Դեռևս 1920-ականներին քվանտային մեխանիկա՝ տեսությունը, որն ընկած է ամեն ինչի հիմքում՝ սկսած ատոմների վարքագծից մինչև քվանտային համակարգիչների աշխատանքը, լայն տարածում ձեռք բերելու ճանապարհին էր: Բայց մի առեղծված մնաց. երբեմն քվանտային առարկաները, ինչպիսիք են էլեկտրոնները, ատոմները և մոլեկուլները, իրենց պահում են մասնիկների պես, մյուսները՝ ալիքների: Երբեմն նրանք նույնիսկ իրենց պահում են ինչպես մասնիկներ, այնպես էլ ալիքներ՝ միաժամանակ։ Ուստի այս քվանտային օբյեկտներն ուսումնասիրելիս երբեք պարզ չի եղել, թե ինչ մոտեցում պետք է օգտագործեն գիտնականներն իրենց հաշվարկներում։
Երբեմն գիտնականները պետք է ենթադրեին, որ քվանտային օբյեկտները ալիքներ են՝ ճիշտ արդյունք ստանալու համար։ Մյուս դեպքերում նրանք պետք է ենթադրեին, որ առարկաները իրականում մասնիկներ են։ Երբեմն երկու մոտեցումն էլ աշխատում էր: Բայց այլ դեպքերում միայն մեկ մոտեցում էր տալիս ճիշտ արդյունք, մինչդեռ մյուսը կեղծ արդյունք էր տալիս: Այս խնդրի պատմությունը վաղուց է գալիս, սակայն վերջին փորձերը նոր լույս են սփռել այս հին հարցի վրա:
Քվանտային պատմություն
1801 թվականին Թոմաս Յանգի կողմից առաջին անգամ անցկացված նույնանուն կրկնակի ճեղքվածքով փորձի ժամանակ լույսն իրեն ալիքների պես պահեց։ Այս փորձի ժամանակ լազերային ճառագայթն ուղղված է կրկնակի ճեղքի վրա, այնուհետև դիտարկվում է ստացված օրինաչափությունը: Եթե լույսը բաղկացած լիներ մասնիկներից, ապա կարելի էր ակնկալել երկու ճեղքաձև լույսի բլոկներ: Փոխարենը, արդյունքը շատ փոքր լույսի բլոկներ են, որոնք դասավորված են բնորոշ օրինակով: Ջրի հոսքի մեջ կրկնակի ճեղք դնելը կհանգեցնի նույն օրինակին հենց ներքևում: Այսպիսով, այս փորձը հանգեցրեց այն եզրակացության, որ լույսը ալիք է:
Հետո, 1881 թվականին, Հենրիխ Հերցը զվարճալի հայտնագործություն արեց. Երբ նա վերցրեց երկու էլեկտրոդ և նրանց միջև բավականաչափ բարձր լարում կիրառեց, կայծեր հայտնվեցին։ Սա նորմալ է։ Բայց երբ Հերցը լույս սփռեց այս էլեկտրոդների վրա, կայծի լարումը փոխվեց: Դա բացատրվում էր նրանով, որ լույսը էլեկտրոնները դուրս է մղել էլեկտրոդի նյութից։ Բայց, տարօրինակ կերպով, արտանետվող էլեկտրոնների առավելագույն արագությունը չի փոխվում, եթե փոխվում էր լույսի ինտենսիվությունը, այլ փոխվում էր լույսի հաճախականությամբ: Այս արդյունքը անհնար կլիներ, եթե ալիքի տեսությունը ճշմարիտ լիներ: 1905 թվականին Ալբերտ Էյնշտեյնը լուծում ունեցավ. լույսն իրականում մասնիկ էր: Այս ամենը անբավարար էր։ Գիտնականները գերադասում են մի տեսություն, որը միշտ ճիշտ է, քան երկու տեսություն, որոնք երբեմն ճշմարիտ են: Եվ եթե տեսությունը միայն երբեմն է ճշմարիտ, ապա մենք գոնե կցանկանայինք ասել, թե ինչ պայմաններում է այն ճիշտ։
Բայց հենց սա էր այս հայտնագործության խնդիրը: Ֆիզիկոսները չգիտեին, թե երբ պետք է լույսը կամ որևէ այլ առարկա համարել որպես ալիք, իսկ երբ՝ որպես մասնիկ։ Նրանք գիտեին, որ որոշ բաներ առաջացնում են ալիքային վարքագիծ, օրինակ՝ ճեղքերի եզրերը: Բայց նրանք չունեին հստակ բացատրություն, թե ինչու է դա այդպես կամ երբ օգտագործել որևէ տեսություն:
Այս հանելուկը կոչվում է կորպուսուլյար-ալիքային դուալիզմ, դեռ պահպանված է։ Սակայն նոր ուսումնասիրությունը կարող է որոշակի լույս սփռել իրավիճակի վրա: Կորեայի հիմնարար գիտությունների ինստիտուտի գիտնականները ցույց են տվել, որ լույսի աղբյուրի հատկությունները ազդում են, թե որքանով է այն մասնիկ և որքանով է այն ալիք: Այս խնդրի ուսումնասիրման նոր մոտեցմամբ նրանք ճանապարհ են հարթել, որը կարող է նույնիսկ հանգեցնել քվանտային հաշվարկների բարելավմանը: Կամ նման հույսեր.
