ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Квантовая физика – это одна из самых удивительных и сложных областей науки, которая изучает мир на микроскопическом уровне. В этой статье мы погрузимся в основы квантовой физики, рассмотрим ее ключевые учения и исследуем, из чего состоит наш мир с точки зрения квантовой физики.

Квантовая физика возникла в начале 20 века и стала революционным шагом в понимании природы. Ее основные принципы отличаются от классической физики, что позволяет нам понять мир на атомарном и субатомарном уровне.

Основные Понятия Квантовой Физики

В квантовой физике мир разделен на мельчайшие единицы, называемые квантами. Один из наиболее известных квантов – квант действия Планка, который определяет неделимое количество энергии. Это понятие подразумевает, что энергия и материя не непрерывны, а дискретны.

Двойственность Волны и Частиц

Двойственность волн и частиц в квантовой физике – это фундаментальный принцип, согласно которому субатомные частицы, такие как электроны и фотоны, могут одновременно обладать как волновыми, так и частицами свойствами, в зависимости от того, как проводится эксперимент.

Этот принцип был впервые сформулирован в начале 20 века и означает, что субатомные частицы не всегда ведут себя как небольшие “классические” частицы (такие как марбли или маленькие шарики), а могут демонстрировать интерференцию и дифракцию, как волны. С другой стороны, они также проявляют частицы свойства, такие как локализация в пространстве и взаимодействие с другими частицами.

Ключевой эксперимент, демонстрирующий эту двойственность, – это эксперимент двух щелей, в котором поток субатомных частиц, например, электронов, направляется через две узкие щели на экран с детектором. Когда электроны идут через щели, они создают интерференционную картину, как волны, что указывает на их волновые свойства. Однако, когда мы попытаемся определить через какую из щелей каждый электрон прошел, интерференция исчезает, и они ведут себя как частицы.

Про урокцифры:  ПРЕЗЕНТАЦИИ ПО ПОГОДЕ ДЛЯ 6 КЛАССА

Эта двойственность вызвала революцию в нашем понимании микромира и была одной из ключевых точек квантовой механики. Она подчеркивает необычное поведение субатомных частиц и обусловлена математической формулировкой квантовой теории, которая использует волновые функции для описания вероятности поведения частиц.

Принцип Неопределенности Хейзенберга

Принцип неопределенности Хейзенберга – это фундаментальный принцип в квантовой механике, разработанный немецким физиком Вернером Хейзенбергом в 1927 году. Этот принцип утверждает, что невозможно одновременно точно измерить два связанных момента (например, положение и импульс) субатомной частицы. Чем более точно измеряется один из этих параметров, тем менее точно можно измерить другой.

Принцип неопределенности Хейзенберга формально записывается следующим образом:

Δx * Δp ≥ ħ/2

Этот принцип означает, что чем точнее мы знаем положение частицы, тем менее точно мы можем знать её импульс и наоборот. Принцип неопределенности объясняет, почему в квантовой механике субатомные частицы описываются вероятностными функциями, а не точными траекториями, как это делается в классической механике.

Этот принцип имеет фундаментальное значение для квантовой физики и ограничивает нашу способность предсказать будущее состояние субатомных частиц. Он также связан с понятием “коллапса волновой функции,” когда измерение частицы приводит к изменению её состояния.

Квантовая Суперпозиция

Квантовая суперпозиция – это одно из удивительных явлений в квантовой механике, которое описывает состояние субатомных частиц, позволяя им существовать в нескольких состояниях одновременно. Это понятие нарушает наше интуитивное представление о том, какие состояния могут занимать частицы, и является ключевым элементом квантовой физики.

Основные черты квантовой суперпозиции:

Примером квантовой суперпозиции может быть “кот Шрёдингера.” В этом гипотетическом эксперименте, кот находится в суперпозиции состояний жив/мертв до момента измерения.

Квантовая суперпозиция – это одна из основных особенностей квантового мира и формирует удивительные явления, которые не имеют классических аналогов. Эта концепция играет ключевую роль в разработке квантовых компьютеров и квантовых технологий.

Взаимодействие посредством Квантовых Полей

В квантовой физике силы взаимодействия, такие как электромагнитная и сильная взаимодействие, передаются через квантовые поля. Это позволяет понять, как происходят фундаментальные взаимодействия между частицами.

Из Чего Состоит Наш Мир?

С точки зрения квантовой физики, наш мир состоит из мельчайших субатомных частиц, взаимодействующих через квантовые поля. Все вещи, от атомов и молекул до звезд и планет, формируются из этих фундаментальных строительных блоков.

Квантовая физика разрушает привычные представления о том, как работает мир, и предлагает удивительное понимание природы на самом фундаментальном уровне.

Квантовая физика остается одним из самых захватывающих исследовательских направлений в науке, и ее учения по-прежнему вызывают восторг и изучение ученых и любознательных умов по всему миру. Эта наука продолжает расширять наше понимание мира и, возможно, в будущем приведет к еще более удивительным открытиям и технологическим прорывам.

