1920 жылдары кванттық механика, атомдардың мінез-құлқынан бастап кванттық компьютерлердің жұмысына дейінгі барлық нәрсенің негізін құрайтын теория кеңінен танымал болу жолында болды. Бірақ бір жұмбақ қалды: кейде электрондар, атомдар және молекулалар сияқты кванттық объектілер бөлшектер сияқты, басқалары толқындар сияқты әрекет етеді. Кейде олар тіпті бір уақытта бөлшектер мен толқындар сияқты әрекет етеді. Сондықтан, осы кванттық объектілерді зерттеген кезде, ғалымдар өз есептеулерінде қандай тәсілді қолдану керектігі ешқашан анық болмады.
Кейде ғалымдар дұрыс нәтиже алу үшін кванттық объектілерді толқындар деп болжауға мәжбүр болды. Басқа жағдайларда олар объектілерді шын мәнінде бөлшектер деп болжауға тура келді. Кейде екі тәсіл де жұмыс істеді. Бірақ басқа жағдайларда тек бір тәсіл дұрыс нәтиже берді, ал екіншісі жалған нәтиже берді. Бұл мәселенің тарихы бұрыннан бар, бірақ соңғы эксперименттер бұл ескі сұраққа жаңа жарық түсірді.
Кванттық тарих
Алғаш рет 1801 жылы Томас Янг жүргізген аттас қос саңылау экспериментінде жарық толқындар сияқты әрекет етті. Бұл тәжірибеде лазер сәулесі қос саңылауға бағытталған, содан кейін алынған үлгі қаралады. Егер жарық бөлшектерден тұрса, жарықтың екі жарық блогын күтуге болады. Оның орнына, нәтиже тән үлгіде орналасқан көптеген шағын жарық блоктары болып табылады. Су ағынына қос саңылау қою төменде дәл осындай үлгіге әкеледі. Сонымен, бұл тәжірибе жарық толқыны деген қорытындыға әкелді.
Содан кейін, 1881 жылы Генрих Герц күлкілі жаңалық ашты. Ол екі электродты алып, олардың арасына жеткілікті жоғары кернеу түсіргенде, ұшқын пайда болды. Бұл қалыпты жағдай. Бірақ Герц осы электродтарға жарық түсіргенде, ұшқын кернеуі өзгерді. Бұл жарықтың электрод материалынан электрондарды шығарып тастауымен түсіндірілді. Бірақ, бір қызығы, шығарылған электрондардың максималды жылдамдығы, егер жарықтың қарқындылығы өзгерсе, өзгермейді, бірақ жарық жиілігімен өзгерді. Егер толқындық теория ақиқат болса, бұл нәтиже мүмкін емес еді. 1905 жылы Альберт Эйнштейннің шешімі болды: жарық шын мәнінде бөлшек болды. Мұның бәрі қанағаттанарлықсыз болды. Ғалымдар кейде ақиқат болып табылатын екі теорияға әрқашан дұрыс болатын бір теорияны артық көреді. Ал егер теория кейде ғана ақиқат болса, онда біз ең болмағанда оның қандай жағдайда ақиқат екенін айта алғымыз келеді.
Бірақ бұл жаңалықтың дәл мәселесі болды. Физиктер жарықты немесе кез келген басқа нысанды қашан толқын, ал қай кезде бөлшек ретінде қарастыру керектігін білмеді. Олар кейбір нәрселердің саңылаулардың жиектері сияқты толқын тәрізді мінез-құлықты тудыратынын білді. Бірақ оларда бұл неліктен бұлай және қандай да бір теорияны қашан қолдану керектігі туралы нақты түсініктеме болмады.
Бұл жұмбақ деп аталады корпускулярлық-толқындық дуализм, әлі күнге дейін сақталған. Бірақ жаңа зерттеу жағдайға біршама жарық түсіруі мүмкін. Кореяның іргелі ғылымдар институтының ғалымдары жарық көзінің қасиеттері оның қаншалықты бөлшек және қаншалықты толқын екендігіне әсер ететінін дәлелдеді. Бұл мәселені зерттеуге жаңа көзқараспен олар кванттық есептеулерді жақсартуға әкелуі мүмкін жол ашты. Немесе осындай үміттер.
Сондай-ақ қызықты: Google кванттық процессорлары теориядан тыс уақыт кристалдарын алады
Бөлшектер мен толқындарды қалай жасауға болады
Тәжірибеде ғалымдар лазер сәулесін екі бөлікке бөлу үшін жартылай шағылыстыратын айнаны пайдаланды. Бұл сәулелердің әрқайсысы кристалға түседі, ол өз кезегінде екі фотонды шығарады. Барлығы төрт фотон шығарылады, әр кристалдан екіден.
