Kvanttimekaniikka on outoa. Teoria, joka kuvaa pienten hiukkasten ja voimien toimintaa, teki Albert Einsteinin tunnetusti niin levottomaksi, että vuonna 1935 hän ja hänen kollegansa väittivät, että sen on oltava epätäydellinen - se oli liian ”pelottava” ollakseen todellinen.
Asiaan liittyvä sisältö
- Tutkijat saavat Schrödingerin kissan kameraan
- Seitsemän yksinkertaista tapaa, joilla tiedämme, että Einstein oli oikeassa (toistaiseksi)
- Oudot fysiikat voivat tehdä näkymättömän kissan näkyväksi
- Lockheed Martinilla on hullu-nopea kvantitietokone ja suunnitelma käyttää niitä tosiasiallisesti
Ongelmana on, että kvanttifysiikka näyttää uhmaavan kausaalisuuden, paikallisuuden ja realismin järkeviä käsityksiä. Tiedät esimerkiksi, että kuu on olemassa myös silloin, kun et katso sitä - se on realismi. Syy-yhteys kertoo meille, että jos vilkutat valokytkintä, polttimo palaa. Ja valonopeuden kovan rajan ansiosta, jos heilutat kytkintä nyt, siihen liittyvä vaikutus ei voinut tapahtua heti miljoonan valovuoden päässä paikan mukaan. Nämä periaatteet kuitenkin hajoavat kvanttivaltakunnassa. Ehkä tunnetuin esimerkki on kvanttipitoisuus, jossa sanotaan, että maailmankaikkeuden vastakkaisilla puolilla olevat hiukkaset voidaan yhdistää luonnostaan siten, että ne jakavat tiedon välittömästi - idea, joka sai Einsteinin pilkkaamaan.
Mutta vuonna 1964 fyysikko John Stewart Bell osoitti, että kvanttifysiikka oli itse asiassa täydellinen ja toimiva teoria. Hänen tuloksensa, jota nykyään kutsutaan Bellin lauseeksi, osoitti käytännössä, että kvanttiominaisuudet, kuten takertuminen, ovat yhtä todellisia kuin kuu, ja nykyään kvanttijärjestelmien omituinen käyttäytyminen on valjastettu käytettäväksi monissa reaalimaailman sovelluksissa. Tässä on viisi mielenkiintoisinta:
NIST: n ja JILA: n tammikuussa julkistama strontiumkello pitää tarkan ajan seuraavan viiden miljardin vuoden ajan. (Ye-ryhmä ja Brad Baxley, JILA) Erittäin tarkat kellot
Luotettava aikataulu on muutakin kuin aamuhälytystäsi. Kellot synkronoivat teknologiamaailmaamme pitämällä asiat kuten osakemarkkinat ja GPS-järjestelmät linjassa. Vakiokellot käyttävät fyysisten esineiden, kuten heilurien tai kvartsikiteiden säännöllisiä värähtelyjä, niiden "punkkien" ja "tokkien" tuottamiseksi. Nykyään maailman tarkat kellot, atomikellat, kykenevät käyttämään kvantiteorian periaatteita ajan mittaamiseen. He tarkkailevat erityistä säteilytaajuutta, jota tarvitaan elektronien hyppäämiseen energiatasojen välillä. Coloradossa sijaitsevan Yhdysvaltain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin (NIST) kvanttilogiikkakello menettää tai kasvaa vain sekunnin välein 3, 7 miljardia vuotta. Ja NIST-strontiumkello, joka paljastettiin aiemmin tänä vuonna, tulee olemaan tarkka 5 miljardia vuotta - pidempi kuin maan nykyinen ikä. Tällaiset erittäin herkät atomikellat auttavat GPS-navigoinnissa, tietoliikenteessä ja maanmittauksessa.
