Ve dvacátých letech minulého století byla kvantová mechanika, teorie, která je základem všeho od chování atomů po fungování kvantových počítačů, na cestě k získání širokého přijetí. Jedna záhada však zůstala: někdy se kvantové objekty, jako jsou elektrony, atomy a molekuly, chovají jako částice, jiné jako vlny. Někdy se dokonce chovají jako částice a vlny zároveň. Proto při studiu těchto kvantových objektů nebylo nikdy jasné, jaký přístup by měli vědci při svých výpočtech použít.
Někdy museli vědci předpokládat, že kvantové objekty jsou vlny, aby získali správný výsledek. V jiných případech museli předpokládat, že objekty jsou ve skutečnosti částice. Někdy fungoval oba přístupy. Ale v jiných případech pouze jeden přístup přinesl správný výsledek, zatímco druhý vrátil falešný výsledek. Historie tohoto problému sahá daleko do minulosti, ale nedávné experimenty vrhly nové světlo na tuto starou otázku.
Kvantová historie
Ve stejnojmenném experimentu s dvojitou štěrbinou, který poprvé provedl Thomas Young v roce 1801, se světlo chovalo jako vlny. V tomto experimentu je laserový paprsek nasměrován na dvojitou štěrbinu a poté je sledován výsledný vzor. Pokud by se světlo skládalo z částic, očekávali bychom dva bloky světla ve tvaru štěrbiny. Místo toho je výsledkem mnoho malých bloků světla uspořádaných do charakteristického vzoru. Umístění dvojité štěrbiny do proudu vody by vedlo ke stejnému vzoru těsně pod. Tento experiment tedy vedl k závěru, že světlo je vlna.
V roce 1881 pak Heinrich Hertz učinil vtipný objev. Když vzal dvě elektrody a přivedl mezi ně dostatečně vysoké napětí, objevily se jiskry. To je normální. Ale když Hertz posvítil na tyto elektrody, napětí jiskry se změnilo. To bylo vysvětleno skutečností, že světlo vyrazilo elektrony z materiálu elektrody. Ale kupodivu se maximální rychlost vyvržených elektronů nezměnila, pokud se měnila intenzita světla, ale měnila se s frekvencí světla. Tento výsledek by byl nemožný, pokud by teorie vln byla pravdivá. V roce 1905 měl Albert Einstein řešení: světlo byla ve skutečnosti částice. To vše bylo neuspokojivé. Vědci preferují jednu teorii, která je vždy pravdivá, před dvěma teoriemi, které jsou někdy pravdivé. A pokud je nějaká teorie pravdivá jen někdy, pak bychom rádi alespoň mohli říci, za jakých podmínek je pravdivá.
Ale to byl právě problém tohoto objevu. Fyzici nevěděli, kdy považovat světlo nebo jakýkoli jiný objekt za vlnu a kdy za částici. Věděli, že některé věci způsobují vlnové chování, jako jsou okraje štěrbin. Neměli ale jasné vysvětlení, proč tomu tak je, ani kdy použít nějakou teorii.
Tato hádanka se nazývá dualismus korpuskulárních vln, je stále zachován. Situaci ale může trochu osvětlit nová studie. Vědci z Korea Institute of Basic Sciences prokázali, že vlastnosti světelného zdroje ovlivňují, jak moc se jedná o částici a jak moc o vlnu. S novým přístupem ke studiu tohoto problému vydláždili cestu, která může dokonce vést ke zlepšení kvantových počítačů. Nebo takové naděje.
Zajímavé také: Kvantové procesory Google berou časové krystaly za hranice teorie
Jak vyrobit částice a vlny
V experimentu vědci pomocí poloodrazného zrcadla rozdělili laserový paprsek na dvě části. Každý z těchto paprsků dopadá na krystal, který zase produkuje dva fotony. Celkem jsou emitovány čtyři fotony, dva z každého krystalu.