Ғалымдар интерферометрге әр кристалдан бір фотон жіберді. Бұл құрылғы екі жарық көзін біріктіреді және кедергі үлгісін жасайды. Бұл үлгіні алғаш рет Томас Янг өзінің жоғарыда аталған екі саңылау тәжірибесінде ашты. Бұл екі тасты тоғанға лақтырған кезде де көрінеді: судың толқындары, олардың кейбіреулері бірін-бірі нығайтады, ал басқалары бірін-бірі бейтараптандырады. Басқаша айтқанда, интерферометр жарықтың толқындық сипатын анықтайды.
Қалған екі фотонның жолдары олардың корпускулалық сипаттамаларын анықтау үшін пайдаланылды. Қағаздың авторлары мұны қалай жасағанын нақтыламаса да, бұл әдетте фотонның қайда кеткенін көрсететін материал арқылы фотонды өткізу арқылы жасалады. Мысалы, фотонды газ арқылы түсіруге болады, ол фотон өткен жерде тұтанады. Соңғы мақсатқа емес, траекторияға назар аудару арқылы фотон толқын болуы мүмкін. Себебі, фотонның нақты орнын уақыттың әр сәтінде өлшейтін болсаңыз, ол нүкте тәрізді болады және өзіне соқтығысуы мүмкін емес.
Бұл кванттық физикадағы өлшем аталған өлшемнің нәтижесіне белсенді әсер ететін көптеген мысалдардың бірі. Сондықтан эксперименттің бұл бөлігінде фотон траекториясының соңында интерференциялық үлгі жоқ болды. Осылайша, зерттеушілер фотонның бөлшек болуы мүмкін екенін анықтады. Ендігі мәселе оның қаншалықты бөлшек екенін және толқын табиғатынан қаншасы қалғанын сандық түрде анықтау болды.
Бір кристалдың екі фотоны бірге өндірілетіндіктен, олар бір кванттық күйді құрайды. Бұл екі фотонды бір уақытта сипаттайтын математикалық формуланы табуға болатынын білдіреді. Нәтижесінде, егер зерттеушілер екі фотонның «жартылай» және «толқын ұзындығы» қаншалықты күшті екенін анықтай алса, бұл санды кристалға жеткен бүкіл сәулеге қолдануға болады.
Шынында да, зерттеушілер табысқа жетті. Олар интерференция үлгісінің көрінуін тексеру арқылы фотонның қаншалықты толқынды екенін өлшеді. Көру мүмкіндігі жоғары болған кезде фотон толқын тәрізді болды. Үлгі әрең көрінген кезде, олар фотон бөлшекке өте ұқсас болуы керек деген қорытындыға келді.
Және бұл көріну кездейсоқ болды. Бұл екі кристал да лазер сәулесінің бірдей қарқындылығын алған кездегі ең жоғары болды. Алайда, егер бір кристалдан түскен сәуле екіншісіне қарағанда әлдеқайда қарқынды болса, өрнектің көрінуі өте әлсіз болды және фотондар бөлшектерге ұқсайтын болды.
Бұл нәтиже таң қалдырады, өйткені көптеген эксперименттерде жарық тек толқындар немесе бөлшектер түрінде өлшенеді. Бүгінгі таңда бірнеше тәжірибеде екі параметр де бір уақытта өлшенді. Бұл жарық көзінің әрбір қасиетінің қаншалықты екенін анықтау оңай дегенді білдіреді.
Сондай-ақ қызықты: QuTech кванттық интернетке арналған шолғышты іске қосады
Теориялық физиктер қуанады
Бұл нәтиже теоретиктердің бұрын жасаған болжамына сәйкес келеді. Олардың теориясына сәйкес, кванттық объектінің толқын тәрізді және корпускулярлы болуы көздің тазалығына байланысты. Бұл контексттегі тазалық - бұл белгілі бір кристалдық көздің жарық шығаратын болу ықтималдығын білдірудің сәнді тәсілі. Формула келесідей: V2 + P2 = μ2, мұндағы V - бағыттық үлгінің көрінуі, P - жолдың көрінуі, μ - көздің тазалығы.
Бұл жарық сияқты кванттық объект белгілі бір дәрежеде толқын тәрізді және белгілі бір дәрежеде бөлшек тәрізді болуы мүмкін дегенді білдіреді, бірақ бұл көздің тазалығымен шектеледі. Егер интерференциялық үлгі көрінсе немесе V мәні нөлге тең болмаса, кванттық нысан толқын тәрізді болады. Сондай-ақ, егер жол бақыланатын болса немесе P нөлден басқа болса, ол бөлшектерге ұқсайды.
Бұл болжамның тағы бір нәтижесі тазалық, егер кванттық жолдың шиеленісуі жоғары болса, тазалығы төмен және керісінше. Эксперимент жүргізген ғалымдар мұны математикалық түрде өз жұмыстарында көрсетті. Кристалдардың тазалығын реттеп, нәтижелерді өлшей отырып, олар бұл теориялық болжамдардың шынымен де дұрыс екенін көрсете алды.