В 2023 году Нобелевскую премию по химии получили ученые, открытие которых легло в основу многообещающей нанотехнологии. Она уже применяется в электронике, а в будущем может найти нишу в самых разных областях — от квантовой связи до медицины, уверен научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев

Нобелевской премии по химии удостоены ученые Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов. Премия присуждена им «за открытие и синтез квантовых точек». Так называются нанометровые частицы вещества, свойства которых определяются удивительными законами квантовой механики. Квантовые точки уже используются в современных дисплеях и светодиодах, но эксперты прочат им куда более впечатляющее будущее.

Луис Брюс — американец. Мунги Бавенди родился во Франции, но научную карьеру начал в США, где сейчас и работает. Алексей Екимов родился и сделал «нобелевское» открытие в СССР, но позже эмигрировал в США.

Число песчинок

В известной сказке герой должен износить семь пар железной обуви, прежде чем достигнет цели. Даже маленькие дети понимают смысл этого приема. Железо есть железо, что из него ни делай, гвоздь или сапог. Проще износить собственные ноги, чем железные башмаки.

Когда дети подрастают и идут в школу, они узнают, что у железа, как у всякого вещества, есть особые свойства: плотность, электрическое сопротивление, теплопроводность, коэффициент отражения света. Это свойства материала, а не сделанных из него предметов, поэтому они одинаковы у миниатюрного гвоздя и тяжелой наковальни. Физические законы, описывающие эти свойства, просты и интуитивно понятны. Масса равна плотности, умноженной на объем. Сила тока — напряжению, деленному на сопротивление.

Вскоре школьники узнают, что вещество состоит из атомов и молекул. Любознательный ученик может спросить: проводит ли ток молекула воды? Отражает ли атом алюминия свет так же хорошо, как алюминиевое зеркало? Утонет ли в воде атом железа?

Канал о бизнесе, финансах, экономике и стиле жизни

Правильный ответ состоит в том, что сам вопрос не имеет смысла. Плотность, электропроводность, отражательная способность — все эти характеристики появляются, когда атомы вещества собираются в огромных, как говорят ученые, —макроскопических количествах. Например, в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. Свойства же отдельного атома совсем не похожи на свойства вещества в целом. Ими управляют законы квантовой физики. Эти законы резко противоречат нашей интуиции: чего стоит только тот факт, что электрон в атоме не имеет определенной траектории, а как бы размазан по всему пространству! Квантовые законы можно изложить лишь с помощью сложной математики, обыденного языка для этого просто не хватает.

Итак, принцип «железо есть железо» дает сбой. Один атом — это совершенно точно незнакомое нам железо. Другое дело 1023 атомов железа (единица и 23 нуля после нее). Это уже несколько граммов металла со всеми его привычными свойствами. Сколько же атомов минимально необходимо, чтобы из странного квантового микромира вернуться в привычный и понятный макромир? Тысяча? Триллион? Тысяча триллионов? Сколько песчинок нужно сложить, чтобы получилась куча?

Квантовые точки, открытые нынешними лауреатами, находятся на границе двух миров — уже не атомы, но еще не макроскопические тела. Это кристаллы нанометрового размера, состоящие из небольшого числа атомов: от тысяч до сотен тысяч. Свойства вещества в квантовых точках сильно зависят от их, точек, размера — в отличие от свойств железа в гвозде и наковальне.

В поисках границы

Квантовая механика была создана в 1920-х. Уже тогда физики понимали, что раз объекты размером с атом квантовые, а размером с гвоздь — макроскопические, то где-то должен быть «переходный размер». В 1937 году немецко-британский ученый Герберт Фрёлих теоретически рассчитал, что свойства вещества в наночастицах — например, способность отражать и поглощать свет — будут зависеть от размера этих частиц. Это явление, чуждое макроскопической физике, где железо в любых количествах остается железом. Многие исследователи пошли по стопам Фрёлиха и на кончике пера открыли разные эффекты подобного рода. Но долгие десятилетия все эти открытия оставались теоретическими.

В 1970-х физики научились наносить пленки нанометровой толщины на поверхность макроскопической подложки. Оптические свойства пленки зависели от ее толщины в точности так, как предсказывали квантовые уравнения. Это был крупный прорыв. Но решающие открытия сделали Екимов и Брюс в следующем десятилетии.

Точки входа в квантовый мир

В конце 1970-х Алексей Екимов начал экспериментировать с изготовлением цветных стекол. Он заново открыл факт, известный стеклодувам тысячи лет. Одна и та же добавка может окрасить стекло в разные цвета в зависимости от того, как нагревать и охлаждать размягченный материал.

