Η κβαντομηχανική είναι περίεργη. Η θεωρία, η οποία περιγράφει τη λειτουργία των μικροσκοπικών σωματιδίων και δυνάμεων, έκανε τον Albert Einstein τόσο άβολο που το 1935 αυτός και οι συνάδελφοί του ισχυρίστηκαν ότι πρέπει να είναι ελλιπείς - ήταν πολύ «τρομακτικό» για να είναι πραγματικό.
σχετικό περιεχόμενο
- Οι επιστήμονες πιάσουν τη γάτα του Schrödinger στη φωτογραφική μηχανή
- Επτά απλοί τρόποι που γνωρίζουμε ο Αϊνστάιν ήταν σωστός (για τώρα)
- Η περίεργη φυσική μπορεί να κάνει μια αόρατη γάτα ορατή
- Ο Lockheed Martin έχει τρελούς-γρήγορους κβαντικούς υπολογιστές και σχέδια για την πραγματική χρήση τους
Το πρόβλημα είναι ότι η κβαντική φυσική φαίνεται να αψηφά τις κοινές νοηματικές έννοιες της αιτιότητας, της τοποθεσίας και του ρεαλισμού. Για παράδειγμα, γνωρίζετε ότι το φεγγάρι υπάρχει ακόμη και όταν δεν το κοιτάτε - αυτός είναι ο ρεαλισμός. Η αιτιότητα μας λέει ότι εάν περάσετε ένα διακόπτη φωτισμού, ο λαμπτήρας θα ανάψει. Και χάρη σε ένα σκληρό όριο στην ταχύτητα του φωτός, αν κάνετε ένα κουμπί τώρα, το σχετικό εφέ δεν θα μπορούσε να συμβεί αμέσως ένα εκατομμύριο έτη φωτός μακριά ανάλογα με την τοποθεσία. Ωστόσο, οι αρχές αυτές καταρρέουν στην κβαντική σφαίρα. Ίσως το πιο διάσημο παράδειγμα είναι η κβαντική εμπλοκή, που λέει ότι τα σωματίδια στις απέναντι πλευρές του σύμπαντος μπορούν να είναι εγγενώς συνδεδεμένα έτσι ώστε να μοιράζονται τις πληροφορίες αμέσως - μια ιδέα που έκανε τον Αϊνστάιν να κοροϊδεύει.
Αλλά το 1964, ο φυσικός John Stewart Bell απέδειξε ότι η κβαντική φυσική ήταν στην πραγματικότητα μια ολοκληρωμένη και εφαρμόσιμη θεωρία. Τα αποτελέσματά του, που τώρα ονομάζεται Θεώρημα Bell, αποδεικνύουν αποτελεσματικά ότι οι κβαντικές ιδιότητες όπως η εμπλοκή είναι τόσο πραγματικές όσο το φεγγάρι και σήμερα οι παράξενες συμπεριφορές των κβαντικών συστημάτων αξιοποιούνται για χρήση σε διάφορες πραγματικές εφαρμογές. Εδώ είναι πέντε από τα πιο ενδιαφέρουσα:
Ένα ρολόι strontium, που αποκαλύφθηκε από τον NIST και τον JILA τον Ιανουάριο, θα κρατήσει ακριβή χρόνο για τα επόμενα 5 δισεκατομμύρια χρόνια. (Οι ομάδες Ye και Brad Baxley, JILA) Εξαιρετικά ακριβή ρολόγια
Η αξιόπιστη χρονομέτρηση είναι κάτι περισσότερο από το ξυπνητήρι σας το πρωί. Τα ρολόγια συγχρονίζουν τον τεχνολογικό μας κόσμο, διατηρώντας τα πράγματα όπως τα χρηματιστήρια και τα συστήματα GPS στη σειρά. Τα κανονικά ρολόγια χρησιμοποιούν τις κανονικές ταλαντώσεις των φυσικών αντικειμένων όπως τα εκκρεμές ή οι κρύσταλλοι χαλαζία για να παράγουν τα «τσιμπούρια» και τα «τρακτέρ» τους. Σήμερα, τα πιο ακριβή ρολόγια στον κόσμο, ατομικά ρολόγια, είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν τις αρχές της κβαντικής θεωρίας για να μετρήσουν το χρόνο. Παρακολουθούν τη συγκεκριμένη συχνότητα ακτινοβολίας που απαιτείται για να περάσουν τα ηλεκτρόνια μεταξύ των επιπέδων ενέργειας. Το κβαντο-λογικό ρολόι στο Αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Κολοράντο χάνει ή κερδίζει ένα δεύτερο κάθε 3.7 δισεκατομμύρια χρόνια. Και το ρολόι στροντίου NIST, που αποκαλύφθηκε νωρίτερα φέτος, θα είναι τόσο ακριβές για 5 δισεκατομμύρια χρόνια - περισσότερο από τη σημερινή εποχή της Γης. Αυτά τα υπερευαίσθητα ατομικά ρολόγια βοηθούν στην πλοήγηση GPS, στις τηλεπικοινωνίες και στην τοπογραφία.