Atomikellojen tarkkuus riippuu osittain käytettyjen atomien lukumäärästä. Pidetään tyhjiökammiossa, jokainen atomi mittaa itsenäisesti aikaa ja seuraa silmänsä satunnaisia paikallisia eroja itsensä ja naapureidensa välillä. Jos tutkijat purraat sata kertaa enemmän atomeja atomikelloon, se muuttuu 10 kertaa tarkemmaksi - mutta kuinka monelle atomille voit puristua, on raja. Tutkijoiden seuraavaksi suuri tavoite on käyttää takertumista onnistuneesti tarkkuuden lisäämiseksi. Takertuneita atomeja ei kiinnitetä huomiota paikallisiin eroihin, vaan ne mittaavat pelkästään ajan kulkua, yhdistämällä ne tehokkaasti yhdeksi heiluriksi. Tämä tarkoittaa, että lisäämällä 100 kertaa enemmän atomeja takertuneeseen kelloon, se tekisi 100 kertaa tarkemman. Kiertyneet kellot voidaan jopa yhdistää maailmanlaajuiseksi verkostoksi, joka mittaa aikaa sijainnista riippumatta.
Tarkkailijoilla on vaikea aika tunkeutua kvanttivastaavuuteen. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Löysämättömät koodit
Perinteinen salaustekniikka käyttää näppäimiä: Lähettäjä käyttää yhtä avainta koodaamaan tietoja ja vastaanottaja käyttää toista purkamaan viestin. Kuuntelijan riski on kuitenkin vaikea poistaa, ja avaimet voivat olla vaarassa. Tämä voidaan korjata käyttämällä mahdollisesti murtumatonta kvantiavainjakaumaa (QKD). QKD: ssä tiedot avaimesta lähetetään fotonien kautta, jotka ovat sattumanvaraisesti polarisoituneet. Tämä rajoittaa fotonia siten, että se värähtelee vain yhdessä tasossa - esimerkiksi ylös ja alas tai vasemmalta oikealle. Vastaanottaja voi käyttää polarisoituneita suodattimia avaimen purkamiseen ja käyttää sitten valittua algoritmia viestin salaamiseen turvallisesti. Salaiset tiedot lähetetään edelleen normaalien viestintäkanavien kautta, mutta kukaan ei voi purkaa viestiä, ellei heillä ole tarkkaa kvantiavainta. Se on hankala, koska kvantisäännöt määräävät, että polarisoituneiden fotonien "lukeminen" muuttaa aina niiden tilaa, ja kaikki salakuunteluyritykset varoittavat kommunikaattoreita tietoturvaloukkauksista.
Nykyään yritykset, kuten BBN Technologies, Toshiba ja ID Quantique, käyttävät QKD: tä erittäin turvallisten verkkojen suunnitteluun. Vuonna 2007 Sveitsi kokeili ID Quantique -tuotetta tarjotakseen väärän äänestysjärjestelmän vaalien aikana. Ja ensimmäinen pankkisiirto takertuneella QKD: llä eteni Itävallassa vuonna 2004. Järjestelmä lupaa olla erittäin turvallinen, koska jos fotonit takertuvat, interpoloiden tekemät muutokset kvanttiloihinsa ilmestyvät heti kaikille, jotka seuraavat avaimen kantoa. hiukkasia. Mutta tämä järjestelmä ei vielä toimi suurilla etäisyyksillä. Toistaiseksi takertuneet fotonit on lähetetty maksimietäisyydellä, joka on noin 88 mailia.
Lähikuva D-Wave One -tietokonepiiristä. (D-Wave Systems, Inc.) Erittäin tehokkaat tietokoneet
Tavallinen tietokone koodaa tiedot binaarinumeroina tai biteinä. Kvantitietokoneet lataavat prosessointitehon yli, koska ne käyttävät kvanttibittejä tai kvittejä, jotka esiintyvät tilojen superpositiossa - kunnes ne mitataan, kvbitit voivat olla sekä "1" että "0" samanaikaisesti.
Tämä kenttä on edelleen kehitteillä, mutta on tapahtunut askelia oikeaan suuntaan. Vuonna 2011 D-Wave Systems esitteli 128-bittisen prosessorin D-Wave One, jota seuraa vuotta myöhemmin 512-bittinen D-Wave Two. Yhtiön mukaan nämä ovat maailman ensimmäiset kaupallisesti saatavissa olevat kvantitietokoneet. Tämä väite on kuitenkin otettu huomioon skeptisesti, osittain siksi, että on edelleen epäselvää, ovatko D-Wave-jännitteet takertuneet. Toukokuussa julkaistuissa tutkimuksissa löydettiin todisteita takertumisesta, mutta vain pienellä osajoukolla tietokoneen jännitteitä. On myös epävarmaa siitä, näytetäänkö siruilla luotettavaa kvanttinopeutta. Silti NASA ja Google ovat ryhtyneet muodostamaan Quantum Artificial Intelligence Lab -kysymyksen, joka perustuu D-Wave Two: iin. Ja Bristolin yliopiston tutkijat kiinnittivät viime vuonna yhden perinteisistä kvanttisiruistaan Internetiin, jotta kuka tahansa selaimessa voi oppia kvanttikoodauksen.