Древние мастера, должно быть, принимали это как должное. А вот современный физик осознал всю странность этого эффекта. Екимов принялся выяснять, как это работает. Исследователь изготовлял стекло с добавкой хлорида меди при температуре от 500°C до 700°C, варьируя время нагрева от одного часа до 96 часов. Просвечивая остывший материал рентгеновскими лучами, он обнаружил в стекле нанокристаллы хлорида меди. Причем в разных условиях возникали кристаллы разного размера, от 2 до 30 нанометров. Самые крупные кристаллы поглощали свет на той же длине волны, что и макроскопический хлорид меди. Но чем меньше были кристаллы, тем ближе к синему концу спектра сдвигался поглощаемый свет. Екимов понял, что открыл явление, предсказанное Фрёлихом в 1937 году. Оптические свойства вещества в наночастицах зависели не только от самого вещества, но и от размера частиц. Позже такие частицы назвали квантовыми точками.

Исследователь опубликовал свое открытие в 1981 году в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики». По ту сторону океана не слишком-то читали советские научные журналы. Поэтому Луис Брюс не знал об успехе Екимова. В 1983 году он самостоятельно открыл квантовые точки в другом эксперименте. Брюс получил нанокристаллы сульфата кадмия размерами от 4,5 до 12,5 нанометра. Их оптические свойства тоже зависели от размера.

Управление точкой

Чтобы знание превратилось в технологию, мало было открыть квантовые точки. Свойства наночастиц зависят от их размера, в этом открытие и состоит. Если требуются частицы с определенными свойствами, нужно получить частицы соответствующего размера, причем дешево. Методы Екимова и Брюса позволяли контролировать только средний размер нанокристаллов, причем разброс вокруг этого среднего был довольно велик. Если физик желал иметь квантовые точки, поглощающие, скажем, только синий цвет, ему приходилось сортировать готовые наночастицы по размеру. Это был трудный и потому дорогой процесс. К тому же нанокристаллы часто имели дефекты.

Эту проблему решил Мунги Бавенди, ученик Брюса. В 1993 году он изобрел технологию получения практически идеальных нанокристаллов. Ученый добавлял в горячий растворитель реагенты, в реакции которых образовывался селенид кадмия. Эти вещества впрыскивались через тонкую иглу. Раствор вокруг иглы насыщался, и образовывались наночастицы селенида кадмия. Бавенди обнаружил, что их размерами можно управлять, регулируя температуру раствора. Этот удобный и дешевый метод оказался пригодным не только для селенида кадмия, но и для других веществ. Благодаря открытию Бавенди квантовые точки из лабораторной диковинки превратились в коммерческий продукт.

Потенциал их применения в электронике огромен. Сегодня квантовые точки можно встретить в мониторах технологии QLED, светодиодах и лазерах. Специалисты говорят о большом будущем нанокристаллов в сфере гибкой электроники, солнечных батарей и связи с квантовым шифрованием. Биологи помечают квантовыми точками вещества в живой клетке. Медики присматриваются к нанокристаллам как средству маркировки опухолей, а химики видят в них перспективные катализаторы.

Напоследок ответим на вопрос, почему за квантовые точки присуждена премия по химии, хотя все это время мы, в сущности, говорили о физике. Когда дело доходит до атомов и молекул, физику, химию, а иногда и биологию трудно разделить. В 1911 году Мария Склодовская–Кюри получила Нобелевскую премию по химии за открытие радия и полония. Все логично, ведь речь шла об открытии новых химических элементов. Однако эта работа стала ключевой для ядерной физики, и физики вспоминают о ней куда чаще химиков. Подобные «пограничные» премии вручались еще несколько раз и будут вручаться впредь. Ведь на самом деле существует не физика и химия, а единая природа, которой нет дела до наших несовершенных классификаций.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора

Телепортация, путешествие во времени или в параллельные миры — все это следствия появления такой науки, как квантовая физика. Но если телепортация для людей пока возможна лишь в теории, то реальные кейсы, где применяются квантовые вычисления, уже существуют. Ильназ Маннапов, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Квантовые методы обработки данных» (КФУ), выступил на фестивале науки и технологии «ПРОСТО», организованном российским ИТ-вузом, и рассказал о влиянии квантовых вычислений и физики на человеческое мировоззрение.

Читайте «Хайтек» в

«Если квантовая физика вас не испугала, значит, вы ее не поняли», — как-то сказал один из создателей квантовой физики Нильс Бор. Многие из нас знают про такие явления, как телепортация, путешествие в параллельные миры или в будущее. Но не все знают, что данные явления являются следствиями такой науки, как квантовая физика.