Сондай-ақ қызықты: NASA деректерді «тауларды» өңдеу және сақтау үшін кванттық компьютерлерді іске қосады
Жылдам кванттық компьютерлер?
Кванттық объектінің шиеленісуі мен оның корпускулярлығы мен толқындылығы арасындағы байланыс ерекше қызықты. Кванттық интернетті қуаттай алатын кванттық құрылғылар шиеленіске негізделген. Кванттық Интернет классикалық компьютерлер үшін Интернеттің кванттық ұқсастығы болып табылады. Көптеген кванттық компьютерлерді біріктіріп, олардың деректермен алмасуына мүмкіндік беру арқылы ғалымдар бір кванттық компьютерден гөрі көбірек қуат алуға үміттенеді.
Бірақ биттерді оптикалық талшыққа жіберудің орнына, яғни біз классикалық интернетті қуаттандыру үшін жасаймыз, кванттық интернетті құру үшін кубиттерді араластыру керек. Бөлшектердің түйісуін және фотонның толқындылығын өлшей алу кванттық интернеттің сапасын басқарудың қарапайым жолдарын таба алатынымызды білдіреді.
Сонымен қатар, кванттық компьютерлердің өзі бөлшектер-толқын дуализмін қолдану арқылы жақсара алады. Қытайдың Цинхуа университеті зерттеушілерінің ұсынысы бойынша шағын кванттық компьютердің қуатын арттыру үшін көп саңылаулы тор арқылы басқаруға болады. Кішкентай кванттық компьютердің өзі кубит ретінде пайдаланылатын бірнеше атомдардан тұрады және мұндай құрылғылар бұрыннан бар.
Бұл атомдарды көп ойық тор арқылы өткізу, әрине, сәл күрделірек болса да, жарықты қос саңылау арқылы өткізуге өте ұқсас. Бұл мүмкін болатын кванттық күйлерді жасайды, бұл өз кезегінде «атылған» компьютердің қуатын арттырады. Мұның артындағы математика осы мақалада түсіндіру үшін тым күрделі, бірақ маңызды нәтиже - мұндай екі кванттық компьютер қарапайым кванттық компьютерлерге қарағанда параллельді есептеулерде жақсырақ болуы мүмкін. Параллельді есептеу классикалық есептеулерде де кең таралған және негізінен компьютердің бір уақытта бірнеше есептеулерді орындау мүмкіндігін білдіреді, бұл оны жалпы жылдамырақ етеді.
Сонымен, бұл өте негізгі зерттеу болғанымен, мүмкін қосымшалар көкжиекте. Қазіргі уақытта дәлелдеу мүмкін емес, бірақ бұл ашылулар кванттық компьютерлерді жылдамдатуы және кванттық интернеттің пайда болуын сәл жылдамдата алады.
Сондай-ақ қызықты: Қытай Google компаниясынан миллион есе қуатты кванттық компьютер жасап шығарды
Өте іргелі, бірақ өте қызықты
Мұның барлығына үлкен сенімсіздікпен қарау керек. Зерттеу сенімді, бірақ сонымен бірге өте қарапайым. Әдетте ғылым мен технологиядағыдай, іргелі зерттеулерден нақты өмірдегі қолданбаларға дейін ұзақ жол бар.
Бірақ кореялық зерттеушілер бір қызық нәрсені анықтады: бөлшектер-толқын дуализмінің құпиясы жақын арада жойылмайды. Керісінше, оның барлық кванттық объектілерде тамыры тереңде жатқаны сонша, оны қолданған дұрыс. Дереккөздің тазалығына байланысты жаңа сандық негізбен мұны істеу оңайырақ болады.
Алғашқы қолдану жағдайларының бірі кванттық есептеулерде орын алуы мүмкін. Ғалымдар көрсеткендей, кванттық түйісу мен бөлшек-толқындық дуализм өзара байланысты. Осылайша, шиеленістің орнына толқындық пен корпускулярлық мөлшерін өлшеуге болады. Бұл кванттық интернет құрумен айналысатын ғалымдарға көмектесуі мүмкін. Немесе пайдалануға болады екіжақтылық кванттық компьютерлерді жақсарту және оларды жылдамдату. Қалай болғанда да, қызықты кванттық уақыт жақын жерде тұрған сияқты.
Сондай-ақ оқыңыз:
Мақала үшін рахмет! «Мүмкін бағдарламалар қазірдің өзінде көкжиекте тұр» - бағдарламалар емес, қолданбалар шығар?
Рахмет, өте қызықты. Осындай мақалалар көбірек.
Рахмет! Біз тырысамыз;)