Η ακρίβεια των ατομικών ρολογιών εξαρτάται εν μέρει από τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων ατόμων. Διατηρούμενος σε θάλαμο κενού, κάθε άτομο μετρά ανεξάρτητα το χρόνο και παρακολουθεί τις τυχαίες τοπικές διαφορές μεταξύ του εαυτού του και των γειτόνων του. Εάν οι επιστήμονες χυτεύσουν 100 φορές περισσότερα άτομα σε ένα ατομικό ρολόι, γίνεται 10 φορές πιο ακριβής - αλλά υπάρχει ένα όριο για το πόσα άτομα μπορεί να συμπιεστεί. Ο επόμενος μεγάλος στόχος των ερευνητών είναι να χρησιμοποιήσουν με επιτυχία την εμπλοκή για την ενίσχυση της ακρίβειας. Τα ενεστραμμένα άτομα δεν θα ασχολήθηκαν με τοπικές διαφορές και θα μετρούσαν μόνο το πέρασμα του χρόνου, πράγμα που τους φέρνει αποτελεσματικά ως ένα ενιαίο εκκρεμές. Αυτό σημαίνει ότι προσθέτοντας 100 φορές περισσότερα άτομα σε ένα μπλεγμένο ρολόι θα το καθιστούσε 100 φορές πιο ακριβές. Τα εμπλοκαρισμένα ρολόγια θα μπορούσαν ακόμη να συνδεθούν για να σχηματίσουν ένα παγκόσμιο δίκτυο που θα μετράει το χρόνο ανεξάρτητα από την τοποθεσία.
Οι παρατηρητές θα έχουν έναν δύσκολο χρόνο να σπάσουν την κβαντική αλληλογραφία. (VOLKER STEGER / Επιστημονική βιβλιοθήκη φωτογραφιών / Corbis) Μη εύχρηστοι κωδικοί
Η παραδοσιακή κρυπτογραφία λειτουργεί με τα πλήκτρα: Ένας αποστολέας χρησιμοποιεί ένα κλειδί για την κωδικοποίηση πληροφοριών και ένας παραλήπτης χρησιμοποιεί ένα άλλο για να αποκωδικοποιήσει το μήνυμα. Ωστόσο, είναι δύσκολο να απομακρυνθεί ο κίνδυνος υποκλοπής και τα κλειδιά μπορούν να διακυβευτούν. Αυτό μπορεί να διορθωθεί χρησιμοποιώντας δυνητικά άθραυστη κατανομή κβαντικού κλειδιού (QKD). Στο QKD, οι πληροφορίες σχετικά με το κλειδί αποστέλλονται μέσω φωτονίων που έχουν πολωμένη τυχαία. Αυτό περιορίζει το φωτόνιο έτσι ώστε να δονείται μόνο σε ένα επίπεδο - για παράδειγμα, πάνω-κάτω ή αριστερά προς τα δεξιά. Ο παραλήπτης μπορεί να χρησιμοποιήσει πολωμένα φίλτρα για να αποκρυπτογραφήσει το κλειδί και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει έναν επιλεγμένο αλγόριθμο για ασφαλή κρυπτογράφηση ενός μηνύματος. Τα μυστικά δεδομένα εξακολουθούν να στέλνονται μέσω κανονικών καναλιών επικοινωνίας, αλλά κανείς δεν μπορεί να αποκωδικοποιήσει το μήνυμα αν δεν έχει το ακριβές κβαντικό κλειδί. Αυτό είναι δύσκολο, διότι οι κβαντικοί κανόνες υπαγορεύουν ότι η «ανάγνωση» των πολωμένων φωτονίων θα αλλάζει πάντα τις καταστάσεις τους και κάθε απόπειρα υποκλοπής θα προειδοποιεί τους μεταδότες σε παραβίαση ασφαλείας.
