Aftur á 1920. áratugnum var skammtafræði, kenningin sem liggur til grundvallar öllu frá hegðun atóma til virkni skammtatölva, á leiðinni til að ná víðtækri viðurkenningu. En ein ráðgáta var eftir: stundum haga skammtahlutir, eins og rafeindir, atóm og sameindir, eins og agnir, aðrir eins og bylgjur. Stundum haga þeir sér jafnvel eins og agnir og öldur á sama tíma. Þess vegna var aldrei ljóst hvaða nálgun vísindamenn ættu að nota við útreikninga þegar þessi skammtafyrirbæri voru skoðuð.
Stundum þurftu vísindamenn að gera ráð fyrir að skammtahlutir væru bylgjur til að fá rétta niðurstöðu. Í öðrum tilfellum urðu þeir að gera ráð fyrir að hlutirnir væru í raun agnir. Stundum virkaði önnur hvor aðferðin. En í öðrum tilfellum gaf aðeins ein aðferð rétta niðurstöðu, en hin skilaði svikaðri niðurstöðu. Saga þessa vandamáls nær langt aftur í tímann, en nýlegar tilraunir hafa varpað nýju ljósi á þessa gömlu spurningu.
Skammtasögu
Í samnefndri tvöföldu rifu tilraun, sem Thomas Young framkvæmdi fyrst árið 1801, hagaði ljós sér eins og bylgjur. Í þessari tilraun er leysigeisla beint að tvöfaldri rauf og síðan er litið á mynstur sem myndast. Ef ljós væri úr ögnum mætti búast við tveimur riflaga ljósblokkum. Þess í stað er útkoman margir litlir ljóskubbar sem raðað er í einkennandi mynstur. Að setja tvöfalda rauf í vatnsstrauminn myndi leiða til sama mynsturs rétt fyrir neðan. Þannig að þessi tilraun leiddi til þeirrar niðurstöðu að ljós er bylgja.
Síðan, árið 1881, gerði Heinrich Hertz skemmtilega uppgötvun. Þegar hann tók tvö rafskaut og lagði nægilega háa spennu á milli þeirra komu neistar. Þetta er eðlilegt. En þegar Hertz lét ljós á þessum rafskautum breyttist neistaspennan. Þetta skýrðist af því að ljósið sló rafeindir út úr rafskautsefninu. En merkilegt nokk breyttist ekki hámarkshraði rafeinda sem kastast út ef styrkur ljóssins breyttist heldur breyttist með tíðni ljóssins. Þessi niðurstaða væri ómöguleg ef öldukenningin væri sönn. Árið 1905 var Albert Einstein með lausn: ljós var í raun ögn. Allt var þetta ófullnægjandi. Vísindamenn kjósa eina kenningu sem er alltaf sönn en tvær kenningar sem eru stundum sannar. Og ef kenning er bara stundum sönn, þá viljum við að minnsta kosti geta sagt við hvaða aðstæður hún er sönn.
En þetta var einmitt vandamálið við þessa uppgötvun. Eðlisfræðingar vissu ekki hvenær þeir ættu að líta á ljós eða annan hlut sem bylgju og hvenær sem ögn. Þeir vissu að sumt veldur öldulíkri hegðun, svo sem brúnir rifa. En þeir höfðu ekki skýra skýringu á því hvers vegna þetta er svo eða hvenær á að nota einhverja kenningu.
Þessi gáta er kölluð Corpuscular-bylgju tvíhyggja, er enn varðveitt. En ný rannsókn gæti varpað ljósi á ástandið. Vísindamenn frá Kóreustofnuninni í grunnvísindum hafa sýnt fram á að eiginleikar ljósgjafans hafa áhrif á hversu mikið það er ögn og hversu mikið það er bylgja. Með nýrri nálgun til að rannsaka þetta vandamál hafa þeir rutt braut sem gæti jafnvel leitt til umbóta í skammtatölvu. Eða slíkar vonir.
Einnig áhugavert: Skammtaörgjörvar Google taka tímakristalla umfram fræði
Hvernig á að búa til agnir og bylgjur
Í tilrauninni notuðu vísindamennirnir hálfendurskinsspegil til að skipta leysigeislanum í tvo hluta. Hver þessara geisla lendir á kristalnum, sem aftur framleiðir tvær ljóseindir. Alls sendast fjórar ljóseindir, tvær frá hverjum kristal.