В конце XX века многие исследователи поняли, что квантовую физику можно использовать при создании нового вида компьютеров. Можно сказать, что исследователи, которые занимаются вопросами квантовых вычислений, готовят теоретическую основу для телепортаций, путешествий во времени либо в параллельные миры.

https://youtube.com/watch?v=TyHapmqWhvA%3Ffeature%3Doembed

В контексте классических вычислений есть такое понятие, как 1 бит — это единица представления или хранения информации. Аналогично классическому биту можно определить квантовый бит, который является единицей квантовой информации. Один классический бит может в себе хранить каждый момент времени одно из двух состояний: либо ноль, либо единицу. С физической точки зрения — это наличие или отсутствие электрического сигнала. Как и в классическом случае, в квантовом есть состояния — 0 и 1. Но, в отличие от классических вычислений, 1 кубит может хранить в себе суперпозицию этих состояний. То есть состояние квантового бита в общем случае определяется двумя характеристиками, или двумя параметрами. Первый параметр отвечает за вероятность нулевого состояния, а второй — за вероятность первого состоянии. Квантовый бит в некотором роде — некое вероятностное состояние, однако из него можно извлечь классическую информацию. Для этого используется специальная операция под названием измерение.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Базисные состояния в квантовом случае не являются единственными возможными состояниями. Также есть состояние, к примеру, плюс-минус, и нужно отметить, что базисное состояние зависит от физической реализации квантового бита.

Квантовые вычисления и их отличия от классических

Любые классические вычисления основываются на некоторых классических преобразованиях. То есть это некие действия, которые мы можем предпринимать с классическим видом. К примеру, оператор НЕ инвертирует значение классического бита. То есть если на входе мы получаем 0, то на выходе получаем 1, и наоборот. Для работы с квантовым битом используются квантовые преобразования. Есть одно отличие, которое обособляет квантовые преобразования от классических. Квантовые преобразования являются обратимыми. Действие любого из них можно обратить с помощью некоторого другого также квантового преобразования. И, в отличие от классических вычислений, для квантовых можно определить еще одну операцию под названием «измерение». С помощью этого преобразования мы можем извлекать классическую информацию из квантового бита.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Работу квантового компьютера можно определить с помощью, соответственно, квантовой схемы. Если классическая схема состоит из классических преобразований, то квантовая схема — из квантовых.

Квантовые вычисления, в отличие от классических, являются молодой наукой, но уже есть интересные примеры их применения. К примеру, такая область, как криптография — защита информации, задачи оптимизации хорошо решаются с помощью квантовых компьютеров. При создании реального сопоставимого с классическими компьютерами квантового вычислителя мы сможем решить некоторые задачи быстрее, чем классические компьютеры.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Идея сверхплотного кодирования заключается в том, чтобы с помощью одного квантового бита передавать два классических бита. Почему же такое кодирование называется сверхплотным? Вспомним черную дыру — это некое физическое тело, вся масса которого схлопывается в одну точку сингулярности. Однако в квантовом случае все намного прозаичнее, речь идет про сжатие данных, причем даже не столь внушительное — просто передача с помощью одного кубита двух классических битов.

Два кубита называются запутанными, если, измеряя или извлекая классическую информацию из первого кубита, мы можем с точностью определить состояние второго кубита. Простой пример: допустим, есть брат и сестра Боб и Алиса. Ежедневно на завтрак или на обед мама им подготавливает контейнер с едой. Она либо кладет салат, либо бутерброд с сыром. При этом ни Алиса, ни Боб, уходя в школу, не знают содержимое контейнера. И только приходя в школу, они открывают свои контейнеры: Алиса видит салат, и уже точно знает, что в контейнере у Боба. Другой более интересный пример — это пара носков. Допустим, вы проснулись утром и хотите надеть носки, надевая один из носков на правую ногу, вы точно будете знать, что второй носок принадлежит левой ноге или будет левым носком. Сверхплотное кодирование как раз-таки основано на явлении запутанности.

https://youtube.com/watch?v=_jHoIy4arbg%3Ffeature%3Doembed

Телепортация — физическое перемещение объектов из одного места в другое за короткий промежуток времени. Такое явление придумано в квантовых вычислениях, а в квантовой физике экспериментально продемонстрировано. Однако в данном случае мы перемещаем не все физическое тело, а всего лишь состояние одного кубита. Можно отметить, что дело уже осталось за малым, теперь нужно научиться расщеплять физические тела на элементарные частицы, а далее после передачи с помощью квантового канала связи обратно собирать из них физические тела. Данное явление также основано на явлении запутанности.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Следующий пример — это протокол BB84, который относится к области криптографии. Предположим, у нас есть некий советский шпион, цель которого — обмениваться информацией с генеральным штабом. Есть несколько вариантов решения данной задачи. Один из вариантов — использование ключа, с помощью которого шпион мог бы шифровать сообщение, а принимающая сторона — расшифровывать. Есть две проблемы: как получить данный ключ, чтобы никто не смог его подделать, и, во-вторых, как обменяться ключом таким образом, чтобы никто не смог его перехватить. Протокол BB84 решает данную проблему.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

