatakse kärbeste magnetiliseks navigeerimiseks, ehkki pole ebaselge, kas see oli või oli kunagi sarnase eesmärgi jaoks kasulik.