Vísindamennirnir sendu eina ljóseind úr hverjum kristal inn í interferometerinn. Þetta tæki sameinar tvo ljósgjafa og skapar truflunarmynstur. Þetta mynstur uppgötvaði Thomas Young fyrst í áðurnefndri tveggja rifa tilraun sinni. Þetta er líka það sem þú sérð þegar þú kastar tveimur steinum í tjörn: vatnsgárur, sem sumir styrkja hvort annað og aðrir gera hvor aðra óvirkan. Með öðrum orðum, interferometerinn greinir bylgjueðli ljóss.
Slóðir hinna tveggja ljóseindanna voru notaðar til að ákvarða líkamseiginleika þeirra. Þó að höfundar blaðsins hafi ekki tilgreint hvernig þeir gerðu þetta er það venjulega gert með því að láta ljóseind fara í gegnum efni sem sýnir hvert ljóseind fór. Til dæmis er hægt að skjóta ljóseind í gegnum gas sem kviknar síðan þar sem ljóseind fór framhjá. Með því að einblína á ferilinn frekar en lokaáfangastaðinn getur ljóseindin verið bylgja. Þetta er vegna þess að ef þú mælir nákvæma staðsetningu ljóseindarinnar á hverju augnabliki, þá er hún punktlík og getur ekki hitt sjálfa sig.
Þetta er eitt af mörgum dæmum í skammtaeðlisfræði þar sem mæling hefur virkan áhrif á útkomu þessarar mælingar. Þess vegna, í þessum hluta tilraunarinnar, var truflunarmynstrið í lok ljóseindaferilsins fjarverandi. Þannig komust rannsakendur að því hvernig ljóseind getur verið ögn. Áskorunin núna var að mæla hversu mikið af þessu væri ögn og hversu mikið væri eftir af öldueðli.
Þar sem báðar ljóseindir sama kristals eru framleiddar saman mynda þær eitt skammtaástand. Þetta þýðir að það er hægt að finna stærðfræðilega formúlu sem lýsir báðum þessum ljóseindum samtímis. Þar af leiðandi, ef vísindamenn geta mælt hversu sterk "hlutdeild" og "bylgjulengd" tveggja ljóseinda eru, þá er hægt að beita þeirri magngreiningu á allan geislann sem nær til kristalsins.
Reyndar tókst rannsakendum það. Þeir mældu hversu bylgjað ljóseind var með því að athuga sýnileika truflunarmynstrsins. Þegar skyggni var mikið var ljóseindin mjög öldulík. Þegar mynstrið sást varla komust þeir að þeirri niðurstöðu að ljóseindin hlyti að vera mjög lík ögn.
Og þetta skyggni var óvart. Það var hæst þegar báðir kristallarnir fengu sama styrkleika leysigeislans. Hins vegar, ef geislinn frá einum kristal var mun sterkari en hinn, varð sýnileiki mynstrsins mjög daufur, og ljóseindin voru líklegri til að líta út eins og agnir.
Þessi niðurstaða kemur á óvart því í flestum tilraunum er ljós aðeins mælt í formi bylgna eða agna. Í dag, í nokkrum tilraunum, voru báðar breyturnar mældar samtímis. Þetta þýðir að auðvelt er að ákvarða hversu mikið af hverri eign ljósgjafa hefur.
Einnig áhugavert: QuTech opnar vafra fyrir skammtanetið
Fræðilegir eðlisfræðingar eru ánægðir
Þessi niðurstaða samsvarar þeirri spá sem kenningasmiðir gerðu áður. Samkvæmt kenningum þeirra fer það eftir hreinleika upprunans hversu bylgjukenndur og frumulaga skammtahlutur er. Hreinleiki í þessu samhengi er bara fín leið til að tjá líkurnar á því að tiltekin kristallaður uppspretta sé sá sem gefur frá sér ljósið. Formúlan er sem hér segir: V2 + P2 = µ2, þar sem V er sýnileiki stefnumynstrsins, P er sýnileiki leiðarinnar og µ er hreinleiki upprunans.
Þetta þýðir að skammtahlutur eins og ljós getur verið bylgjukenndur að einhverju leyti og agnalíkur að einhverju leyti, en það takmarkast af hreinleika upprunans. Skammtahlutur er öldulíkur ef truflunarmynstur er sýnilegt eða ef gildi V er ekki jafnt og núlli. Einnig er það agnalíkt ef slóðin er sjáanleg eða ef P er ekki núll.