Vědci poslali jeden foton z každého krystalu do interferometru. Toto zařízení kombinuje dva zdroje světla a vytváří interferenční obrazec. Tento vzor poprvé objevil Thomas Young ve svém výše zmíněném experimentu se dvěma štěrbinami. To je také to, co vidíte, když hodíte dva kameny do rybníka: vlnky vody, z nichž některé se navzájem posilují a jiné neutralizují. Jinými slovy, interferometr detekuje vlnovou povahu světla.
Dráhy dalších dvou fotonů byly použity k určení jejich korpuskulárních charakteristik. Ačkoli autoři článku nespecifikovali, jak to udělali, obvykle se to děje tak, že foton prochází materiálem, který ukazuje, kam se foton dostal. Můžete například vystřelit foton přes plyn, který se pak vznítí tam, kde foton prošel. Tím, že se foton zaměří na trajektorii spíše než na konečný cíl, může být vlna. Je to proto, že pokud změříte přesné umístění fotonu v každém časovém okamžiku, pak je bodový a nemůže zasáhnout sám sebe.
Toto je jeden z mnoha příkladů v kvantové fyzice, kdy měření aktivně ovlivňuje výsledek uvedeného měření. Proto v této části experimentu chyběl interferenční obrazec na konci trajektorie fotonu. Vědci tak zjistili, jak může být foton částicí. Úkolem nyní bylo kvantifikovat, kolik z toho byla částice a kolik zbylo z vlnového charakteru.
Protože oba fotony stejného krystalu jsou produkovány společně, tvoří jeden kvantový stav. To znamená, že je možné najít matematický vzorec, který popisuje oba tyto fotony současně. Výsledkem je, že pokud vědci dokážou kvantifikovat, jak silná je "částečnost" a "vlnová délka" dvou fotonů, lze tuto kvantifikaci aplikovat na celý paprsek dosahující krystalu.
Výzkumníci skutečně uspěli. Změřili, jak je foton zvlněný, kontrolou viditelnosti interferenčního vzoru. Když byla viditelnost vysoká, byl foton velmi vlnitý. Když byl obrazec sotva viditelný, dospěli k závěru, že foton musí být velmi podobný částici.
A tato viditelnost byla náhodná. Nejvyšší byla, když oba krystaly obdržely stejnou intenzitu laserového paprsku. Pokud však byl paprsek z jednoho krystalu mnohem intenzivnější než z druhého, viditelnost vzoru byla velmi slabá a fotony s větší pravděpodobností vypadaly jako částice.
Tento výsledek je překvapivý, protože ve většině experimentů se světlo měří pouze ve formě vln nebo částic. Dnes byly v několika experimentech měřeny oba parametry současně. To znamená, že je snadné určit, jakou část každé vlastnosti má světelný zdroj.
Zajímavé také: QuTech spouští prohlížeč pro kvantový internet
Teoretickí fyzici jsou potěšeni
Tento výsledek odpovídá dřívější předpovědi teoretiků. Podle jejich teorie, jak vlnový a korpuskulární je kvantový objekt, závisí na čistotě zdroje. Čistota je v tomto kontextu jen fantazijní způsob, jak vyjádřit pravděpodobnost, že určitý krystalický zdroj bude emitovat světlo. Vzorec je následující: V2 + P2 = µ2, kde V je viditelnost směrového vzoru, P je viditelnost cesty a µ je čistota zdroje.
To znamená, že kvantový objekt, jako je světlo, může být do určité míry vlnový a do určité míry částicový, ale to je omezeno čistotou zdroje. Kvantový objekt je vlnový, pokud je viditelný interferenční vzor nebo pokud hodnota V není rovna nule. Také je to jako částice, pokud je dráha pozorovatelná nebo pokud P je nenulové.