Σήμερα, εταιρείες όπως η BBN Technologies, η Toshiba και η ID Quantique χρησιμοποιούν την QKD για να σχεδιάσουν εξαιρετικά ασφαλή δίκτυα. Το 2007 η Ελβετία προσπάθησε να παράσχει ένα ID Quantique προϊόν για να παράσχει ένα σύστημα ψηφοφορίας που θα προστατεύεται από παραβιάσεις κατά τη διάρκεια των εκλογών. Και η πρώτη τραπεζική μεταφορά με εμπλοκή QKD προχώρησε στην Αυστρία το 2004. Αυτό το σύστημα υπόσχεται να είναι εξαιρετικά ασφαλές, διότι αν τα φωτόνια είναι μπλεγμένα, οποιεσδήποτε αλλαγές στις κβαντικές τους καταστάσεις που γίνονται από τους διαδοχικούς θα είναι άμεσα εμφανείς σε οποιονδήποτε παρακολουθεί το ρουλεμάν σωματίδια. Αλλά αυτό το σύστημα δεν λειτουργεί ακόμα σε μεγάλες αποστάσεις. Μέχρι στιγμής, τα εμπλεκόμενα φωτόνια έχουν μεταδοθεί σε μέγιστη απόσταση περίπου 88 μιλίων.
Κοντινό πλάνο ενός τσιπ υπολογιστή D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Εξαιρετικά ισχυροί υπολογιστές
Ένας τυπικός υπολογιστής κωδικοποιεί τις πληροφορίες ως μια σειρά από δυαδικά ψηφία ή δυαδικά ψηφία. Οι κβαντικοί υπολογιστές υπερφορτίζουν την ισχύ επεξεργασίας επειδή χρησιμοποιούν κβαντικά κομμάτια ή qubits που υπάρχουν σε μια υπερβολή των καταστάσεων - μέχρι να μετρηθούν, τα qubits μπορούν να είναι συγχρόνως "1" και "0".
Αυτό το πεδίο βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη, αλλά έχουν σημειωθεί τα βήματα προς τη σωστή κατεύθυνση. Το 2011, η D-Wave Systems αποκάλυψε τον επεξεργαστή D-Wave One, έναν επεξεργαστή 128-qubit, που ακολούθησε ένα χρόνο αργότερα το D-Wave Two 512-qubit. Η εταιρεία λέει ότι πρόκειται για τους πρώτους εμπορικά διαθέσιμους κβαντικούς υπολογιστές στον κόσμο. Ωστόσο, ο ισχυρισμός αυτός έχει αντιμετωπιστεί με σκεπτικισμό, εν μέρει επειδή είναι ακόμα ασαφές αν τα qubits του D-Wave είναι μπλεγμένα. Οι μελέτες που κυκλοφόρησαν τον Μάιο βρήκαν στοιχεία απόφραξης αλλά μόνο σε ένα μικρό υποσύνολο των qubits του υπολογιστή. Υπάρχει επίσης αβεβαιότητα σχετικά με το αν τα τσιπ εμφανίζουν αξιόπιστη κβαντική επιτάχυνση. Ωστόσο, η NASA και η Google συνεργάστηκαν για να δημιουργήσουν το εργαστήριο τεχνητής νοημοσύνης Quantum βασισμένο σε ένα D-Wave Two. Και οι επιστήμονες στο πανεπιστήμιο του Μπρίστολ πέρυσι συνένωσαν ένα από τα παραδοσιακά κβαντικά τους μάρκες στο διαδίκτυο, οπότε οποιοσδήποτε με πρόγραμμα περιήγησης στο Web μπορεί να μάθει κβαντική κωδικοποίηση.