В начале шпион имеет некий генератор случайных битов и с его помощью генерирует случайные биты. В качестве квантового бита он использует одиночные фотоны. С их помощью он шифрует или сохраняет классическую информацию в одиночный фотон, назовем его просто кубитом. В данном случае при записи классического бита в кубит может быть использовано два вида базисов. В качестве базисов используются различные поляризации одиночного фотона. Для упрощения действия назовем эти базисы белым и желтым базисом. Что это значит: с помощью белого и желтого мы можем шифровать как значение 0, так и значение 1. Если мы используем желтый базис, то поляризация фотона — диагональная, и она будет хранить значение 0; если на вход мы получаем 1, то используется антидиагональная поляризация, и, следовательно, с помощью нее передаем 1. Если используется белый базис, то с помощью горизонтальной поляризации передается состояние 0, а с помощью вертикальной — 1. Шпион выбирает произвольно эти базисы: ни он, ни кто-нибудь другой не знает, какой именно он выберет. Полученные фотоны с определенной поляризацией передаются в генеральный штаб, который также обладает этими базисами: с их помощью там производят измерение полученного квантового бита. В генштабе не знают, какие именно базисы использовал советский шпион, следовательно, там произвольно выбирают эти базисы. Но, с точки зрения теории вероятностей, в половине случаев они угадают эти базисы. И, следовательно, где-то в половине случаев из всех у них будут совпадать использованные базисы — и полученные и переданные классические биты. Далее генеральный штаб передает те базисы, которые он использовал, а шпион, в свою очередь, сообщает, в каких именно позициях произошло совпадение. Строка, которая была получена из выжатых состояний, и становится ключом. То есть если шпион отправляет 1 000 бит классической информации, то в итоге ключ будет составлять порядка 500 символов, или 500 бит.

https://youtube.com/watch?v=MlsrCzDdAbE%3Ffeature%3Doembed

Есть третий человек, условный Мюллер, цель которого — подслушать процесс обмена ключом. Как это он делает? Допустим, он тоже знает все те базисы, которые используются шпионом и генштабом. Он становится посередине и начинает принимать одиночные кубиты с помощью своих базисов. Он тоже не знает, какие именно базисы использовал советский шпион, произвольно выбирает между желтым и белым базисом. В 50% случаев он угадает. Следовательно, 50% кубитов уйдут в том же состоянии, в котором и были получены. Однако порядка 50% уйдут уже в измененном состоянии. Как результат, генеральный штаб при получении этих кубитов только в четверти случаев будет получать именно те состояния, которые были отправлены, в принципе, это и будет сигналом того, что их кто-то подслушивает. Если бы их никто не подслушивал, то 50% их ключей бы совпадали. Однако если кто-то будет их подслушивать, только в четверти случаев ключи будут совпадать. Следовательно, первая проблема, которую мы с вами озвучивали, — о том, что как именно сгенерировать ключ, чтобы никто не подслушивал, таким образом и решится. Как только они узнают, что их кто-то подслушивает, то могут поменять канал связи. То есть выбрать уже другой квантовый канал. Вторая проблема: как именно обменяться ключом, чтобы никто не смог перехватить, в данном случае решается сама собой, так как никакой проблемы обмена ключом в данном случае не существует.

https://youtube.com/watch?v=IiFz2MbEBjE%3Flist%3DPLn4CTt5ibU6csttysWHK-qqiE7Kp4KtIp

Когда появятся реальные квантовые компьютеры

На данный момент квантовые компьютеры уже есть и даже промышленно практически используются. На самом деле это компьютеры, которые в какой-то мере используют квантовые эффекты. Данные вычислители решают ограниченный круг задач и в основном используются для решения некоторых оптимизационных задач. К примеру, компания d-wave — один из разработчиков почти квантовых компьютеров. Среди клиентов данной компании можно назвать таких гигантов, как Google, несколько автоконцернов также используют почти квантовые компьютеры.

На сегодняшний день уже известно несколько разработок, которые ведутся в создании реальных квантовых компьютеров. Буквально год назад была разработана экспериментальная модель квантового компьютера, который работает с двумя кубитами. Для решения реальных задач данные квантовые компьютеры тоже не подходят, однако важно отметить, что их работа хорошо демонстрирует работу тех принципов, на которых теоретически основываются квантовые вычислители.

В 2019 году был представлен квантовый компьютер, состоящий и работающий с 20 кубитами. Данный компьютер используется чисто для демонстрации того, что принципы квантовых вычислений работают. Это можно сравнить с двумя мегабайтами, к примеру, оперативки в современном мире, то есть, в принципе, это ни о чем.