Հետաքրքիր է նաև. Google-ի քվանտային պրոցեսորները ժամանակի բյուրեղներ են պահանջում տեսությունից դուրս
Ինչպես պատրաստել մասնիկներ և ալիքներ
Գիտափորձի ժամանակ գիտնականներն օգտագործել են կիսաարտացոլող հայելի՝ լազերային ճառագայթը երկու մասի բաժանելու համար: Այս ճառագայթներից յուրաքանչյուրը հարվածում է բյուրեղին, որն իր հերթին արտադրում է երկու ֆոտոն։ Ընդհանուր առմամբ արտանետվում է չորս ֆոտոն՝ յուրաքանչյուր բյուրեղից երկուական:
Գիտնականները յուրաքանչյուր բյուրեղից մեկական ֆոտոն են ուղարկել ինտերֆերոմետր: Այս սարքը միավորում է երկու լույսի աղբյուրներ և ստեղծում միջամտության օրինակ: Այս օրինաչափությունն առաջին անգամ հայտնաբերել է Թոմաս Յանգը իր վերոհիշյալ երկու ճեղքվածքով փորձի ժամանակ։ Սա նաև այն է, ինչ տեսնում եք, երբ երկու քար եք նետում լճակի մեջ՝ ջրի ալիքներ, որոնցից մի քանիսն ամրացնում են միմյանց, իսկ մյուսները՝ չեզոքացնում: Այլ կերպ ասած, ինտերֆերոմետրը հայտնաբերում է լույսի ալիքային բնույթը:
Մյուս երկու ֆոտոնների ուղիներն օգտագործվել են դրանց կորպուսուլյար բնութագրերը որոշելու համար։ Թեև հոդվածի հեղինակները չեն հստակեցրել, թե ինչպես են դա արել, դա սովորաբար արվում է՝ ֆոտոն անցնելով նյութի միջով, որը ցույց է տալիս, թե ուր է գնացել ֆոտոնը: Օրինակ, դուք կարող եք նկարահանել ֆոտոն գազի միջով, որն այնուհետ կբռնկվի այնտեղ, որտեղ անցել է ֆոտոնը: Կենտրոնանալով հետագծի վրա, այլ ոչ թե վերջնական նպատակակետի վրա, ֆոտոնը կարող է լինել ալիք: Դա պայմանավորված է նրանով, որ եթե դուք չափում եք ֆոտոնի ճշգրիտ վայրը ժամանակի յուրաքանչյուր պահին, ապա այն կետային է և չի կարող հարվածել ինքն իրեն:
Սա քվանտային ֆիզիկայի բազմաթիվ օրինակներից մեկն է, որտեղ չափումն ակտիվորեն ազդում է նշված չափումների արդյունքի վրա: Հետևաբար, փորձի այս հատվածում ֆոտոնների հետագծի վերջում ինտերֆերենցիայի օրինաչափությունը բացակայում էր։ Այսպիսով, հետազոտողները պարզել են, թե ինչպես կարող է ֆոտոնը մասնիկ լինել։ Այժմ խնդիրն այն էր, որ քանակականացնենք, թե այս մասնիկն ինչ մասնիկ է և որքան է մնացել ալիքային բնույթից:
Քանի որ նույն բյուրեղի երկու ֆոտոններն էլ արտադրվում են միասին, նրանք կազմում են մեկ քվանտային վիճակ: Սա նշանակում է, որ հնարավոր է գտնել մաթեմատիկական բանաձեւ, որը նկարագրում է այս երկու ֆոտոնները միաժամանակ։ Արդյունքում, եթե հետազոտողները կարողանան քանակականացնել, թե որքան ուժեղ են երկու ֆոտոնների «կողմնակալությունը» և «ալիքի երկարությունը», ապա այդ քանակությունը կարող է կիրառվել բյուրեղին հասնող ամբողջ ճառագայթի վրա։
