Квантна механика је чудна. Теорија која описује рад ситних честица и сила, злогласно је учинила Алберта Ајнштајна тако нелагодним да су 1935. године и он и његове колеге тврдили да мора бити непотпун - био је сувише „сабласан“ да би био стваран.
Сличан садржај
- Научници хватају Сцхродингерову мачку на камери
- Седам једноставних начина за које знамо да је Ајнштајн био у праву (за сада)
- Чудна физика може учинити невидљиву мачку видљивом
- Лоцкхеед Мартин има лудо брзе квантне рачунаре и планове за њихову употребу
Проблем је што квантна физика изгледа пркоси здравим разумима представа о узрочности, локалитету и реализму. На пример, знате да месец постоји и када га не гледате - то је реализам. Узрочност нам говори да ако укључите прекидач за светло, сијалица ће се упалити. А захваљујући чврстом ограничењу брзине светлости, ако сада притиснете прекидач, сродни ефекат се према локалитету не би могао одмах појавити на милион светлосних година. Међутим, ови принципи се кваре у квантном царству. Можда је најпознатији пример квантно заплетање, који каже да се честице на супротним странама свемира могу међусобно повезати тако да одмах деле информације - идеја која је учинила Еинстеина да се руга.
Али 1964. године, физичар Јохн Стеварт Белл је доказао да је квантна физика у ствари потпуна и изведива теорија. Његови резултати, сада названи Белловим теоремом, ефикасно су доказали да су квантна својства попут заплетености стварна као и месец, а данас су бизарна понашања квантних система искоришћена за употребу у разним апликацијама у стварном свету. Ево пет најинтригантнијих:
Стронцијев сат, који су НИСТ и ЈИЛА представили у јануару, задржаће тачно време током наредних 5 милијарди година. (Група Ие и Брад Баклеи, ЈИЛА) Ултра прецизни сатови
Поуздано мерење времена отприлике је само ваш јутарњи аларм. Сатови синхронизују наш технолошки свет, усклађујући ствари попут берзи и ГПС система. Стандардни сатови користе редовне осцилације физичких објеката попут клатна или кварцних кристала за производњу „крпеља“ и „чарапа“. Данас су најпрецизнији сатови на свету, атомски сатови, способни да користе принципе квантне теорије за мерење времена. Они прате специфичну фреквенцију зрачења која је потребна како би се електрони прескочили између нивоа енергије. Квантно-логички сат на америчком Националном институту за стандарде и технологију (НИСТ) у Колораду губи или добија само секунду сваких 3, 7 милијарди година. А сат стронцијумовог НИСТ-а, представљен почетком ове године, биће тачан за 5 милијарди година - дуже од тренутног доба Земље. Такви супер осетљиви атомски сатови помажу у ГПС навигацији, телекомуникацијама и геодету.
Прецизност атомског сата се делимично ослања на број коришћених атома. Држећи се у вакуумској комори, сваки атом независно мери време и пази на случајне локалне разлике између себе и својих суседа. Ако научници убаце 100 пута више атома у атомски сат, то постаје 10 пута прецизније - али постоји ограничење у колико атома можете да се угурате. Следећи велики циљ истраживача је да успешно користе испреплетање како би повећали прецизност. Уплетени атоми не би били преокупирани локалним разликама, већ би само мерили пролазно време, ефективно их спајајући као једно клатно. То значи да би додавање 100 пута више атома у испреплетени сат учинило 100 пута прецизнијом. Уплетени сатови би чак могли бити повезани како би формирали светску мрежу која би мерила време независно од локације.
Посматрачи ће имати тешко време да се упирају у квантно дописивање. (ВОЛКЕР СТЕГЕР / Библиотека научних фотографија / Цорбис) Неодређени кодови
Традиционална криптографија функционише помоћу кључева: Пошиљалац користи један кључ за кодирање информација, а прималац други користи за декодирање поруке. Међутим, тешко је уклонити ризик од прислушкивања и кључеви могу бити угрожени. Ово се може поправити употребом потенцијално нераскидиве квантне дистрибуције кључева (ККД). У ККД-у се информације о кључу шаљу преко фотона који су насумично поларизирани. Ово ограничава фотон тако да вибрира у само једној равнини - на пример, горе и доле или лево надесно. Прималац може употријебити поларизиране филтре за дешифрирање кључа, а затим помоћу одабраног алгоритма за сигурно шифрирање поруке. Тајни се подаци и даље шаљу преко уобичајених комуникацијских канала, али нико их не може декодирати ако нема тачан квантни кључ. То је тешко, јер квантна правила диктирају да ће „читање“ поларизованих фотона увек променити њихова стања, а сваки покушај прислушкивања упозорит ће комуникаторе на кршење сигурности.