Önnur afleiðing þessarar spá er sú að hreinleiki er sá að ef flækja skammtabrautarinnar er mikil er hreinleikinn lítill og öfugt. Vísindamennirnir sem gerðu tilraunina sýndu þetta stærðfræðilega í verkum sínum. Með því að stilla hreinleika kristallanna og mæla niðurstöðurnar gátu þeir sýnt fram á að þessar fræðilegu spár voru sannarlega réttar.
Einnig áhugavert: NASA mun setja á markað skammtatölvur til að vinna úr og geyma „fjöll“ af gögnum
Hraðvirkari skammtatölvur?
Tengingin á milli flækju skammtahluts við frumu- og bylgjueiginleika hans er sérstaklega áhugaverð. Skammtatækin sem gætu knúið skammtanetið eru byggð á flækju. Skammtanetið er skammtasamlíking við það sem internetið er fyrir klassískar tölvur. Með því að tengja margar skammtatölvur saman og leyfa þeim að deila gögnum vonast vísindamenn til að ná meiri krafti en hægt væri að ná með einni skammtatölvu.
En í stað þess að senda bita niður ljósleiðara, sem er það sem við gerum til að knýja klassíska internetið, þurfum við að flækja qubita til að mynda skammtanetið. Að geta mælt flækju agna og bylgjustyrk ljóseindarinnar þýðir að við getum fundið einfaldari leiðir til að stjórna gæðum skammtanetsins.
Að auki geta skammtatölvur sjálfar orðið betri með því að nota agnabylgjutvíhyggju. Samkvæmt tillögu vísindamanna frá Tsinghua háskólanum í Kína er hægt að keyra litla skammtatölvu í gegnum margrifna grind til að auka kraft hennar. Lítil skammtatölva myndi samanstanda af nokkrum atómum sem eru sjálf notuð sem qubits og slík tæki eru þegar til.
Að koma þessum frumeindum í gegnum margrifna grind er mjög líkt því að berast ljós í gegnum tvöfalda rauf, þó auðvitað aðeins flóknara. Þetta mun skapa fleiri möguleg skammtaástand, sem aftur mun auka kraft "kveiktu" tölvunnar. Stærðfræðin á bakvið þetta er of flókin til að útskýra í þessari grein, en mikilvæg niðurstaðan er sú að slík tveggja skammtatölva getur verið betri í samhliða tölvuvinnslu en hefðbundnar skammtatölvur. Samhliða computing er einnig algeng í klassískri tölvuvinnslu og vísar í grundvallaratriðum til getu tölvu til að framkvæma marga útreikninga samtímis, sem gerir hana hraðari í heildina.
Svo, þó að þetta sé mjög grunnrannsókn, eru mögulegar umsóknir nú þegar á sjóndeildarhringnum. Í augnablikinu er ómögulegt að sanna, en þessar uppgötvanir gætu flýtt fyrir skammtatölvum og örlítið flýtt fyrir tilkomu skammtanetsins.
Einnig áhugavert: Kína hefur búið til skammtatölvu sem er milljón sinnum öflugri en Google
Mjög grundvallaratriði, en mjög áhugavert
Þessu öllu ber að taka með mikilli tortryggni. Rannsóknin er traust, en hún er líka mjög grunn. Eins og venjulega í vísindum og tækni er langur vegur frá grunnrannsóknum til raunverulegra nota.
En vísindamenn frá Kóreu uppgötvuðu eitt mjög áhugavert: leyndardómurinn um agnabylgjutvíhyggju mun ekki hverfa í bráð. Þvert á móti virðist hún eiga svo djúpar rætur í öllum skammtahlutum að það er betra að nota það. Með nýja magngrunninum sem tengist hreinleika upprunans verður þetta auðveldara að gera.
Eitt af fyrstu notkunartilvikunum getur átt sér stað í skammtafræði. Eins og vísindamenn hafa sýnt, eru skammtaaflækjur og agnabylgjutvíhyggja tengd. Í stað þess að flækjast væri því hægt að mæla magn bylgju og líkamshluta. Þetta gæti hjálpað vísindamönnum sem vinna að því að búa til skammtafræðinet. Eða þú getur notað tvíeðli að bæta skammtatölvur og gera þær hraðari. Hvort heldur sem er, það lítur út fyrir að spennandi skammtatímar séu handan við hornið.
Lestu líka:
Takk fyrir greinina! "Möguleg forrit eru nú þegar á sjóndeildarhringnum" - líklega ekki forrit, heldur forrit?
Takk, mjög áhugavert. Fleiri slíkar greinar.
Þakka þér fyrir! Við munum reyna ;)