Сейчас высказываются гипотезы, что квантовая запутанность и явление кротовых нор — одно и то же явление. Более того, кротовые норы сами по себе основаны на таком явлении, как квантовая запутанность. Это говорит о том, что в будущем, как вариант, можно будет создавать кротовые норы уже искусственным путем. То есть запутывая некие квантовые биты между собой.

https://youtube.com/watch?v=7qdbYhld9Kg%3Ffeature%3Doembed

Как измерить квантовый бит

Существует три взгляда на измерение квантового бита. Первый взгляд — это копенгагенская теория, классический взгляд на процесс измерения. Она гласит, что с помощью измерения мы, получая некий классический результат, влияем на измеряемый кубит. Если рассматривать в контексте электрона, то измерение электрона представляется в виде некой волны — то есть это некая волновая функция. Но измерение приводит к тому, что данная волновая функция схлопывается, и мы имеем дело уже с частицей. Важно упомянуть про неопределенность Гейзенберга, которая гласит: что мы не можем знать про волновую функцию и местоположение электрона одновременно. То есть если мы будем измерять электрон, то потеряем характеристики волновой функции. И наоборот, зная характеристики волновой функции, мы не можем определить местоположение электрона.

Второй взгляд — это теория Дэвида Бома, которая гласит, что мы просто владеем не всей информации о системе, а в реальности и до измерения, и после измерения волновая функция никуда не девается. Просто есть некие скрытые параметры, которых мы не знаем. И зная эти дополнительные характеристики, мы можем установить как точное местоположение электрона, так и характеристики волновых функций. Это можно сравнить с подбросом обычной монеты. Если рассматривать с классической точки зрения, подброс монеты считается процессом рандомным, то есть результат нельзя предсказать. Однако, с точки зрения физики, мы можем с точностью определить, зная некоторые дополнительные характеристики, какой именно стороной упадет монета. К примеру, начальную силу удара либо силу сопротивления воздуха и так далее.

И третий взгляд на процесс измерения — это теория множественных миров. Данную теорию высказал Хью Эверетт. Она гласит, что при измерении происходит некое расщепление физического мира. И та ипостась, которую мы наблюдаем, местоположение электрона, реальна только в нашем мире. Параллельно создаются другие миры, в которых реальна уже другая ипостась электрона. Развивая теорию Эверетта, один из создателей квантовых вычислений в своё время сказал, что, таким образом, сама Вселенная является неким квантовым компьютером и производит вычисления.

Причиной появления постквантовой криптографии стал был теоретический квантовый алгоритм, позволяющий взломать существующие системы шифрования. Одна из них является основой безопасности многих интернет-банкингов, а также основой шифрования веб-сайтов. Предположим, есть советский шпион, цель которого — передавать информацию в генштаб, а есть третья сторона, которая может это все подслушивать. До этого мы рассматривали шифрование с помощью одного ключа, но в данном конкретном случае предлагается другой метод. Есть протокол RSA, цель которого следующая: генерируется два ключа — открытый ключ и закрытый; с помощью закрытого ключа производится расшифровывание полученного сообщения, а с помощью открытого — шифрование. Данный протокол позволяет реализовывать данный алгоритм, то есть создавать открытый и закрытый ключи.

https://youtube.com/watch?v=DoinY8IMKRI%3Ffeature%3Doembed

В конце XX века Питером Шором был предложен новый алгоритм, позволяющий взломать основу алгоритма RSA. Данный алгоритм является полностью квантовым, и, следовательно, возникновение реально работающего квантового компьютера позволит взломать современные системы защиты. Как результат возникла новая наука, которая рассматривает новые алгоритмы, чтобы сделать устойчивые методы шифрования к взлому квантовым компьютером.

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Изменение климата сместило ось Земли

В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю

Международная группа физиков впервые подтвердила важное теоретическое предсказание в квантовой физике. До сих пор это было невозможно. « Хайтек» рассказывает, как ученым удалось преодолеть эту проблему.

Вычисления, которые хотели провели ученые были настолько сложны, что не были под силу даже суперкомпьютерам. Но физики «поменяли правила игры». Они в разы упростили вычисления, используя методы из области машинного обучения. Исследование улучшает понимание фундаментальных принципов квантового мира. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Как работает квантовый мир?

Рассчитать движение одного бильярдного шара относительно просто. Но предсказать траектории миллион частиц газа в сосуде, которые постоянно сталкиваются, тормозят и отклоняются, гораздо сложнее. Если неясно, с какой именно скоростью движется каждая частица, то у них есть бесчисленное количество возможных вариантов на любой данный момент времени. Важна только вероятность.

Аналогичная ситуация и в квантовом мире: квантово-механические частицы могут одновременно обладать всеми потенциально возможными свойствами. Это делает пространство состояний квантово-механических систем невероятно большим. Чтобы смоделировать взаимодействие квантовых частиц друг с другом, необходимо учитывать все их варианты состояний. И это невероятно сложно.

Дело в том, что вычислительные требования возрастают экспоненциально с ростом количества частиц. Если взять больше 40 частиц, то даже самые быстрые суперкомпьютеры не в состоянии с ними справиться. Это одна из величайших задач квантовой физики.

Как упростить задачу?

