Kvantna mehanika je čudna. Teorija, ki opisuje delovanje drobnih delcev in sil, je Alberta Einsteina zloglasno naredila tako nelagodno, da je leta 1935 skupaj s sodelavci trdil, da mora biti nepopolna - preveč "grozna", da bi bila resnična.
Sorodne vsebine
- Znanstveniki ujamejo mačko Schrödingerja na kamero
- Sedem preprostih načinov, za katere vemo, da je bil Einstein pravi (zaenkrat)
- Čudna fizika lahko nevidno mačko naredi vidno
- Lockheed Martin ima noro hitre kvantne računalnike in načrte za njihovo dejansko uporabo
Težava je v tem, da se zdi, da kvantna fizika kljubuje zdravorazumskim pojmom vzročnosti, lokalnosti in realizma. Na primer, veste, da Luna obstaja tudi, ko je ne gledate - to je realizem. Vzročnost nam pove, da če žarnico preklopite, se bo žarnica zasvetila. In zahvaljujoč strogi omejitvi hitrosti svetlobe, če zdaj pritisnete stikalo, se ustrezni učinek ne bi mogel takoj pojaviti v milijon svetlobnih letih glede na kraj. Vendar se ta načela razgrajujejo v kvantnem kraljestvu. Morda je najbolj znan primer kvantnega zapletanja, ki pravi, da je delce na nasprotnih straneh vesolja možno povezati tako, da takoj delijo informacije - idejo, zaradi katere se je Einstein norčeval.
Toda leta 1964 je fizik John Stewart Bell dokazal, da je kvantna fizika v resnici popolna in izvedljiva teorija. Njegovi rezultati, ki se danes imenujejo Bell's Theorem, so učinkovito dokazali, da so kvantne lastnosti, kot je zapletenost, resnične kot luna, danes pa je bizarno vedenje kvantnih sistemov izkoriščeno za uporabo v različnih aplikacijah iz resničnega sveta. Tukaj je pet najbolj intrigantnih:
Stroncijeva ura, ki sta jo NIST in JILA razkrila januarja, bo imela natančen čas za naslednjih 5 milijard let. (Skupina Ye in Brad Baxley, JILA) Ultra natančne ure
Zanesljivo merjenje časa je več kot le vaš jutranji alarm. Ure sinhronizirajo naš tehnološki svet in tako usklajujejo stvari, kot so borze in GPS sistemi. Običajne ure uporabljajo običajna nihanja fizičnih predmetov, kot so nihala ali kremenovi kristali, da ustvarijo svoje "klope" in "nogavice". Danes so najbolj natančne ure na svetu, atomske ure, sposobne uporabiti načela kvantne teorije za merjenje časa. Spremljajo specifično frekvenco sevanja, ki je potrebna za skok elektronov med energijsko raven. Kvantno-logična ura na ameriškem Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) v Koloradu izgubi ali dobi na sekundo vsakih 3, 7 milijarde let. In ura stroncija NIST, predstavljena v začetku tega leta, bo 5 milijard let natančna - daljša od trenutne starosti Zemlje. Takšne super občutljive atomske ure pomagajo pri GPS navigaciji, telekomunikacijah in geodeziji.
Natančnost atomske ure se delno opira na število uporabljenih atomov. Vsak atom, ki je v vakuumski komori, neodvisno meri čas in pazi na naključne lokalne razlike med seboj in svojimi sosedi. Če znanstveniki v atomsko uro vpišejo 100-krat več atomov, to postane 10-krat bolj natančno - vendar obstaja omejitev, koliko atomov lahko stisnete. Naslednji velik cilj raziskovalcev je, da uspešno uporabijo zapletanje za večjo natančnost. Zapleteni atomi ne bi bili preokupirani z lokalnimi razlikami, ampak bi zgolj merili potek časa in jih dejansko združili kot eno samo nihalo. To pomeni, da bi 100-krat bolj natančno dodali 100-krat več atomov v zapleteno uro. Zapletene ure bi se lahko celo povezale v oblikovanje svetovne mreže, ki bi merila čas, neodvisno od lokacije.
Opazovalci se bodo težko lotili kvantne korespondence. (VOLKER STEGER / Knjižnica znanstvenih fotografij / Corbis) Kode, ki jih ni mogoče razrešiti
Tradicionalna kriptografija deluje s tipkami: pošiljatelj uporablja eno ključ za kodiranje informacij, prejemnik pa drugo za dekodiranje sporočila. Vendar je težko odstraniti tveganje za prisluškovalko, ključi pa so lahko ogroženi. To je mogoče odpraviti s potencialno neprekinljivo kvantno distribucijo ključev (QKD). V QKD se podatki o ključu pošiljajo prek fotonov, ki so bili naključno polarizirani. To omejuje foton tako, da vibrira le v eni ravnini - na primer gor in dol ali levo proti desni. Prejemnik lahko s pomočjo polariziranih filtrov dešifrira ključ in nato z izbranim algoritmom varno šifrira sporočilo. Tajni podatki se še vedno pošiljajo po običajnih komunikacijskih kanalih, vendar nihče ne more dekodirati sporočila, če nima natančnega kvantnega ključa. To je težavno, ker kvantna pravila narekujejo, da bo "branje" polariziranih fotonov vedno spremenilo njihovo stanje, vsak poskus prisluškovanja pa bo komunikatorje opozoril na varnostno kršitev.