Dalším důsledkem této předpovědi je, že čistota je, že pokud je zapletení kvantové cesty vysoké, čistota je nízká a naopak. Vědci, kteří experiment provedli, to ve své práci matematicky ukázali. Vyladěním čistoty krystalů a měřením výsledků se jim podařilo prokázat, že tyto teoretické předpovědi byly skutečně správné.
Zajímavé také: NASA spustí kvantové počítače, které budou zpracovávat a uchovávat „hory“ dat
Rychlejší kvantové počítače?
Zajímavá je především souvislost mezi propletením kvantového objektu a jeho korpuskularitou a vlnitostí. Kvantová zařízení, která by mohla pohánět kvantový internet, jsou založena na zapletení. Kvantový internet je kvantová obdoba toho, čím je internet pro klasické počítače. Spojením mnoha kvantových počítačů a umožněním sdílení dat vědci doufají, že získají větší výkon, než by bylo možné dosáhnout s jediným kvantovým počítačem.
Ale místo toho, abychom posílali bity dolů optickým vláknem, což je to, co děláme pro napájení klasického internetu, musíme propojit qubity, abychom vytvořili kvantový internet. Schopnost změřit zapletení částice a zvlnění fotonu znamená, že můžeme najít jednodušší způsoby, jak kontrolovat kvalitu kvantového internetu.
Navíc samotné kvantové počítače se mohou zlepšit použitím dualismu částic a vln. Podle návrhu výzkumníků z čínské univerzity Tsinghua je možné spustit malý kvantový počítač přes víceštěrbinovou mřížku a zvýšit tak jeho výkon. Malý kvantový počítač by sestával z několika atomů, které se samy používají jako qubity, a taková zařízení již existují.
Průchod těchto atomů přes mřížku s více štěrbinami je velmi podobný průchodu světla přes dvojitou štěrbinu, i když samozřejmě trochu složitější. Vznikne tak více možných kvantových stavů, které naopak zvýší výkon „vypáleného“ počítače. Matematika za tím je příliš komplikovaná na to, aby se dala vysvětlit v tomto článku, ale důležitým výsledkem je, že takový dvoukvantový počítač může být lepší v paralelním počítání než konvenční kvantové počítače. Paralelní počítání je také běžné v klasickém počítání a v zásadě odkazuje na schopnost počítače provádět více výpočtů současně, čímž je celkově rychlejší.
I když se tedy jedná o velmi základní výzkum, možné aplikace jsou již na obzoru. V tuto chvíli to nelze prokázat, ale tyto objevy by mohly zrychlit kvantové počítače a mírně urychlit vznik kvantového internetu.
Zajímavé také: Čína vytvořila kvantový počítač, který je milionkrát výkonnější než ten od Googlu
Velmi zásadní, ale velmi zajímavé
To vše je třeba brát s velkou dávkou skepse. Výzkum je solidní, ale také velmi základní. Jak už to ve vědě a technice bývá, od základního výzkumu k aplikacím v reálném světě je dlouhá cesta.
Vědci z Koreje však objevili jednu velmi zajímavou věc: záhada dualismu částic a vln v brzké době nezmizí. Naopak se zdá být tak hluboce zakořeněný ve všech kvantových objektech, že je lepší ho používat. S novým kvantitativním základem souvisejícím s čistotou zdroje to bude snazší.
Jeden z prvních případů použití může nastat v kvantovém počítání. Jak vědci ukázali, kvantové provázání a dualismus částic a vln spolu souvisí. Místo zapletení tedy bylo možné měřit množství vlnitosti a korpuskularity. To by mohlo pomoci vědcům pracujícím na vytvoření kvantového internetu. Nebo můžete použít dualita zlepšit kvantové počítače a zrychlit je. Ať tak či onak, vypadá to, že vzrušující kvantové časy jsou hned za rohem.
Přečtěte si také:
Díky za článek! "Možné programy jsou již na obzoru" - pravděpodobně ne programy, ale aplikace?
Díky, velmi zajímavé. Více takových článků.
Děkuji! Pokusíme se ;)