Իսկապես, հետազոտողներին հաջողվել է: Նրանք չափեցին, թե որքան ալիքավոր է ֆոտոնը՝ ստուգելով միջամտության օրինաչափության տեսանելիությունը: Երբ տեսանելիությունը բարձր էր, ֆոտոնը շատ ալիքային էր: Երբ նախշը հազիվ տեսանելի էր, նրանք եզրակացրին, որ ֆոտոնը պետք է շատ նման լինի մասնիկի:
Եվ այս տեսանելիությունը պատահական էր։ Այն ամենաբարձրն էր, երբ երկու բյուրեղներն էլ ստացան լազերային ճառագայթի նույն ինտենսիվությունը: Այնուամենայնիվ, եթե մի բյուրեղից ստացվող ճառագայթը շատ ավելի ինտենսիվ էր, քան մյուսը, ապա օրինաչափության տեսանելիությունը դառնում էր շատ թույլ, և ֆոտոնները ավելի հավանական է, որ նմանվեն մասնիկների:
Այս արդյունքը զարմանալի է, քանի որ փորձերի մեծ մասում լույսը չափվում է միայն ալիքների կամ մասնիկների տեսքով: Այսօր մի քանի փորձերի ժամանակ երկու պարամետրերը չափվել են միաժամանակ։ Սա նշանակում է, որ հեշտ է որոշել, թե լույսի աղբյուրի յուրաքանչյուր հատկության որքան մասն ունի:
Հետաքրքիր է նաև. QuTech-ը գործարկում է բրաուզեր քվանտային ինտերնետի համար
Տեսական ֆիզիկոսները հիացած են
Այս արդյունքը համապատասխանում է տեսաբանների ավելի վաղ արված կանխատեսմանը։ Նրանց տեսության համաձայն՝ քվանտային օբյեկտի ալիքային և կորպուսային լինելը կախված է աղբյուրի մաքրությունից։ Մաքրությունն այս համատեքստում պարզապես շքեղ միջոց է արտահայտելու հավանականությունը, որ կոնկրետ բյուրեղային աղբյուրը կլինի լույս արձակողը: Բանաձևը հետևյալն է. V2 + P2 = µ2, որտեղ V-ը ուղղորդված օրինաչափության տեսանելիությունն է, P-ը ճանապարհի տեսանելիությունն է, µ-ը աղբյուրի մաքրությունն է:
Սա նշանակում է, որ լույսի նման քվանտային օբյեկտը կարող է որոշ չափով լինել ալիքային և որոշ չափով մասնիկների նման, բայց դա սահմանափակվում է աղբյուրի մաքրությամբ: Քվանտային օբյեկտը ալիքային է, եթե տեսանելի է միջամտության օրինաչափություն կամ եթե V-ի արժեքը հավասար չէ զրոյի: Բացի այդ, այն մասնիկների նման է, եթե ուղին դիտարկելի է կամ եթե P-ն զրոյական չէ:
Այս կանխատեսման մեկ այլ հետևանքն այն է, որ մաքրությունն այն է, որ եթե քվանտային ուղու խճճվածությունը բարձր է, ապա մաքրությունը ցածր է և հակառակը: Փորձն իրականացրած գիտնականները դա մաթեմատիկորեն ցույց են տվել իրենց աշխատանքում։ Կարգավորելով բյուրեղների մաքրությունը և չափելով արդյունքները՝ նրանք կարողացան ցույց տալ, որ այս տեսական կանխատեսումները իսկապես ճիշտ էին։
Հետաքրքիր է նաև. NASA-ն քվանտային համակարգիչներ կգործարկի տվյալների «լեռները» մշակելու և պահելու համար
Ավելի արագ քվանտային համակարգիչներ.