Seurataan tarkkaan takertumista. (Ono et ai., Arxiv.org) Parannetut mikroskoopit
Helmikuussa tutkijaryhmä Japanin Hokkaidon yliopistosta kehitti maailman ensimmäisen takertuneen parannetun mikroskoopin käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan differentiaalisen häiriön kontrastimikroskopiaksi. Tämäntyyppinen mikroskooppi laukaisee kaksi fotonisädettä aineesta ja mittaa heijastuneiden säteiden aiheuttaman häiriökuvion - kuvio muuttuu riippuen siitä, koskettavatko ne tasaista tai epätasaista pintaa. Sulautuneiden fotonien käyttö lisää huomattavasti mikroskoopin keräämän tiedon määrää, koska yhden takertuneen fotonin mittaaminen antaa tietoa kumppanistaan.
Hokkaidon joukkue onnistui kuvaamaan kaiverretun "Q", joka oli vain 17 nanometriä taustan yläpuolella ennennäkemättömällä terävyydellä. Samankaltaisia tekniikoita voitaisiin käyttää parantamaan interferometreiksi kutsuttujen tähtitiedetyökalujen erottelukykyä, jotka päällekkäin sijoittavat erilaisia valoaaltoja niiden ominaisuuksien analysoimiseksi paremmin. Interferometrejä käytetään ekstrasolaaristen planeettojen metsästyksessä, läheisten tähtiä koettamaan ja aallonpudotuksen etsimään avaruusajasta, nimeltään gravitaatioaallot.
Eurooppalainen robin voi olla kvantti luonnollinen. (Andrew Parkinson / Corbis) Biologiset kompassit
Ihmiset eivät ole ainoita, jotka käyttävät kvanttimekaniikkaa. Yksi johtava teoria viittaa siihen, että eurooppalaisen robinin kaltaiset linnut käyttävät pelottavaa toimintaa seuratakseen muuttoaan. Menetelmässä käytetään valoherkkää proteiinia, nimeltään kryptokromi, joka voi sisältää takertuneita elektroneja. Kun fotonit saapuvat silmään, ne osuvat kryptokromimolekyyleihin ja voivat toimittaa tarpeeksi energiaa hajottaakseen ne toisistaan, muodostaen kaksi reaktiivista molekyyliä tai radikaaleja parittomien, mutta silti takertuvien elektronien kanssa. Linnun ympäröivä magneettikenttä vaikuttaa siihen, kuinka kauan nämä kryptokromiradikaalit kestävät. Lintujen verkkokalvon solujen uskotaan olevan erittäin herkkiä takertuvien radikaalien esiintymiselle, minkä ansiosta eläimet voivat "nähdä" molekyyleihin perustuvan magneettisen kartan tehokkaasti.
Tätä prosessia ei kuitenkaan ymmärretä täysin, ja on myös toinen vaihtoehto: Lintujen magneettinen herkkyys voi johtua pienistä magneettimineraalien kiteistä nokkissaan. Silti, jos takertuminen todella on pelissä, kokeet viittaavat siihen, että herkän tilan on pysyttävä linnun silmässä paljon kauemmin kuin parhaissakin keinotekoisissa järjestelmissä. Magneettinen kompassi voisi myös olla soveltuva tietyille liskoille, äyriäisille, hyönteisille ja jopa joillekin nisäkkäille. Esimerkiksi kärpästen magneettinavigointiin käytettävää kryptokromimuotoa on löydetty myös ihmisen silmästä, vaikkakin on epäselvää, onko se kerran tai oliko se hyödyllinen samanlaiseen tarkoitukseen.