В рамках нового исследования ученые использовали методы из области машинного обучения — искусственные нейронные сети. С их помощью можно переформулировать квантово-механическое состояние, что делает его управляемым для компьютеров.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Используя этот метод, физики исследовали важное теоретическое предсказание, которое до сих пор оставалось невыясненным, — квантовый механизм Киббла — Зурека. Он описывает динамическое поведение физических систем при так называемом квантовом фазовом переходе. Простой пример фазового перехода — когда вода превращается в лед. Другой пример — размагничивание магнита при высоких температурах.

Но если сделать обратное и, наоборот, и охладить материал, магнит снова начнет «работать» ниже определенной критической температуры. Однако это происходит неравномерно по всему материалу. Вместо этого одновременно создается множество маленьких магнитов с по-разному выровненными северным и южным полюсами. В итоге, получившийся магнит на самом деле мозаика из множества разных магнитов меньшего размера. Кроме того, он будет дефектным.

Механизм Киббла — Зурека назван в честь Тома В. Б. Киббла , который был пионером в изучении формирования доменной структуры в ранней Вселенной, и Войцеха Х. Зурека, который связал количество создаваемых дефектов с критическими показателями перехода и с его скоростью.

Механизм Киббла — Зурека предсказывает, сколько из этих дефектов следует ожидать. Проще говоря, из скольких мини-магнитов в конечном итоге будет состоять материал. Примечательно, что число этих дефектов — универсально и, таким образом, не зависит от микроскопических деталей. А, значит, многие разные материалы ведут себя совершенно одинаково, даже если их микроскопический состав совершенно разный.

Механизм Киббла — Зурека и образование галактик после Большого взрыва

Первоначально механизм Киббла — Зурека ввели, чтобы объяснить формирование структуры во Вселенной. После Большого взрыва она, изначально, была полностью однородной, а, значит, вся вмещающая материя распределилась равномерно. Долгое время было неясно, как из такого однородного состояния могли образоваться галактики, звезды или планеты.

В этом контексте механизм Киббла — Зурека помогает понять, что произошло. По мере остывания Вселенной, дефекты развивались подобно магнитам. И, если эти процессы в макроскопическом мире хорошо изучены, есть один тип фазовых переходов, на котором еще не удалось его проверить. Речь идет именно о квантовых фазовых переходах.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Проблема в том, что они существуют только при температуре абсолютного нуля: это −273 °C. А, значит, фазовый переход происходит не при охлаждении, а за счет изменения энергии взаимодействия. Например, при изменении давления».

Что сделали ученые?

В рамках нового исследования ученые смоделировали такой квантовый фазовый переход на суперкомпьютере (как раз с помощью искусственных нейросетей). Таким образом, они впервые показали, что механизм Киббла — Зурека, который объясняет рождение Вселенной, применимо и в квантовом мире. Как отмечают авторы исследования, этот вывод был «не был очевидным». Требовалось немало усилий, чтобы доказать их. Новое исследование позволит физикам лучше описать динамику квантово-механических систем многих частиц. А, значит, более точно понять правила, которые управляют этим экзотическим миром.

Черную дыру-монстр нашли на «заднем дворе» Земли: она очень близко к нашей планете

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

«Уэбб» сфотографировал «Столпы Творения». Сравните, как их до этого снял «Хаббл»

На обложке: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Некоторые физические теории допускают существование параллельных вселенных — по крайней мере, на квантовом уровне. « Хайтек» рассказывает об одной из них.

В нескольких интерпретациях квантовой механики, например, интерпретации Эверетта, Вселенную можно описать одним уравнением — квантовой волновой функцией. Каждый раз, когда в ней происходит квантовый (или субатомный) процесс, она разделяется на две части, то есть постоянно создаются параллельные миры.

Однако ученые не доказали, что эти интерпретации верны. Также у них есть серьезные недостатки, из-за которых они не получили общее признание.

Квантовая проблема

Квантовая механика описывает поведение крошечных частиц. Ее главная странность в том, что уверенности в том, какие результаты можно получить в результате наблюдений, просто нет. Например, согласно интерпретации теории, электроны существуют одновременно в нескольких состояниях. Затем, когда кто-то производит измерение, электрон «выбирает» одно из этих состояний.

Вот в чем проблема: «смысл физики» в том, чтобы предсказывать, будут себя вести объекты во Вселенной. Если человек бросит другому мяч, можно использовать знания физики (например, классические законы Ньютона), чтобы предсказать, куда он полетит. Но, если «бросить» электрон, точно узнать, где он окажется, не получится.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

Однако у квантовой механики есть один инструмент для предсказаний: уравнение Шредингера. Оно приписывает каждой частице волновую функцию и описывает, как она меняется со временем. В стандартной картине квантовой механики она представляет собой облако вероятности. Оно, в свою очередь, описывает, где можно наблюдать частицу. Там, где у волновой функции высокие значения, есть большая вероятность, а там, где низкие, — небольшая.