Հատկապես հետաքրքիր է կապը քվանտային օբյեկտի խճճվածության և նրա կորպուսուլյայնության և ալիքավորության միջև: Քվանտային սարքերը, որոնք կարող են հզորացնել քվանտային ինտերնետը, հիմնված են խճճվածության վրա: Քվանտային ինտերնետը քվանտային անալոգիա է այն բանի, թե ինչ է ինտերնետը դասական համակարգիչների համար: Միացնելով բազմաթիվ քվանտային համակարգիչներ և թույլ տալով նրանց կիսել տվյալները՝ գիտնականները հույս ունեն ավելի շատ հզորություն ձեռք բերել, քան կարելի էր ստանալ մեկ քվանտային համակարգչի միջոցով:
Սակայն օպտիկական մանրաթելից բիթ ուղարկելու փոխարեն, ինչը մենք անում ենք դասական ինտերնետը սնուցելու համար, մենք պետք է խճճենք քյուբիթները՝ քվանտային ինտերնետը ձևավորելու համար: Մասնիկի խճճվածությունը և ֆոտոնի ալիքայնությունը չափելու ունակությունը նշանակում է, որ մենք կարող ենք գտնել քվանտային ինտերնետի որակը վերահսկելու ավելի պարզ ուղիներ:
Բացի այդ, քվանտային համակարգիչներն իրենք կարող են ավելի լավը դառնալ՝ օգտագործելով մասնիկ-ալիքային դուալիզմ: Չինական Ցինհուա համալսարանի հետազոտողների առաջարկի համաձայն՝ հնարավոր է փոքր քվանտային համակարգիչն անցկացնել բազմաճեղք ցանցի միջով՝ դրա հզորությունը մեծացնելու համար։ Փոքր քվանտային համակարգիչը բաղկացած կլինի մի քանի ատոմներից, որոնք իրենք օգտագործվում են որպես քյուբիթ, և այդպիսի սարքեր արդեն գոյություն ունեն:
Այս ատոմների բազմաճեղք վանդակի միջով անցնելը շատ նման է կրկնակի ճեղքով լույսի անցմանը, թեև, իհարկե, մի փոքր ավելի բարդ է: Սա ավելի շատ հնարավոր քվանտային վիճակներ կստեղծի, ինչը, իր հերթին, կբարձրացնի «գործարկված» համակարգչի հզորությունը։ Սրա հիմքում ընկած մաթեմատիկան չափազանց բարդ է այս հոդվածում բացատրելու համար, բայց կարևոր արդյունքն այն է, որ նման երկքվանտային համակարգիչը կարող է ավելի լավ լինել զուգահեռ հաշվարկներում, քան սովորական քվանտային համակարգիչները: Զուգահեռ հաշվարկը տարածված է նաև դասական հաշվարկների մեջ և հիմնականում վերաբերում է համակարգչի կարողությանը միաժամանակ մի քանի հաշվարկներ կատարելու՝ ընդհանուր առմամբ այն ավելի արագ դարձնելով:
Այսպիսով, չնայած սա շատ հիմնարար հետազոտություն է, հնարավոր կիրառություններն արդեն հորիզոնում են: Այս պահին դա անհնար է ապացուցել, բայց այս հայտնագործությունները կարող են արագացնել քվանտային համակարգիչները և մի փոքր արագացնել քվանտային ինտերնետի առաջացումը:
Հետաքրքիր է նաև. Չինաստանը ստեղծել է քվանտային համակարգիչ, որը միլիոն անգամ ավելի հզոր է, քան Google-ը
Շատ հիմնարար, բայց շատ հետաքրքիր
Այս ամենին պետք է ընդունել մեծ թերահավատությամբ։ Հետազոտությունը ամուր է, բայց նաև շատ հիմնարար: Ինչպես սովորաբար լինում է գիտության և տեխնոլոգիայի մեջ, հիմնարար հետազոտությունից մինչև իրական աշխարհի կիրառում կա երկար ճանապարհ:
Սակայն կորեացի հետազոտողները բացահայտեցին մի շատ հետաքրքիր բան. մասնիկ-ալիքային դուալիզմի առեղծվածը շուտով չի անհետանա: Ընդհակառակը, թվում է, թե այն այնքան խորն է արմատավորված բոլոր քվանտային օբյեկտներում, որ ավելի լավ է օգտագործել այն։ Աղբյուրի մաքրության հետ կապված նոր քանակական հիմքի դեպքում դա ավելի հեշտ կլինի անել:
Օգտագործման առաջին դեպքերից մեկը կարող է տեղի ունենալ քվանտային հաշվարկում: Ինչպես ցույց են տվել գիտնականները, քվանտային խճճվածությունը և մասնիկ-ալիքային դուալիզմը փոխկապակցված են: Այսպիսով, խճճվածության փոխարեն կարելի էր չափել ալիքայնության և կորպուսկուլյարության չափը: Սա կարող է օգնել գիտնականներին, որոնք աշխատում են քվանտային ինտերնետ ստեղծելու վրա: Կամ կարող եք օգտագործել երկակիություն բարելավել քվանտային համակարգիչները և դրանք ավելի արագ դարձնել: Ամեն դեպքում, թվում է, թե հետաքրքիր քվանտային ժամանակները հենց անկյունում են:
Կարդացեք նաև.
Շնորհակալություն հոդվածի համար: «Հնարավոր ծրագրերն արդեն հորիզոնում են»՝ հավանաբար ոչ թե ծրագրեր, այլ հավելվածներ։
Շնորհակալություն, շատ հետաքրքիր է: Ավելի շատ նման հոդվածներ.
Շնորհակալություն! Մենք կփորձենք ;)