Данас компаније попут ББН Тецхнологиес, Тосхиба и ИД Куантикуе користе ККД за дизајн ултра сигурних мрежа. Швајцарска је 2007. године испробала производ ИД Куантикуе како би обезбедила неовлаштени систем гласања током избора. А први банковни трансфер помоћу заплетеног ККД-а настављен је у Аустрији 2004. године. Овај систем обећава да је веома сигуран, јер ако би се фотони испреплели, било какве промене у њиховим квантним стањима које су направили интерлопери биће одмах видљиве свима који надгледају кључ честице. Али овај систем још увек не ради на великим даљинама. До сада су заплетени фотони преношени на максималној удаљености од око 88 миља.
Изблиза рачунарског чипа Д-Ваве Оне. (Д-Ваве Системс, Инц.) Супер моћни рачунари
Стандардни рачунар кодира информације као низ бинарних цифара или бита. Квантни рачунари претрпавају процесорску снагу јер користе квантне битове или квитете који постоје у суперпозицији стања - док се не мере, кубити могу истовремено бити и „1“ и „0“.
То се поље још увек развија, али је било корака у правом смеру. У 2011. години Д-Ваве Системс је открио Д-Ваве Оне, 128-кбитни процесор, а годину дана касније 51-кбитни Д-Ваве Тво. Компанија каже да су ово први комерцијално доступни квантни рачунари на свету. Међутим, ова се тврдња сусрела са скептицизмом, делом и зато што је још увек нејасно да ли су квитови Д-Вавеа заплетени. Студије објављене у мају пронашле су доказе заплетености, али само у малом подскупину рачунара. Такође постоји неизвесност око тога да ли чипови приказују поуздано квантно убрзање. Ипак, НАСА и Гоогле удружили су се ради формирања Лабораторија за квантну вештачку интелигенцију засновану на Д-таласу два. Научници са Универзитета у Бристолу прошле године су повезали један од својих традиционалних квантних чипова на Интернету, тако да свако ко има веб претраживач може да научи квантно кодирање.
Пратите оштро заплетеност. (Оно и др., Аркив.орг) Побољшани микроскопи
У фебруару је тим истраживача са јапанског Хоккаидо универзитета развио први светски микроскоп ојачан укосницом, користећи технику познату као диференцијална интерференцијална микроскопија. Ова врста микроскопа ствара две зраке фотона на неку супстанцу и мери интерференцијални образац који стварају рефлектиране зраке - образац се мења у зависности да ли погађају равну или неравну површину. Употреба заплетених фотона увелике повећава количину информација које микроскоп може прикупити, мерењем једног заплетеног фотона даје информације о свом партнеру.
Тим Хоккаидо успео је да замисли угравирани "К" који је стајао само 17 нанометара изнад позадине, без преседана оштрина. Сличне технике би се могле користити за побољшање резолуције астрономских алата названих интерферометри, који намећу различите таласе светлости како би се боље анализирала њихова својства. Интерферометри се користе у лову за екстрасоларне планете, за испитивање оближњих звезда и за тражење валова у свемирском времену које се зову гравитациони таласи.
Европска робина може бити квантна природна. (Андрев Паркинсон / Цорбис) Биолошки компаси
Људи нису једини који користе квантну механику. Једна водећа теорија сугерира да птице попут европске робиње користе сабласне акције да би их пратиле током миграције. Метода укључује протеин осетљив на светлост назван криптохром, који може садржавати уплетене електроне. Док фотони улазе у очи, они упадају у молекуле криптохрома и могу да испоруче довољно енергије да их раздвоје, формирајући два реактивна молекула, или радикале, са парним, али још увек заплетеним електронима. Магнетно поље које окружује птицу утиче на то колико дуго ови криптохромски радикали трају. Сматра се да су ћелије у мрежници птице врло осетљиве на присуство заплетених радикала, што омогућава животињама да ефикасно „виде“ магнетну мапу на основу молекула.
Међутим, овај процес није у потпуности разумљив, а постоји и друга опција: Магнетна осетљивост птица могла би бити последица малих кристала магнетних минерала у кљуновима. Ипак, ако се заплетање заиста игра, експерименти указују на то да деликатно стање мора да траје много дуже у птичјем оку него чак и у најбољим вештачким системима. Магнетни компас се такође може применити на одређене гуштере, ракове, инсекте, па чак и на неке сисаре. На пример, облик криптохрома који се користи за магнетну навигацију код мува такође је пронађен у људском оку, мада није јасно да ли је или је некада био користан у сличне сврхе.