Danes podjetja, kot so BBN Technologies, Toshiba in ID Quantique, uporabljajo QKD za načrtovanje ultra varnih omrežij. Švica je leta 2007 preizkusila izdelek ID Quantique, s katerim je med volitvami zagotovila sistem za glasovanje, ki ni varen. Prvo bančno nakazilo z zapletenim QKD-om je šlo v Avstriji leta 2004. Ta sistem obljublja, da je zelo varen, ker če bi se fotoni zapletli, bi bile spremembe v njihovih kvantnih stanjih, ki so jih naredili vmesniki, takoj vidne vsem, ki spremljajo prenos ključa delci. Toda ta sistem še ne deluje na velikih razdaljah. Do zdaj so zapleteni fotoni prenašali na največji razdalji približno 88 milj.
Posodobitev računalniškega čipa D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Super zmogljivi računalniki
Običajni računalnik kodira informacije kot niz binarnih številk ali bitov. Kvantni računalniki prenapolnjujejo procesno moč, ker uporabljajo kvantne bite ali kvite, ki obstajajo v superpoziciji stanj - dokler se ne izmerijo, so lahko kbiti hkrati "1" in "0".
To področje se še razvija, vendar so bili koraki v pravo smer. Leta 2011 je D-Wave Systems razkril D-Wave One, 128-kubični procesor, leto kasneje pa 512-kubitni D-Wave Two. V podjetju pravijo, da so to prvi na svetu dostopni kvantni računalniki. Vendar pa se ta trditev srečuje s skepticizmom, deloma zato, ker še vedno ni jasno, ali so kiti D-Wavea zapleteni. Študije, objavljene v maju, so našle dokaze o zmedenosti, vendar le v majhni skupini računalnikov. Obstaja tudi negotovost glede tega, ali čipi prikazujejo zanesljivo kvantno pospeševanje. Kljub temu sta se NASA in Google združili in ustanovili laboratorij za kvantno umetno inteligenco, ki temelji na dvojcu D-Wave. Znanstveniki z univerze v Bristolu so lani enega izmed svojih tradicionalnih kvantnih čipov priklopili na internet, tako da se lahko vsak, ki ima spletni brskalnik, nauči kvantnega kodiranja.
Pazljivo opazujte zapletenost. (Ono in sod., Arxiv.org) Izboljšani mikroskopi
Februarja je skupina raziskovalcev na japonski univerzi Hokkaido razvila prvi na svetu mikroskop, ki je bil zapleten, in sicer s tehniko, imenovano diferencialno interferenčno kontrastno mikroskopijo. Ta vrsta mikroskopa sproži dva snopa fotonov na snov in meri interferenčni vzorec, ki ga ustvarijo odbiti prameni - vzorec se spreminja, odvisno od tega, ali zadenejo v ravno ali neravno površino. Uporaba zapletenih fotonov močno poveča količino informacij, ki jih mikroskop lahko zbere, saj merjenje enega zapletenega fotona daje informacije o njegovem partnerju.
Ekipi Hokkaido je uspelo posneti vgravirano napis "Q", ki je stal le 17 nanometrov nad ozadjem, z neprimerljivo ostrino. Podobne tehnike bi lahko uporabili za izboljšanje ločljivosti astronomskih orodij, imenovanih interferometri, ki prekrivajo različne svetlobne valove, da bi bolje analizirali njihove lastnosti. Interferometri se uporabljajo pri lovu na ekstrasolarne planete, za sondiranje bližnjih zvezd in iskanje valovanja v vesolju, ki se imenuje gravitacijski valovi.
Evropska robinja je lahko kvantna naravna. (Andrew Parkinson / Corbis) Biološki kompasi
Ljudje niso edini, ki uporabljajo kvantno mehaniko. Ena od vodilnih teorij kaže, da ptice, kot je evropska robina, uporabljajo grozeče dejanje, da bi spremljale svoje poti, ko se selijo. Metoda vključuje svetlobno občutljiv protein, imenovan kriptohrom, ki lahko vsebuje zapletene elektrone. Ko fotoni vstopijo v oči, udarijo v molekule kriptokroma in lahko oddajo dovolj energije, da jih razdelijo in tvorijo dve reaktivni molekuli ali radikale z neprimernimi, vendar še vedno vpetimi elektroni. Magnetno polje, ki obdaja ptico, vpliva na to, kako dolgo zdržijo ti kriptohromski radikali. Šteje se, da so celice v mrežnici ptice zelo občutljive na prisotnost zapletenih radikalov, ki živalim omogoča, da učinkovito 'vidijo' magnetno karto na podlagi molekul.
Ta postopek sicer ni popolnoma razumljen in obstaja še ena možnost: Magnetna občutljivost ptic je lahko posledica majhnih kristalov magnetnih mineralov v kljunih. Kljub temu, da je zapletanje resnično v igri, poskusi kažejo, da mora občutljivo stanje ptičjega očesa trajati veliko dlje kot v najboljših umetnih sistemih. Magnetni kompas bi bil uporaben tudi za nekatere kuščarje, rake, žuželke in celo nekatere sesalce. Na primer, v človeškem očesu so našli tudi obliko kriptokroma, ki se uporablja za magnetno navigacijo pri muhah, čeprav ni jasno, ali je bila ali je bila nekoč uporabna za podoben namen.