Κοιτάζοντας απότομα την εμπλοκή. (Ono κ.ά., arxiv.org) Βελτιωμένα μικροσκόπια
Τον Φεβρουάριο μια ομάδα ερευνητών στο Ιαπωνικό Πανεπιστήμιο Hokkaido ανέπτυξε το πρώτο μικροσκόπιο ενισχυμένο με εμπλοκή στον κόσμο, χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως μικροσκοπία διαφορικής παρεμβολής στις παρεμβολές. Αυτός ο τύπος μικροσκοπίου πυροδοτεί δύο δέσμες φωτονίων σε μια ουσία και μετρά το πρότυπο παρεμβολής που δημιουργείται από τις ανακλώμενες δέσμες - το μοτίβο αλλάζει ανάλογα με το αν χτυπά μια επίπεδη ή ανώμαλη επιφάνεια. Η χρήση εμπλεγμένων φωτονίων αυξάνει σημαντικά την ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να συγκεντρώσει το μικροσκόπιο, καθώς η μέτρηση ενός μπλεγμένου φωτονίου δίνει πληροφορίες για το σύντροφό του.
Η ομάδα του Hokkaido κατάφερε να απεικονίσει ένα χαραγμένο "Q" που βρισκόταν μόλις 17 νανόμετρα πάνω από το φόντο με πρωτοφανή ευκρίνεια. Παρόμοιες τεχνικές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ανάλυσης εργαλείων αστρονομίας που ονομάζονται συμβολόμετρα, τα οποία επιθέτουν διαφορετικά κύματα φωτός για να αναλύσουν καλύτερα τις ιδιότητές τους. Τα συμβολόμετρα χρησιμοποιούνται στο κυνήγι για τους εξωηλιακούς πλανήτες, για την ανίχνευση κοντινών αστεριών και για την αναζήτηση κυματισμών στο διάστημα που ονομάζονται βαρυτικά κύματα.
Το ευρωπαϊκό robin μπορεί να είναι ένα κβαντικό φυσικό. (Andrew Parkinson / Corbis) Βιολογικές πυξίδες
Οι άνθρωποι δεν είναι οι μόνοι που χρησιμοποιούν την κβαντομηχανική. Μια κορυφαία θεωρία υποδηλώνει ότι τα πουλιά, όπως ο ευρωπαϊκός ρουμπίν, χρησιμοποιούν την τρομακτική δράση για να συνεχίσουν να κινούνται όταν μεταναστεύουν. Η μέθοδος περιλαμβάνει μια ευαίσθητη στο φως πρωτεΐνη που ονομάζεται κρυπτοχρόμιο, η οποία μπορεί να περιέχει μπλεγμένα ηλεκτρόνια. Καθώς τα φωτόνια εισέρχονται στο μάτι, χτυπούν τα μόρια του κρυπτοχρώματος και μπορούν να αποδώσουν αρκετή ενέργεια για να τα ξεπεράσουν, σχηματίζοντας δύο αντιδρώντα μόρια ή ριζικά, με μη συζευγμένα αλλά ακόμα μπλεγμένα ηλεκτρόνια. Το μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει το πουλί επηρεάζει πόσο καιρό διαρκούν αυτές οι ριζοσκοπικές ρίζες. Τα κύτταρα στον αμφιβληστροειδή του πτηνού πιστεύεται ότι είναι πολύ ευαίσθητα στην παρουσία των εμπλεγμένων ριζών, επιτρέποντας στα ζώα να βλέπουν αποτελεσματικά έναν μαγνητικό χάρτη με βάση τα μόρια.
Αυτή η διαδικασία δεν είναι πλήρως κατανοητή, όμως, και υπάρχει άλλη επιλογή: Η μαγνητική ευαισθησία των πτηνών μπορεί να οφείλεται σε μικρούς κρυστάλλους μαγνητικών ορυκτών στα ράμφη τους. Ακόμα, αν η εμπλοκή είναι πραγματικά στο παιχνίδι, τα πειράματα δείχνουν ότι η λεπτή κατάσταση πρέπει να διαρκέσει πολύ περισσότερο σε ένα μάτι του πουλιού παρά σε ακόμη και τα καλύτερα τεχνητά συστήματα. Η μαγνητική πυξίδα θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε ορισμένες σαύρες, καρκινοειδή, έντομα και ακόμη και σε ορισμένα θηλαστικά. Για παράδειγμα, μια μορφή κρυπτοχρώματος που χρησιμοποιείται για μαγνητική πλοήγηση σε μύγες έχει επίσης βρεθεί στο ανθρώπινο μάτι, αν και είναι ασαφές αν είναι ή κάποτε ήταν χρήσιμο για παρόμοιο σκοπό.