Волновая функция (или вектор состояния) описывает состояние квантовомеханической системы. Если ее знать, можно получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире. Например, с ее помощью можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы, вероятность того, что она будет пребывать в определенном месте пространства и эволюцию во времени. Волновую функцию можно найти в результате решения волнового уравнения Шредингера.

Однако эта стандартная картина сталкивается с проблемой, когда ученые действительно проводят измерения. Когда они не смотрят, волновая функция развивается сама по себе в соответствии с уравнением Шредингера. Но когда ученые проводят измерение, эта она «схлопывается», фактически исчезая, и частица появляется в одном из возможных мест.

Квантовая интерпретация

Как в квантовом мире могут существовать два совершенно разных набора правил поведения волновой функции? В стандартной картине волновая функция подчиняется уравнению Шредингера, когда ее не наблюдают, а в противном случае немедленно коллапсирует. Это странно, но обычно для квантовой физики.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

В противовес некоторые интерпретации квантовой механики «превращают» волновую функцию из простого математического инструмента в реальный существующий объект. Например, интерпретация многих миров (также известная как интерпретация Эверетта) и теория волн-пилотов.

Как это работает?

Интерпретация Эверетта, также известная как многомировая интепретация (ММИ) предполагает существование, в каком-то смысле, «параллельных вселенных». В каждой из них действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные. Однако они находятся в различных состояниях.

Согласно физику Михаилу Коробко, вот как это работает. Если квантовая система оказывается запутанной со всем окружающим миром, разные части волновой функции оказываются полностью изолированы друг от друга, без «коллапса». Как будто они находятся в разных мирах. Так «работает» главная идея многомировой интерпретации, согласно которой вся Вселенная описывается одной волновой функцией.

При этом разные «миры» возникают каждый раз, когда происходит «коллапс» — взаимодействие системы с окружением. При этом один мир делится на несколько в соответствии с ветвями волновой функции, и больше они не взаимодействуют.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

В этой интерпретации нет такого понятия, как измерение. Нет специального процесса или «трюка», который заставил бы волновую функцию исчезнуть. Вместо этого каждой частице во Вселенной назначается собственная волновая функция, и каждая просто продолжает бесконечно развиваться в соответствии с уравнением Шредингера.

Когда частицы взаимодействуют, их волновые функции ненадолго «перекрываются». В квантовой механике, как только это происходит, частицы навсегда связаны: одна волновая функция описывает обе частицы одновременно в процессе квантовой запутанности. Вообще каждая частица во Вселенной запутывается с любой другой, что приводит к единой универсальной волновой функции, описывающей весь космос «одним махом».

Как работает квантовая мультивселенная

Но даже при наличии универсальной волновой функции случайность по-прежнему является ключевой для квантовой механики, объясняет Пол Саттер, профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук SUNY для Live Science. Чтобы объяснить это, согласно обеим интерпретациям, волновая функция расщепляется каждый раз, когда происходит квантовое взаимодействие, и в каждой дублирующей Вселенной электрон ведет себя по-своему. Этот процесс создает квантовую мультивселенную.


ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СТАЛИ НОБЕЛЕВСКИМИ ЛАУРЕАТАМИ

По сути, каждое взаимодействие на каком-то уровне является квантовым, существуют паралельные вселенные, в каждой — последствия возможного альтернативного выбора, который человек мог сделать за всю свою жизнь. По сути, человек постоянно «расщепляется» в этот самый момент, фрагментируясь на множество копий с каждым выбором, каждым движением и каждым действием.

«Расщепление» человека

Сложность квантовой мультивселенной в том, что она невообразимо огромная. Ведь не только сознательные решения приводят к «расщеплению», но и каждое квантовое взаимодействие. Даже читая эту статью, вы запускаете «фрагментирование» бесчисленных вселенных, которые абсолютно идентичны, за исключением крошечных, незначительных квантовых деталей, происходящих внутри смартфона или ноутбука. Это очень много.

Главный вопрос квантовой мультивселенной

Проблема в том, что люди воспринимают сознание как единое целое, и мозгу требуется время, чтобы интегрировать все сенсорные данные в сознательное восприятие мира. Но если человек постоянно «расщепляется», как можно сохранить непротиворечивую историю нашей собственной идентичности?

Кроме того, ни одна из этих физических теорий не объясняет, как на самом деле происходит это разделение вселенных. Неизвестно, как быстро это происходит и почему люди не могут наблюдать это. Кроме того, остается открытым вопрос, как люди восстанавливают вероятности квантовой механики со всеми этими расщепляющимися вселенными — другими словами, как вселенные «знают», какое расщепление производить при каждом квантовом взаимодействии. В будущем, возможно, ученые смогут ответить на этот и другие вопросы.

Посмотрите на самое мощное извержение вулкана на луне Юпитера

Открыт новый вид квантовой запутанности: фотоны «запоминают» структуру атомов

Металличность Солнца оказалась выше, чем считалось: что узнали астрофизики

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *